Рис. 11.10. Топология и эквивалентные схемы полосковых шлейфовых структур для параллельного (а) и последовательного (б) колебательных контуров
В интегральных схемах СВЧ находят применение резонаторы на щелевой линии передачи (щелевые резонаторы), наиболее типичные из которых показаны на рис. 11.11.
Рис. 11.11. Щелевые резонаторы: а — полуволновая щель; б — укороченный щелевой резонатор
Полуволновая щель (см. рис. 11.11, а) при слабой связи с нагрузкой имеет длину немного меньше λ/2, где λ — длина волны в соответствующей щелевой линии вследствие индуктивного характера неоднородностей, возникающих на ее концах. Для уменьшения длины резонансной щели ее на концах дополняют отверстиями определенного радиуса (см. рис. 11.11, б). Эти отверстия играют роль емкостных нагрузок, которые и приводят к укорочению длины резонатора.
Полосковые и щелевые резонаторы являются резонаторами открытого типа. Вследствие заметных потерь их добротность в коротковолновой части сантиметрового диапазона не превышает нескольких сотен единиц. Для повышения добротности в отдельных случаях эти резонаторы окружают замкнутым металлическим экраном.
Отметим, что полосковые и щелевые резонаторы на определенных частотах начинают сильно излучать, превращаясь в слабонаправленные антенны. В этом качестве они широко применяются в составе полосковых антенных решеток.
11.4. Закрытые объемные резонаторы
В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн колебательной системой с высокой добротностью является закрытый объемный резонатор, представляющий собой часть пространства, ограниченного со всех сторон металлической оболочкой. К такому типу относятся резонаторы в виде короткозамкнутых отрезков коаксиального, круглого и прямоугольного волноводов. Энергия в закрытые объемные резонаторы вводится и выводится из них с помощью элементов связи (штырь, петля, отверстие).
Общим свойством всех закрытых объемных резонаторов является их способность накапливать электромагнитную энергию и незначительные собственные потери за период колебаний. Это объясняется почти полным отсутствием паразитного излучения из внутренней полости резонатора, незначительными потерями в заполняющем полость воздухе, а также высокой проводимостью металлических стенок и малой плотностью тока в них вследствие большой площади их поверхности. Благодаря этим факторам собственная добротность объемных резонаторов оказывается очень высокой, достигая десятков и сотен тысяч единиц.
Излучение из ограниченного пространства, заполненного диэлектриком, можно также почти полностью устранить, окружив его оптически менее плотной диэлектрической средой. В этом случае в результате полного внутреннего отражения энергия практически не будет покидать внутреннюю оптически более плотную среду. Этот принцип накопления энергии лежит в основе диэлектрических резонаторов, выполняемых из коротких отрезков диэлектрических волноводов. Объемные резонаторы, в конструкции которых отсутствует замкнутая металлическая оболочка, называются открытыми объемными резонаторами.
В теории объемных резонаторов различают режимы собственных (свободных) и вынужденных колебаний. Собственные колебания возможны в резонаторе при отсутствии его связи со сторонними источниками или поглотителями энергии. Если собственные потери в резонаторе равны нулю, то в режиме свободных колебаний запасенная в нем электромагнитная энергия со временем не меняется.
В резонаторе, как и в колебательном контуре, происходит непрерывный обмен энергией между электрическим и магнитным полями, однако сумма энергий этих полей остается неизменной. При синфазном колебании обоих полей (как в бегущей волне) в резонаторе такая ситуация была бы невозможной. Действительно, в момент времени, когда оба поля достигали бы нулевого значения, полная энергия также обращалась бы в нуль, что противоречит сделанному ранее предположению. Неизменность запасенной энергии в идеальном резонаторе возможна только при условии сдвига фаз между колебаниями электрического и магнитного полей на 90° (как в стоячей волне длинной линии). В этом случае в момент времени, когда одно из полей обращается в нуль, вся энергия резонатора сосредоточена в колебаниях другого поля, которое при этом достигает своего амплитудного значения. Через четверть периода ситуация меняется на противоположную. В промежуточные моменты энергия резонатора распределена между электрическими и магнитными полями в определенном соотношении, которое изменяется с течением времени.
В резонаторе, как и в волноводе, может существовать бесконечное количество различных по пространственной структуре электромагнитных полей, каждому из которых соответствует своя резонансная частота f0. Следовательно, резонатор может резонировать на бесконечном множестве дискретных частот f01,f02, …, f0k, … . Для характеристики колебаний в резонаторах наряду с резонансными частотами f0kвводят понятие резонансной, или собственной, длины волны λ0k = c/f0k.
Структура поля, которой соответствует минимальная резонансная частота, называется низшим типом колебаний. В некоторых случаях в резонаторах возможно совпадение резонансных частот колебаний, соответствующих полям с различной структурой. Такие колебания, как и в волноводах, принято называть вырожденными колебаниями.
Полная эквивалентная схема резонатора с учетом многочастотного режима работы может быть представлена в виде бесконечного числа связанных резонансных контуров. На практике используются резонаторы, возбуждаемые только на одном типе колебаний. Резонатор в частотном диапазоне существования только одного типа колебаний можно представить эквивалентной схемой в виде одного обычного параллельного контура. Свойства резонатора характеризуют теми параметрами эквивалентного контура, которые могут быть непосредственно измерены. К таким параметрам относятся основная резонансная частота f0, добротность Qэкв и резонансное сопротивление для низшего типа колебаний в резонаторе.
Частота f0 — это наименьшая резонансная частота, на которой амплитуда колебаний в резонаторе, при прочих равных условиях
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.