Резонатори нвч
1.3.9.1. Типи резонаторів і їх параметри
Як було відзначено в п. В.3, контури на LC-елементах використовують тільки до частот у сотні мегагерц, тому що зі збільшенням частоти різко зростають випромінювання та втрати в цих елементах, що призводить до зниження добротності та погіршення селективних властивостей контурів. Тому як коливальні системи в діапазоні НВЧ використовують резонатори – діелектричні об’єми, в яких нагромаджується електромагнітна енергія за час, набагато більший періоду коливань.
Резонатори обмежені поверхнями, на яких відбувається повне внутрішнє відбиття електромагнітних хвиль. Це провідні металеві стінки чи межі поділу із зовнішнім діелектриком, відносна діелектрична проникність r якого істотно менша, ніж
проникність середовища, що заповнює резонатор. Резонатори мають елементи зв’язку із зовнішніми колами.
Розрізняють такі види резонаторів: хвилевідні (регулярні та складної форми), твердотільні й відкриті.
Регулярні резонатори – це відрізки
регулярних (однорідних) ЛП (рис. 1.45):
хвилевідних (рис. 1.45.а,б), яки замкнені
на кінцях, а також коаксіальних (рис.
1.45.в)і смужкових(рис. 1.45.г), кінці яких
можуть бути як замкненими, так і
розімкненими. До цієї групи резонаторів
відносять і кільцеві резонатори біжучої
хвилі, що являють собою ЛП, згорнуту в
кільце (рис. 1.46) довжиною
в ціле число хвиль, тобто замкнену на
себе.
Рис. 1.45
Рис. 1.46
До резонаторів складної форми відносять такі коливальні системи:
з’єднання відрізків ЛП різних типів;
комбінації відрізків ЛП та елементів із зосередженими параметрами;
квазістаціонарні резонатори з просторовим розподілом електричних і магнітних полів, як у LC-контурах.
Залежно від складності конструкції широко використовувані радіальні, спіральні й інші типи резонаторів можуть бути складної чи регулярної форми.
Твердотільні резонатори – це діелектричні зразки малого об’єму з проникністю r > 10 та феритові сфери діаметром 1…2 мм (наприклад, із монокристалу залізоітрієвого гранату ЗІГ-резонатори).
Відкриті резонатори являють собою резонансну систему, обмежену плоскими паралельними пластинами чи сферичними дзеркалами та відкриту з боків (резонатор Фабрі – Перо).
Основні параметри резонаторів – власні частоти (довжини хвиль), добротність, а також еквівалентна вхідна провідність, що визначає, зокрема, реакцію резонатора на режим роботи ЛП, до якої його підключено як прохідний чи кінцевий елемент. Ці параметри визначають експериментально чи розрахунковим способом (для цього потрібно знати структури електромагнітних полів резонатора).
Резонатори використовують як ланки фільтрів частотної селекції та як коливальні системи хвилемірів, підсилювачів і генераторів НВЧ, а також квантових приладів.
1.3.9.2. Власні та змушені коливання в резонаторах
В
ідеальному (без втрат) резонаторі стоячих
хвиль може бути безліч видів власних
незгасаючих коливань. Кожен вид має
свою власну частоту v
та певну структуру поля. Напруженість
електричного поля
набирає максимального значення одночасно
в усіх точках резонатора (рис. 1.47),
напруженість магнітного поля
в цей момент дорівнює нулю. Через чверть
періоду вся енергія запасається в
магнітному полі, а електричне поле
зникає. Максимуми електричних і магнітних
полів у резонаторі просторово рознесені,
тому процес електромагнітних коливань
супроводжується переходом енергії WE
з області електричного поля в область
магнітного (енергія WH)
і навпаки. Умова резонансу така: WE
= WH.
У резонаторах біжучої хвилі електричне та магнітне поля синфазні, тобто реалізується режим біжучої хвилі; енергія циркулює по замкненому колу. Такі резонатори називають кільцевими (рис. 1.46).
У разі підключення генератора з перестроюваною частотою г до реального резонатора в ньому збуджуються змушені коливання на частоті г. Їх амплітуда стає максимальною на частоті 0, називаній резонансною. Значення амплітуди коливань на частоті 0 залежить від добротності резонатора на збудженому виді коливань. У сталому режимі змушених коливань енергія, що надходить у резонатор, витрачається тільки на поповнення втрат (у металі стінок, у діелектрику, що заповнює порожнину резонатора, і на заповнення витоку енергії через елементи зв’язку з іншими пристроями, зокрема із джерелом енергії).
У разі імпульсного збудження на резонатор діє широкий спектр частот, і в ньому може бути збуджено відразу кілька видів коливань, кожний на своїй резонансній частоті та з власним значенням амплітуди.
Коливання після вимкнення джерела називають вільними; їх амплітуда через втрати з часом спадає до нуля.
Резонансні частоти трохи нижчі відповідних власних частот резонаторів v через вплив втрат:
(1.34)
але ця різниця мала навіть для добротності Q = 100, і нею нехтують. Якщо ж пристрої зв’язку не узгоджені та вносять у резонатор реактивності, то різниця між власними v й резонансними 0 частотами істотніша.
Уведеним тут поняттям власних і резонансних частот у теорії електричних кіл відповідають терміни власних частот незгасаючих і згасаючих коливань у LC-контурі.
Потрібний вид коливань збуджується в резонаторі тими самими способами, що й у ЛП. Однак тут має бути виконана умова г = v, а не г > кр. Точне аналітичне визначення власних частот можливе тільки для деяких найпростіших форм резонаторів. Реальний резонатор із його елементами зв’язку, підстроювання, різними нерегулярностями характеризують резонансними частотами 0і.