Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные виды элементов связи (возбуждения) ЛП.

2. Дайте рекомендации по размещению возбуждающего штыря в волноводе.

3. Дайте рекомендации по размещению петли связи для возбуждения линий передачи различных типов.

4. По каким принципам располагают отверстия связи в линиях передачи?

5. Опишите основные разновидности направленных ответвителей.

6. Укажите основные параметры направленных ответвителей.

7. Какие разновидности согласующих устройств вы знаете?

8. Опишите свойства волноводных тройников. Укажите область их возможного применения.

9. Почему в СВЧ устройствах и ЛП удобно использование волновых переменных (S- и Т-матриц), а не матриц сопротивлений и проводимостей?

10. Назовите основные разновидности конструктивных неоднородностей.

11. Назовите принципы управления амплитудой, фазой и поляризацией ЭМВ в линиях передачи. Приведите примеры подобных устройств управления.

12. Какие параметры имеет согласующий переход для двух линий передачи с разными волновыми сопротивлениями?

13. По какому принципу работают фильтры типов волн?

14. По какому принципу располагают возбуждающие элементы для получения нужных типов волн в ЛП и устройствах?

15. Опишите принцип действия и назначения короткозамкнутых поршней.

Тема 21. Объемные резонаторы

Свободные (собственные) колебания объёмных резонаторов. Общая теория свободных колебаний в резонаторах. Собственные параметры: резонансная частота, собственная (ненагруженная) добротность. Вынужденные колебания резонаторов, связанных с источником энергии и нагрузкой. Полная (нагруженная) добротность резонаторов. Объёмные резонаторы, образованные из отрезков линий передачи, короткозамкнутых или нагруженных на конце. Коаксиальные резонаторы. Прямоугольные и цилиндрические резонаторы.

Открытые резонаторы. Диэлектрические и ферритовые резонаторы.

Возбуждение волн в резонаторах.

Проходные резонаторы. Квазистационарные резонаторы.

Указания к теме

При рассмотрении объемных резонаторов следует обратить внимание на отличие полей в резонаторе и волноводе, обусловленное характером граничных условий. Необходимо знать собственные параметры резонатора и параметры нагруженного резонатора, эквивалентные схемы замещения ненагруженного и нагруженного резонаторов, связь элементов эквивалентных схем с параметрами резонатора. Важно уяснить физический смысл собственной, внешней и нагруженной добротностей резонатора и определение их через накопленную энергию и энергию потерь.

При изучении резонаторов из отрезков ЛП следует обратить внимание на условие резонанса в каждой из исследуемых разновидностей резонаторов, необходимо знать структуру поля на основном резонансе.

Основные сведения

Простейшим ЭМ резонатором является колебательныйLC-контур. Переход от электрического поля к магнитному сопровождается в нем пространственным перемещением энергии из конденсатора в индуктивность. Уже в ОВЧ диапазоне контур работает неудовлетворительно: снижается допустимая мощность, сказываются индуктивности выводов, межвитковые емкости катушки и т. д. [2].

В УВЧ диапазоне и выше применяют объемные резонаторы, ЭМ колебания которых возникают внутри ограниченного объема. На рис. 21.1 показано постепенное превращения LC-контура в объемный резонатор. К контуру из одного витка (рис. 21.1а), рассчитанному на ОВЧ, добавляем параллельно несколько витков (рис. 21.1б), что уменьшает излучение в пространство и повышает частоту контура. Объединение всех витков в сплошную поверхность приводит к тороидальному резонатору, ЭМП которого полностью локализовано в объеме резонатора (рис. 21.1в). Этот резонатор относится к классу квазистационарных, имеет четко выраженные области существования электрических и магнитных полей, его размеры малы по сравнению с  собственных колебаний.

Раздвинув пластины конденсатора (рис. 21.1б,в), получим сферическую поверхность. Собственная  такого резонатора станет сравнимой с его размерами. Весь объем резонатора (рис. 21.1г) будет в равной степени электрическим и магнитным полями, и в этом случае не удается выделить отдельные области со свойствами индуктивности и емкости.

ЭМ колебания могут существовать в ограниченном объеме любой формы, если размеры объема достаточно велики по сравнению с . ЭМП в таком резонаторе можно представить в виде ЭМВ, вектор которой последовательно отражается от его стенок. Резонанс (резкое увеличение амплитуды колебаний) наблюдается в том случае, если эта ЭМВ приходит в определенную точку в одной и той же фазе.

Собственные колебания возникают в резонаторе при внешнем импульсном воздействии. Частота резонанса зависит от геометрических размеров резонатора и структуры ЭМП рассматриваемого типа волн. Объемные резонаторы имеют бесконечный ряд резонансных частот, соответствующих собственным колебаниям разного вида. (Путей для циркулирующего в резонаторе вектора ЭМВ, для которого выполняются условия резонанса,  бесконечное множество!)

Вынужденные колебания возникают в резонаторе при внешнем периодическом воздействии, при этом энергия в систему поступает каждый период. При совпадении частоты этого воздействия с одной из резонансных частот возникает резонанс.

Добротность резонатора определяется как отношение запасенной в резонаторе колебательной энергии к энергии потерь в резонаторе.

Отрезок полого металлического волновода прямоугольного сечения, на концах которого расположены металлические пластинки, образует прямоугольный параллелепипед со сторонами a, b и l по осям (рис. 21.2). Этот пример показывает, как из отрезков закрытых ЛП получаются закрытые объемные резонаторы.

Тогда формула для нахождения резонансной частоты имеет вид

, (21.1)

где кроме волноводных индексов m и n добавился индекс q, соответствующий числу полуволн по оси z.

Различные распределения ЭМП в резонаторе соответствуют модам типа Н_mnp и E_mnp, которые получаются сочетаниями индексов m, n и q.

Основной является мода Н₁₀₁ (при b < a и b < l). В многомодовом режиме в резонаторе существуют колебания нескольких типов. Устройства связи должны при этом обеспечивать избирательную по структуре поля связь резонатора с ЛП, подавляя колебания нежелательных типов.

Собственная добротность Q₀ равна умноженному на 2π отношению накопленной в резонаторе энергии к потерям энергии (в данном случае в проводнике резонатора) за период, и для моды Н_m0p определяется так:

, (21.2)

где V – объем, а S – площадь боковой поверхности объемного резонатора, k_ш – коэффициент шероховатости.

Объемные резонаторы применяются в диапазонах ОВЧ-ГВЧ в качестве резонансных систем в усилителях, генераторах, измерителях частоты (волномерах), для построения частотных фильтров. В генераторах с их помощью осуществляется отбор энергии от потока электронов, согласование нагрузки генератора с электронным прибором и стабилизация частоты. В устройствах обработки сигнала с их помощью реализуется селекция сигналов по частоте, они являются основными элементами конструкций переключателей типа «прием-передача». Объемные резонаторы являются основными элементами волномеров и анализаторов спектра.

На СВЧ и выше потери в проводниках резонаторов значительны, поэтому применяют открытые и диэлектрические резонаторы, которые обеспечивают более высокую добротность.

Список рекомендуемой литературы: [2, с. 255–287; 11, с. 318–342; 5, с. 162–197; 6, с. 289–317; 7, с. 213–243; 9, с. 308–341; 12, с. 277–302; 13, с. 311–354; 33, 48].