Університет “Львівська Політехніка”
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАТОРІВ НВЧ
ВСТУП.
Коливальні системи діапазону НВЧ конструктивно реалізуються у
вигляді
областей простору, обмеженого зі всіх сторін металевою оболонкою. Такі
коли-
вальні системи дістали назву резонаторів НВЧ. Дана робота знайомить з
основ-
ними типами резонаторів НВЧ і дозволяє встановити зв’язок між їх
конструктив-
ними і електричними параметрами.
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ.
Коливальні системи низькочастотного діапазону будуються на
основі елементів із зосередженими параметрами. В найпрстішому випадку,
коли коливальна система складається з котушки і конденсатора, її
резонансна частота визначається за формулою:
. /4-1/
З цієї формули випливає, що для підвищення резонансної частоти необхідно
зменшувати індуктивність і ємнність елементів. Але це можливо лише до
діапа-
зону надвисоких частот. В діапазоні НВЧ індуктивність і ємність
провідників, які з’єднують елементи, стає співрозмірною з реактивностями
самих елементів або навіть може перевищувати їх . Тому коливальні
системии на основі елемен-тів із зосередженими параметрами виявляються
неприйнятними для діапазону НВЧ.
Неважко впевнитися в тому, що роль коливальних систем в діапазоні
НВЧ
можуть відігравати відрізки ліній передач. дійсно, якщо на вхід
корткозамкнутої лінії передач, довжиною (/4, подати електромагнітну
хвилю, то в лінії встановлюється режим стоячої хвилі з розподілом
струму і напруги, який пока-заний на рис.1:
U
I
(/4
рис.1
цей розподіл показує, що на вході лінії ( в площині холостого ходу)
зосереджена восновному енергія електричного поля, а в площині короткого
замикання – енер-гія магнітного поля. І процес розприділення
електромагнітної хвилі від площини
холостого ходу до площини короткого замикання і назад можна розглядати
як процес трансформації енергії електричного поля в енергію магнітногоі
навпвки. Таким чином, в чвертьхвильовому відрізку лінії передач
проходять ті ж процеси,
що і в коливальному контурі, який складається із конденсатора
і котушки.
Оскільки розміри коливальних систем на НВЧ виявляються
співрозмірними з довжиною хвиль, то їх належить віднести до
нестандартних систем, здатних випромінювати електромагнітні хвилі в
навколишній простір. Для того, щоби попередити випромінювання і звязані
з ним втрати енергії електромагнітного поля, такі коловальні системи
виконують на основі закритих ліній передач, в яких електромагнітне поле
екранізовано від навколишнього простору. З цією метою найчастіше
використовують відрізки коаксиальних або хвильових ліній передач, і такі
коливальні системи носять назву резонаторів НВЧ.
.
.
Резонансна довжина хвилі залежить від геометрії (розмірів і
форми ) резо-натора і параметрів середовища, яке його заповнює.
Власна добротність визначається із відношення:
/ 4-2 /
-енергія електромагнітного поля, нагромаджена в коливальній системі;
– енергія, що розсіюється в коливальній системі за період коливань.
Оскільки енергія, накопичена в коливальній систепмі, пропорційна її
об’єму, а розсіювана енергія в основному визначається втратами в
стінках (при повітря-ному заповненні), то власна добротність
виявляється пропорційною величині:
, /4-3/
– об’єм резонатора;
– площа внутрішньої поверхні резонатора;
– глибина проникнення струму на заданній частоті.
було б найбільшим.
Порівняння низькочастотних і НВЧ коливальних систем по
добротності
показує, що останні володіють більшою добротністю, яка зазвичай лежить в
ме-
. Це пояснюється тим, що джерелами втрат в низькочастотних
F
?
?
°
c
¤
jE
-вляються провідники і сердечники котушок, поля розсіювання і
діе-лектрики конденсаторів. В той час як в НВЧ резонаторах джерелами
втрат явля-ються лишеїх стінки (втрати на випромінювання відсутні,так як
системи явля-ються замкнутими, а втрати при використанні повітряного
заповнення – незнач-ні).
З метою зниження втрат в стінках їх обробляють по високому
класу час-тоти (переважно (8 – (12) і застосовують антикорозійні
покриття.
І, нарешті, третім основним параметром резонатора є
еквівалентна актив-на провідність. Її визначають як зосереджену активну
провідність, в якій розсію-ється потужність, рівна потужності втрат в
резонаторі, якщо до клем цієї провід-
ності прикласти високочастотну напругу, яка рівна напрузі в заданій
площині резонатора :
. /4-3/
Еквівалентна провідність на відміну від резонансної довжини хвилі і
власної добротності є параметром неінваріантним, тобто, залежним від
площини відліку.
Це являється наслідком співрозмірності геометричних розмірів резонатора
і дов-
жини хвилі. (рис.1).
Якщо резонатор включається в тракт НВЧ, то в цьому випадку
приходиться
вводити додаткові павраметри, які характеризують зв’язок резонатора з
трактом.
Так, наприклад, якщо резонатор включений по схемі активного двоподюсника
/рис.2/, то його зв’язок з навантаженням характеризують параметрами
наванта-
/ зовнішня добротності, які визначаються із:
, /4-4/
/4-5/
-енергія, накопичена в резонаторі;
– сумарна енергія, що розсіюється в резонаторі і навантажені за період;
-енергія, яка розсіюється в навантаженні за період.
Не важко впевнетися в тому, що параметри власна, навантажена і зовнішня
доб-ротності зв’язуються одна з одною наступним співвідношенням:
. /4-6/
P
Yc
Рис.2
Використовуючи представлення резонатора у вигляді
еквівалентного пара-лельного коливального контура параметри добротності
можна записати у вигляді:
, /4-7/
, /4-8/
, /4-9/
– резонансна частота;
– приведена вхідна провідність резонатора;
– приведена провідність навантаження, трансформована до входу резо-
натора;
– крутизна характеристики реактивної провідності в області резонансу.
Неважко впевнитися в тому, що співвідношення між добротностями
задо-
і залежать від величини зв яз-
ку резонатора з навантаженням.
ККД при передачі енергії з резонатора в навантаження можна
визначити з:
, /4-10/
або
.
Розглянутий випадок на практиці зустрічається у вигляді
резонатора, який входить в склад електронног приладу, який генерує
коливання НВЧ.
Якщо резонатор включений по схемі пасивного двохполюсника
/рис.3/, то
можна використовувати для визначення режиму роботи
НВЧ тракту.
З якісно нової точки зору положення заключається в наступному.
Нехай
tлектромагнітна хвиля, яка поступає з узгодженого генератора в лінію
передачі
/, частково проходить в резонатор через отвір зв’язку, а частково
відбивається від стінки діафрагми. Проникаючи через отвір зв’язку, хвиля
відби-вається від другої стінки резонатора і частково проходить через
отвір в лінію пе-
редачі, а частково відбивається назад в резонатор.
Н
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter