Объемные резонаторы

Резонансные отрезки линии

1. Отрезки двухпроводной линии.

Переход от колебательного контура к резонансному отрезку линии становится необходимым в диапазоне УКВ резонансная частота контура равна:

Для ее повышения необходимо уменьшать индуктивность катушки и емкость конденсатора . В пределе из контура изымается конденсатор и емкость образуется в основном выходной емкостью управляющего элемента, которая для работы на УКВ, должна быть малой.

Уменьшение индуктивности приводит к замене катушки отрезком КЗЛ короче четверти волны (или нечетного числа четвертей волны) оказывающим индуктивное сопротивление.

Рис. 3.36 Переход от колебательного контура к отрезку КЗЛ

Настройка производится перемещением короткозамыкающего мостика (рис. 3.36). перемещая точки подключения ГВЧ или нагрузки можно регулировать согласование. Отрезки двухпроводных линий хорошо сочетаются с симметричными – двухтактными схемами ГВЧ и нагрузки. Переход необходим на метровых волнах. Причем крупногабаритные катушки мощных ГВЧ превращаются в цепи с распределенными параметрами и заменяются линиями на более длинных волнах (порядка 10м), а маломощных – на более коротких (около 3м).

По мере повышения рабочей частоты в пределах диапазонов МВ и ДМВ возрастают потери в проводах линии и на излучение, снижается добротность отрезка линии. Поэтому на ДМВ переходят к использованию более добротных коаксиальных резонаторов.

2. Коаксиальные резонаторы. (рис. 3.37) представляют собой отрезки коаксиальных воздушных линий, короткозамкнутых или разомкнутых – нагруженных на регулируемую емкость. Структура ЭМП показана на рис. 3.37а. Настройка производится либо изменением длины резонатора (обычно со стороны ГВЧ, рис. 3.37б), либо изменением емкости. Связь с нагрузкой может быть емкостной (через регулируемую воздушную емкость между внутренними проводами резонатора и фидера, рис. 3.37в и г), автотрансформаторной (за счет подключения отвода к внутреннему проводу резонатора, рис. 3.37г) или индуктивной (при помощи петли связи, рис. 3.37 д).

Рис. 3.37 Коаксиальный резонатор

Повышение добротности способствует полное экранирование поля, а также уменьшение потерь за счет увеличения внутренней поверхности резонатора и малого ее сопротивления. Значение добротности достигают нескольких тысяч.

Коаксиальные резонаторы хорошо конструктивно сочетаются со специальными лампами СВЧ (маячковыми и металлокерамическими) имеющими цилиндрические выводы электродов. Этим обеспечивается полный контакт с резонатором по всей поверхности выводов.

Объемные резонаторы

1. Волноводные резонаторы. В диапазоне СМВ в качестве колебательных систем применяются замкнутые резонансные отрезки волноводов – прямоугольные или цилиндрические объемные резонаторы (рис. 3.38).

Колебания в этих резонаторах возбуждается также, как и в волноводах. В отличие от волноводов, в резонаторах устанавливается стоячая волна не только в поперечном, но и продольном направлении. Маркировка волн трехзнаковая Н_mnp или Е_mnp. Где m, n, p – число стоячих полуволн вдоль стенок a, b, и c соответсвтенно в прямоугольном резонаторе или вдоль периметра, диаметра и длины – в цилиндрическом. На рис. 3.38а и б показаны структуры полей Е₀₁₀ в цилиндрическом и Н₁₀₁ в прямоугольном резонаторах. Резонаторы данного типа отличаются весьма высокой добротностью (до десятков тысяч единиц), благодаря полному самоэкранированию, большой внутренней поверхности и отсутствию внутреннего провода. Образование такого резонатора можно представить как результат параллельного соединения множества двухпроводных КЗЛ. Как известно, при таком соединении индуктивность уменьшается:

(где – число соединенных отрезков), а резонансная частота повышается. Резонансную длину волны прямоугольного волновода можно рассчитать по формуле:

Рис. 3.38 Устройство и эпюры электрического поля:

а) прямоугольного

б) цилиндрического резонатора

Пример: В прямоугольном резонаторе с размерами существует волна Н₁₀₁. Какова резонансная длина волны?

Ответ:

2. Квазистационарные резонаторы.

Резонаторы такого типа образованы на основе элементарного колебательного контура или из волноводного резонатора путем деформации – сближения его стенок в области пучности электрического поля. Характерная особенность таких резонаторов – разделение электрического и магнитного полей в пространстве. Первое сосредоточено между пластинами, второе – в витке. Этим достигается возможность обеспечить непосредственное взаимодействие электронного потока с электрическим полем колебаний СВЧ. Такое взаимодействие используется в клистронных и магнетронных усилителях и генераторах СВЧ для передачи части кинетической энергии электронного потока полю.

В клистронах используются тороидальные резонаторы (тор – кольцеобразный виток). Для пролета электронов пластины конденсатора выполнены в виде сеток (рис. 3.39а).

В магнетронах используется резонаторы линейной конструкции (рис. 3.39б) в них взаимодействие электронов происходит с частью поля выходящей в пространство взаимодействия за счет краевого эффекта.

Рис. 3.39 Квазистационарные резонаторы:

а) тороидальный;

б) линейный

Вопросы для самопроверки

1. Почему колебательные контуры с сосредоточенными параметрами не применяются в диапазонах ДМВ и СМВ?

2. Каковы особенности и область применения двухпроводных КЗЛ в качестве колебательных систем?

3. Каковы особенности коаксиальных резонаторов?

4. Почему они применяются на более высоких частотах, чем двухпроводные?

5. Что представляет собой резонатор волноводного типа? Какова структура ЭМП в нем, почему он может быть использован в диапазоне СМВ?

6. Как устроены квазистационарные резонаторы, каковы структуры ЭМП в них, почему они используются в клистронах и магнетронах?

Выводы

1. Металлические волноводы обеспечивают передачу энергии радиоволн в диапазоне СМВ от передатчика к антенне и от антенны к приемнику с малыми потерями.

2. Распространение волны в волноводе происходит за счет многократного отражения лучей от его стенок. Эти волны характеризуются наличием продольных составляющих магнитного или электрического поля, критической длины волны, увеличением фазовой скорости, длины бегущей волны, волнового сопротивления и уменьшением групповой скорости по сравнению с волной в свободном пространстве. При неправильном выборе поперечных размеров в волноводе возникают волны высших порядков.

3. Возбуждение волны в волноводах производится при помощи излучателей в виде штыря, зонда или петли.

4. При соединении волноводов используется дроссельно-фланцевая конструкция, предотвращающая возникновение неоднородностей и утечку энергии волны.

5. Согласование волновода с нагрузкой осуществляется при помощи диафрагм или винтов, обеспечивающих местное увеличение напряженности поля Е или Н и изменение волнового сопротивления волновода в нужном направлении.

6. Трансформация волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе в симметричную волну Е₀₁ – в круглом, позволяет обеспечить вращающееся сочленение волноводов.

7. Разветвление волноводов производится при помощи тройников и кольцевых мостов, направленных ответвителей. Они обеспечивают распределение энергии прямых и обратных радиоволн по заданным адресам.

8. Полосковые волноводы отличаются от металлических малыми габаритами, печатной технологией изготовления, низкой стоимостью.

9. Диэлектрические волноводы целесообразно использовать в диапазонах миллиметровых, инфракрасных и, особенно, световых волн (световоды).

10. Ферриты – единственный ферромагнетик, способный работать в диапазоне СВЧ, с малыми потерями. В процессе намагничивания феррита происходит явления, в результате которых магнитные свойства феррита по отношению к радиоволнам с различным направление поляризации оказываются неодинаковыми. Это свойство положено в основу работы ферритовых циркуляторов, фазовращателей, вентелей.

11. В диапазоне УКВ колебательные контуры ступают место цепям с распределенными параметрами, работающими в режиме стоячей волны. На МВ и ДМВ это отрезки двухпроводных КЗЛ, на СМВ – объемные резонаторы, волноводные и квазистационарные. Последние обеспечивают возможность непосредственного взаимодействия электрического поля СВЧ с электронным потоком и используются в клистронах и магнетронах.

Дата добавления: 2015-10-21