Об'ємний резонатор - пристрій, засноване на явищі резонансу в об'ємної проводить хвилі порожнини, - діелектричної для електромагнітних хвиль, пружною - для звукових, обмеженою відображають хвилі стінками, в якому внаслідок граничних умов можливе існування на певних довжинах хвиль високодобротних резонансних коливань у вигляді стоячої хвилі.
Коливальні системи у вигляді резонансних ліній є основними для дециметрових хвиль, але на сантиметрових хвилях довжина лінії виходить такого ж порядку, як її діаметр, і про лінії взагалі вже не може йтися. Навіть на найбільш коротких дециметрових хвилях (10-30 см) застосування резонансні ліній часто стає незручним.
Основним типом коливальних систем для сантиметрових хвиль (і частково для дециметрових) є об'ємні резонатори, запропоновані радянським ученим М. С. Нейманом в 1939-1940 гг.Х). Теорія роботи і розрахунку об'ємних резонаторів була розвинена в працях М. С. Неймана, Г. В. Кисунько і ряду інших вчених.
На рис.1 показаний перехід від контуру із зосередженими параметрами до об'ємного резонатора. Нехай контур звичайного типу має ємність у вигляді конденсатора С, утвореного двома круглими пластинками, і індуктивність у вигляді прямокутного витка L1 (рис.1 а). Як відомо, якість такого контуру на свч виходить вельми низьким. Якщо підключити до конденсатора паралельно кілька витків (рис.1 6), то індуктивність і активний опір зменшується. В результаті цього підвищаться власна частота контура fо і його добротність Q.
Рис.1 - Перехід від звичайного контуру (а) до об'ємного резонатора (в)
Наприклад, якщо включити 25 витків, то індуктивність зменшиться в 25 разів, а частота збільшиться в 5 разів, так як
характеристичний опір контуру зменшиться в 5 разів, що випливає з формули
а активний опір контуру r зменшиться в 25 разів (якщо вважати його зосередженим тільки в витках).
Тому якість контуру, рівне # 961; / r зросте в 5 разів. Збільшуючи число витків, що приєднуються до конденсатору С, прийдемо до випадку. коли все витки зіллються в одну загальну замкнуту металеву поверхню (рис.1 б). Якщо для цього треба N витків, то на підставі наведеного вище прикладу можна вважати, що резонансна частота і якість контуру зростуть в (корінь) з N раз.
Таким чином, коливальний контур перетворився в закриту металеву коробку циліндричної форми, що представляє собою об'ємний резонатор. При цьому в дійсності якість контуру зростає не в (корінь) з N раз, а набагато більше внаслідок того, що замкнута металева поверхня є хорошим екраном, і тому електромагнітне поле існує тільки всередині резонатора.
Об'ємний резонатор подібно «аксиальной резонансної лінії представляє собою екрановану коливальну систему, в якій відсутні втрати на випромінювання і немає зовнішнього поля, здатного створити паразитні зв'язку з іншими ланцюгами. Крім того, в об'ємному резонаторі немає втрат в твердих діелектриках і активний опір стінок резонатора дуже мало завдяки їх великій поверхні. В результаті всього цього, якщо від резонатора не відбирати енергія, то його якість може доходити до десятків тисяч. Зручно також те, що зовнішня поверхня об'ємного резонатора має нульовий потенціал і не несе на собі струмів. Тому об'ємні резонатори можуть монтуватися без ізоляції.
Рис.2 - Поле в циліндричному об'ємному резонаторі
Рис.3 - Види тороїдальних резонаторів
Коливальний процес в резонаторі, по суті, являє собою стоячі електромагнітні хвилі, що виникли завдяки відображенню хвиль від стінок резонатора. На рис.2 показані силові лінії електричного і магнітного полів в циліндричному резонаторі, що є одним з найпростіших за своєю конструкцією. Електричні силові лінії йдуть від одного підстави циліндра до іншого, а магнітні силові лінії у вигляді концентричних кілець оточують електричне поле. Така структура поля є найпростішою, але в об'ємних резонаторах можуть існувати коливання і інших видів, що мають різну структуру поля.
Історично одним з перших був тороидальний резонатор (рис.3 а). Електричне поле в ньому зосереджено головним чином в середній частині між двома дисками, а магнітні силові лінії розташовані кільцями навколо електричного поля. Однак резонатор по рис.3 а, складний у виготовленні, і в даний час резонатори такого типу робляться іншої форми. Найбільш поширені тороїдальні резонатори, показані на рис.3 б і в, звані інакше коаксіальними.
Дійсно резонатор (рис.3 в) складено з двох коаксіальних циліндрів і нагадує коаксіальну лінію. короткозамннутую на одному кінці, і має деяку ємність на іншому кінці. Але все ж його не можна назвати лінією, так як він має розміри внутрішньої порожнини одного порядку в радіальному і осьовому напрямках, а у лінії довжина повинна бути значно більше різниці радіусів. Звичайно, різкого розмежування між коаксіальним об'ємним резонатором і коаксіальної лінією провести не можна. Якщо у коаксіального об'ємного резонатора збільшити відношення висоти h до радіального розміру r2 - r1 то він поступово перетвориться в коаксіальну лінію.
У деяких випадках застосовуються резонатори, подібні зображеним на рис.3 б до в, але мають розмір r2 -r1, значно більше висоти h. Їх називають резонаторами типу радіальної лінії. Маємо приклади застосування об'ємні резонатори прямокутної форми (у вигляді паралелепіпеда). Можливо пристрій резонаторів і багатьох інших форм.
Об'ємний резонатор на відміну від звичайного контуру має не одну власну частоту, а безліч резонансних частот. Ця властивість характерна для коливальних систем з розподіленими параметрами, і ми вже зустрічалися з ним, розглядаючи резонансні лінії. У ліній резонанс на тій чи іншій гармоніці визначається числом чвертей або половин хвилі, що укладаються уздовж лінії.
В об'ємних резонаторах різне число стоячих хвиль може укладатися не в одному напрямку, а вздовж будь-якого з трьох розмірів. Так як ці розміри можуть перебувати між собою в будь-якому співвідношенні, то резонансні частоти об'ємного резонатора можна назвати гармоніками. Вони не обов'язково в ціле число разів більше основної частоти.
Прямокутний або циліндричний об'ємний резонатор можна розглядати як короткий хвилевід, закритий з обох кінців металевими стінками. Уздовж нього біжать хвилі поширюватися не можуть, і тому режим стоячих хвиль вийде не тільки в поперечному перерізі, але і в поздовжньому напрямку. Резонанс буде спостерігатися на частотах, для яких уздовж хвилеводу укладається ціле число півхвиль.
Для найпростішого типу коливань, характерно те, що власна частота не залежить від висоти резонатора h, а визначається тільки його діаметром D:
Можливо також порушення інших коливань вищих порядків, частоти яких в більшості випадків не кратні основний (найнижчої) частоті. Отримання в резонаторі коливань того чи іншого типу залежить від частоти збуджуючих резонатор зовнішніх коливань і від способу збудження, т. Е. Від того, який пристрій застосовується для збудження. Коливання вищих порядків зазвичай на практиці не використовуються. Однак вони можуть виникнути як шкідливі (паразитні) колебaнія.
Пристрої для зв'язку об'ємних резонаторів з іншими цілями, зокрема з іншими резонаторами, здійснюються так само, як і в хвилеводах. Елементи зв'язку служать або для збудження коливань в резонаторах, або для відбору від них енергії.
Рис.8 - Налаштування б'емного резонатора за допомогою змінного конденцатора змінної ємності
Цей метод зручний і дає настройку в широкому діапазоні.
Якщо внутрішній циліндр повністю вивінчен, то резонатор буде циліндричним і частота його виходить найбільш високою. При поступовому угвинчуванні циліндра резонатор перетворюється в коаксіальний, і власна частота у нього знижується. Іноді у резонатора роблять пружну гофровану стінку, яку можна прогинати за допомогою натискного гвинта (рис.7 в).
Іншим методом налаштування є показане на рисунку 8 а, включення в резонатор конденсатора змінно ємності. Найбільш проста конструкція зображена на рис.8 б. Переміщення всередині резонатора гвинта з платівкою дає також деяка зміна обсягу, але основний вплив на частоту надає зміна ємності в пучности електричного поля або поблизу неї. Збільшення цієї ємності дає зменшення власної частоти резонатора.
Зміна частоти в невеликих межах шляхом вгвинчування усередину резонатора гвинтів часто застосовують для підстроювання на потрібну частоту. Іноді для цього використовують поворот короткий замкнутого витка пучности магнітного поля або металевого диска в поблизу неї. Такий спосіб дає підвищення власної частоти, причому воно буде найбільшим в разі, коли площина витка або диска перпендикулярна магнітним силовим лініям.
Література по об'ємним резонаторам
- Вайнштейн Л. А. Електромагнітні хвилі, 2 видавництва. М. 1988;
- Лебедєв І. В. Техніка і прилади СВЧ, 2 видавництва. т. 1, М. 1970;
- Джексон Дж. Класична електродинаміка, пер. з англ. М. 1965;
- Каценеленбаум Б. 3. Високочастотна електродинаміка, М. 1966;
- Нікольський В. В. Нікольська Т. І. Електродинаміка та поширення радіоволі, 3 вид. М. 1 989.
НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру