Петля
Рис. 11.18. Штыревой (я), петлевой (б) и дифракционный (в)
элементы связи в резонаторах
и взаимной ориентации вектора Н- и плоскости петли. Величина связи максимальна при расположении петли в пучности магнитного поля таким образом, чтобы ее плоскость была перпендикулярна вектору H-. Поворотом плоскости петли можно изменять связь от максимального значения до нулевого. Связь всегда равна нулю при расположении петли в узле магнитного поля или если вектор Н- параллелен ее плоскости.
Расположение петли внутри резонатора или волновода не приводит к ухудшению его электрической прочности, так как петля находится в местах с минимальным значением электрического поля. Однако петля, как и штырь, искажает структуру внутреннего поля резонатора и приводит к снижению его резонансной частоты. На рис. 11.18, б петля образована оконечным участком центрального проводника коаксиальной линии, свободный конец которого закорочен на внутреннюю поверхность металлической стенки резонатора.
Дифракционная связь осуществляется при помощи отверстий различной формы в стенках резонаторов, через которые может проходить энергия электрического или магнитного поля. Дифракционные связи применяются для связи резонаторов и волноводов друг с другом. В этих целях чаще всего используются отверстия связи в виде узкой вытянутой щели (см. рис. 11.18, в).
Через щель, прорезанную в стенке резонатора, осуществляется эффективное излучение во внешнюю область энергии волны в том случае, если щель пересекает линии плотности поверхностного тока, соответствующие этой волне. На краях щели при этом возникают изменяющиеся во времени заряды, а в плоскости самой щели существует электромагнитное поле, вектор Ё которого расположен поперек щели, а вектор Н- — вдоль нее. Амплитуды этих полей и определяют величину излучаемой во внешнее пространство энергии. Величина связи зависит от амплитуды плотности поверхностного тока в месте расположения щели и от угла между продольной осью щели и вектором плотности поверхностного тока. Максимальная связь щели с волной получается при ее прорезании в пучности плотности поверхностного тока перпендикулярно его векторным линиям. Если щель ориентирована параллельно векторным линиям плотности поверхностного тока, то связь с волной отсутствует и щель не излучает энергию.
Отверстие в стенке резонатора представляет собой диафрагму, расположение которой в пучности электрического поля приводит к повышению резонансной частоты, а в пучности магнитного поля — к понижению частоты.
Таким образом, зная структуру поля волны требуемого вида в резонаторе или волноводе, можно определить положение элементов связи, обеспечивающих обмен энергией внешних устройств с волной.
11.6. Твердотельные и открытые резонаторы
Кроме объемных полых металлических резонаторов закрытого типа в технике СВЧ применяются и такие виды объемных резонаторов, как твердотельные и квазиоптические открытые резонаторы. К твердотельным резонаторам относятся диэлектрические и ЖИГ-резонаторы.
Диэлектрический резонатор представляет собой отрезок диэлектрического волновода. Резонаторы этого вида изготавливают из материалов с высокой относительной диэлектрической проницаемостью ε = 25...80 и малыми потерями tgΔ < 0,001. Они могут иметь прямоугольную или цилиндрическую форму. В устройствах СВЧ наибольшее распространение получили цилиндрические резонаторы из-за их высокой технологичности при изготовлении.
Принцип действия диэлектрического резонатора основан на явлении полного внутреннего отражения волн от границы раздела диэлектрик — воздух. При ε » 1 электромагнитное поле концентрируется в объеме резонатора и потери на излучение пренебрежимо малы.
Коэффициент отражения от границы раздела диэлектрик—воздух при достаточно высокой проницаемости диэлектрика может быть весьма близким к единице. Это обеспечивает значительно меньшие потери, чем при отражении волн от реальных металлов в закрытых объемных резонаторах. Собственная добротность диэлектрического резонатора практически зависит от потерь в диэлектрике и для материалов с ε ≈ 10...40 может достигать нескольких тысяч в диапазоне от дециметровых до миллиметровых волн. Применение в резонаторах в качестве диэлектрика керамик позволяет добиться долговременной температурной относительной нестабильности частоты в диапазоне температур 40... 80 °С не хуже 10 -5 1/град, что находится на уровне нестабильности объемных резонаторов, выполненных из инвара. Преимущество диэлектрических резонаторов состоит в их малых габаритных размерах, так как длина волны в них уменьшается в √ε раз по сравнению со свободным пространством. Для одной и той же резонансной частоты размеры применяемых диэлектрических резонаторов в 5...7 раз меньше размеров полых закрытых металлических резонаторов.
Наиболее часто в избирательных устройствах СВЧ применяются диэлектрические резонаторы цилиндрической формы с отношением высоты к диаметру 0,4...0,6. Основным в таком резонаторе является аксиальный вид колебаний Н010 . Промышленностью выпускаются цилиндрические диэлектрические резонаторы на основе диоксида титана TiO2 (рутил) и диоксида циркония ZrO2 с относительной диэлектрической проницаемостью 80 и 40 соответственно. Такие резонаторы широко применяются в конструкциях малогабаритных фильтров ИМС и в высокостабильных гетеродинах конверторов индивидуальных и коллективных приемных установок спутникового телевидения. Так, для частоты fp = 9,95 ГГц рутиловый резонатор с ε = 80 имеет высоту 2,1 мм, диаметр 3,4 мм и нагруженную добротность 500.
Широкое применение в ИМС и в волноводных конструкциях в сантиметровом диапазоне длин волн находят открытые объемные резонаторы из ферримагнитных монокристаллов железоиттриевого граната (ЖИГ). ЖИГ-резонатор чаще всего изготавливают в виде тщательно отполированной сферы диаметром от нескольких единиц до десятых долей миллиметра, помещенной в постоянное магнитное поле.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.