Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 27

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

Викладений вище якісний опис фізичних процесів, які відбуваються при сповільненні хвилі, певною мірою нале­жить також до періодичної системи типу «металевий ци­ліндр із гофрованою поверхнею» (рис. 4.18 б) і «діафраг­мований хвилевід» (рис. 4.18 в). Дані ПСС широко засто­совуються в електронних приладах НВЧ з біжучою хвилею[26], у лінійних прискорювачах, у яких повільна хвиля вза­ємодіє з пучком електронів.

Однією із найпростіших за конструкцією ПСС є спі­ральний хвилевід (рис. 4.18 г), утворений металевим дротом або стрічкою, намотаною з радіусом R0 і кутом намоту­вання ac. Подібні хвилеводи широко використовуються в

приладах НВЧ та антенних пристроях [18].

Поряд зі сповільнювальною системою у вигляді оди­ночної спіралі застосовуються й інші типи спіральних сис­тем, такі, як двозахідна (біспіраль) і багатозахідна спіралі; спіраль усередині круглого металевого хвилеводу; із коак­сіальним внутрішнім провідником; спіраль, поміщена в магнітодіелектричне середовище, та ін.

Докладний аналіз і характеристики наведених вище ПСС описані в роботах [19, 21, 25].

 

4.5 Об'ємні резонатори

На низьких частотах як коливальна система викорис­товується коливальний контур, що складається із зосеред­жених індуктивності L і ємності С . Коливальний процес у такій системі являє собою обмін енергією між електрич­ним і магнітним полями. Запас електричної енергії ство­рюється у конденсаторі, запас магнітної енергії - у котуш­ці індуктивності. Розміри коливальної системи малі порів­няно із довжиною хвилі.

У діапазоні НВЧ коливальні контури із зосереджених елементів виявилися непридатними. Із збільшенням часто­ти розміри коливального контуру стають порівнянними із довжиною хвилі. У результаті контур починає інтенсивно випромінювати електромагнітну енергію в навколишній простір. У такій системі стає неможливим накопичення енергії. Вона втрачає свої резонансні властивості, у зв'язку з чим у діапазоні дециметрових та більш коротких хвильзастосовують коливальні системи із елементів з розподіле­ними параметрами. У цьому випадку енергія системи за­лишається в межах обмеженого об'єму. Можливість побу­дови таких систем випливає із рівнянь Максвелла. Як від­значалося у розділі 3, змінне електричне поле є джерелом змінного магнітного поля, а змінне магнітне поле, у свою чергу, збуджує змінне електричне поле і т.д. Таким чином, обмін енергією між електричним і магнітним полями від­бувається безупинно в будь-якій області простору. Якщо усунути випромінювання електромагнітних хвиль із деякої області простору та добитися відсутності теплових втрат, то обмін енергією буде проходити як завгодно довго. От­же, в ізольованому від зовнішнього простору об'ємі, запов­неному середовищем без втрат, можливий незатухаючий коливальний процес.

Подібні системи одержали назву об'ємних резонаторів. Найпростіший об'ємний резонатор являє собою діелек­тричний об'єм, обмежений замкненою металевою поверх­нею. Резонатори такого типу називають закритими. Засто­совуються закриті резонатори в діапазоні сантиметрових і дециметрових хвиль як вибіркові системи у підсилювачах, генераторах, вимірниках частоти, використовуються для побудови частотних фільтрів.

У міліметровому, субміліметровому і оптичному діапа­зонах, де довжина хвилі набагато менша за розміри резо­натора, застосовуються так звані відкриті резонатори. У них відсутня замкнена металева оболонка. У найпростішо­му випадку відкритий резонатор - це система із двох кон­фронтуючих дзеркал, що взаємно відбивають електромаг­нітні хвилі.

Приклади переходу від звичайного коливального кон­туру до деяких найпоширеніших типів об'ємних резонато­рів показані на рис. 4.19.


 

 

L

а

IT*

L


 

h—-

 

 

C3
При підключенні великої кількості паралельних витків до конденсатора утворюється суцільна замкнена порожни­на, тобто об'ємний резонатор, усередині якого відбувають­ся коливання. Власна частота такого резонатора визнача­ється його еквівалентними ємністю та індуктивністю. За­лежно від форми конденсатора і під'єднуваних витків мо­жна одержати різні форми об'ємних резонаторів.

Об'ємні резонатори застосовуються на сантиметрових хвилях у магнетронних та клістронних генераторах, у спе­ціальних тріодних генераторах, в антенних перемикачах, хвилемірах і т.д.

Переваги об'ємного резонатора - малі втрати енергії і висока добротність (Q »104), повне екранування і відсут­ність внаслідок цього напруги і струмів на зовнішній по­верхні, жорсткість конструкції, її міцність і невеликі роз­міри.

Квазістаціонарні резонатори. Звичайно коливальні контури, які складаються із конденсаторів і котушок, є квазістаціонарними системами (див. п. 2.1). Квазістаціо­нарні системи характеризуються тим, що розміри їх малі порівняно із довжиною хвилі, а електричні і магнітні поля майже розділені в просторі. Велика кількість порожніх ре­зонаторів, які застосовуються в техніці НВЧ, належить до квазістаціонарних об'ємних резонаторів. Ці резонатори не є відрізками хвилеводів і для їх розрахунків потрібні спе­ціальні методи.

До квазістаціонарних резонаторів належить, напри­клад, тороїдальний резонатор, показаний на рис. 4.19 в, а також низка інших резонаторів [19, 21]. Характерна риса цих резонаторів - наявність у них ділянки, обмеженої дво­ма металевими поверхнями, відстань між якими мала порі­вняно із довжиною хвилі. На цій ділянці сконцентроване майже все електричне поле резонатора, тому дана ділянка називається конденсаторною. Електричне поле в інших ді­лянках майже відсутнє. Магнітним полем у конденсаторній ділянці можна знехтувати. Магнітне і електричне поля ква-зістаціонарного резонатора майже розділені у просторі, цим він подібний до звичайного коливального контуру. Коливання найпростішого типу в такому резонаторі можна уявити собі як періодичне перерозрядження конденсатор­ної частини через бічну поверхню (індуктивність).

Резонансна довжина хвилі квазістаціонарних резонато­рів значно перевищує їхні геометричні розміри. Із цієї при­чини такі резонатори широко застосовуються у техніці НВЧ. Вони зручні для застосування в магнетронних і кліс-тронних генераторах [18, 26], а також тим, що в конденса­торних ділянках або на їхній границі можлива ефективна взаємодія поля резонатора з електронним потоком.Квазістаціонарні резонатори настроюються зміною їх еквівалентної ємності або еквівалентної індуктивності, тобто зміною розмірів конденсаторної або індуктивної ча­стини.


Прямокутний резонатор. У прямокутному резонаторі (рис. 4.20) можуть існувати коливання різних типів, які відрізняються один від одного розподілом полів і часто­тою. Кожний тип коливань має свою резонансну частоту. Отже, об'ємному резонатору властива безліч резонансних частот. У цьому легко переконатися, зобразивши резонатор як відрізок хвилеводу, закритий по обидва боки металеви­ми стінками. Припустимо, що у прямокутному хвилеводі поширюються хвилі певного типу.

Якщо такий хвилевід закрити на протилежному від збудника кінці металевою стінкою, то енергія падаючих хвиль не буде поглинатися - вона буде відбиватися. У ре­зультаті додавання падаючих і відбитих хвиль утворюють­ся стоячі хвилі (див. п. 3.5). На закороченому кінці буде вузол електричного та пучність магнітного полів. Вузлиелектричного та пучності магнітного полів утворюються уздовж хвилеводу через кожну половину хвилі від закоро­ченого кінця. У вузлах електричного поля можна постави­ти металеві стінки, і це не змінить розподілу електромаг­нітного поля стоячих хвиль (втратами можна знехтувати). Відрізок хвилеводу, обмежений двома металевими стінка­ми, у якому виникли стоячі хвилі, утворює об'ємний резо­натор. Тип коливань в об'ємному резонаторі позначається H    або E .

mnp mnp

Коливання типу Hmnp у частині хвилеводу утворюють стоячі хвилі Hmn, а коливання Emnp - стоячі хвилі Emn. Ін-

mn ?                       mnp mn

декси m , n , p позначають кількість стоячих півхвиль електричного поля, що укладаються вздовж сторін a, b , c прямокутного резонатора.

Резонансна довжина хвилі для прямокутного резонато­ра визначається за формулою

 =  і      2    2 2        2 . (4.14)

m} Jn 1 +(p

aJ    ^bj    ^c. Найпростішим типом коливань у прямокутному резо­наторі є коливання H101 , що відповідають стоячим хвилям

H10   у   відрізку   прямокутного   хвилеводу довжиною

L = L /2. Розподіл електричного поля стоячої хвилі для цього типу коливань показаний на рис. 4.20. Електричне поле має пучності усередині резонатора і спадає до нуля біля бічних стінок. Силові електричні лінії починаються на позитивних зарядах нижньої стінки і закінчуються на нега­тивних зарядах верхньої стінки. Напрямок електричних силових ліній змінюється через кожен півперіод. Магнітне поле, створене вертикальними струмами зміщення, має пу-чності біля бічних стінок і спадає до нуля в центрі резона­тора. Струми провідності проходять від верхньої стінки до нижньої та навпаки. У центрах верхньої і нижньої стінок утворюються вузли струму і пучності зарядів, а на бічних стінках - пучності струмів і вузли зарядів. Магнітне і елек­тричне поля зрушені за фазою на чверть періоду, тобто при коливаннях електрична енергія переходить у магнітну і на­впаки. На резонансній частоті максимум енергії, накопи­ченої в електричному полі, дорівнює максимуму енергії, накопиченої в магнітному полі. Резонансна довжина хвилі цього типу коливань визначається за формулою

. lac

рез ~   г~2     2 ' Va + c

Настройка резонатора проводиться зміною його дов­жини c або ширини a .

Коливання типу H101 , як і коливання будь-якого іншо­го типу, можна збудити в резонаторі шляхом уведення в його об'єм зовнішніх джерел типу «штир» та «петля» (див.

п. 4.3).

Найбільш важливим параметром об'ємного резонатора є його добротність, яка визначається за формулою

Q = 2p W = gW_

=  W   ~ P '

n n

де W - занесена в резонатор енергія;

Wn - втрати енергії за один період коливань;

P - потужність втрат.

При заданій напруженості електричного і магнітного полів кількість запасеної в резонаторі енергії пропорційна його об'єму, а потужність втрат пропорційна об'єму по­верхневого шару у якому відбуваються втрати. Тому доб­ротність контуру пропорційна відношенню об'єму резона­тора до площі його внутрішньої поверхні. Добротність об'ємного резонатора значно більша за добротність зви­чайного контуру і може досягати кількох десятків тисяч одиниць.

Циліндричний і коаксіальний резонатори. Циліндри­чний резонатор можна зобразити як відрізок круглого хви­леводу, закритий з обох кінців металевими стінками. У ци­ліндричному резонаторі можуть існувати коливання різних типів, які мають різні резонансні частоти. Тип коливань у резонаторі позначається Emnp або Hmnp. Коливання Emnp у

відрізку хвилеводу утворюють стоячі хвилі Emn, а коливан­ня Hmnp - стоячі хвилі Hmn. Індекси m , n мають те ж зна­чення, що і для круглих хвилеводів, а індекс p позначає кількість стоячих півхвиль електричного поля, які уклада­ються в осьовому напрямку.


Найпростіший тип коливань у циліндричному резона­торі - коливання E010. Розподіл полів для нього показаний на рис. 4.21 а.

Електричне поле паралельне бічній поверхні циліндра і має пучність уздовж його осі. Магнітні силові лінії мають форму концентричних кіл, які охоплюють вісь циліндра,тобто поздовжні струми зміщення. Магнітне поле має пуч-ність біля бічної поверхні циліндра і спадає до нуля на йо­го осі. Магнітне і електричне поля зсунуті по фазі на чверть періоду. У стінках резонатора проходить струм, який має вузли в центрах верхньої та нижньої стінок.

Резонансна довжина хвилі при коливаннях типу E010

визначається за формулою 1рез = 2,61r .

Коаксіальний резонатор являє собою відрізок коаксі­ального хвилеводу довжиною L, закритий на кінцях мета­левими пластинами (рис. 4.21 б). Поперечні розміри коак­сіального резонатора вибирають так само, як і поперечні

розміри коаксіальної лінії відповідно до Лкр = ж (r1 - R2),

та щоб забезпечити відсутність вищих типів коливань.

Резонатори біжучих хвиль. Поле біжучої хвилі у зам­кненому об'ємі можна створити, зробивши із спрямовую­чої системи замкнений ланцюг (наприклад, зігнувши в кільце прямокутний хвилевід).

4.22 -

біжучої

Рисунок Резонатор хвилі

Розглянемо відрізок лінії пе­редачі НВЧ, зігнутої у кільце (рис. 4.22). Припустимо, що у деякому перетині кільця 1-1 пе­ребуває джерело, яке збуджує хвилю, яка, у свою чергу, поши­рюється по кільцю тільки в од­ному напрямку. Якщо вибрати середню довжину кільця такою, що дорівнює цілому числу хвиль

у лінії (1сер = pke, p =1, 2 3 - X то фаза хвилі, яка пройшла по кільцю, збігається в перети­ні 1-1 із фазою хвилі, збуджуваної джерелом. Відбуваєть­ся синфазне додавання хвиль, а отже, і збільшення амплі­туди поля.Діелектричні резонатори [27]. Одним із перспектив­них видів коливальних систем вважаються резонатори, ви­конані з використанням діелектриків з великою проникніс­тю, малими втратами та високою термостабільністю. Такі властивості діелектричних резонаторів, як малі розміри і маса, висока власна добротність, здатність концентрувати електромагнітну енергію в малому об'ємі, простота і тех­нологічність виготовлення дозволяють створювати при­строї НВЧ із покращеними електричними і експлуатацій­ними якостями.

Відомі діелектричні резонатори (ДР) найчастіше мають правильну форму: паралелепіпеда (прямокутний резона­тор), колового циліндра (дискові та стрижневі циліндричні резонатори), сфери, кільця. Залежно від наявності метале­вого екрана діелектричні резонатори поділяють на відкриті і екрановані. Крім того, діелектричні резонатори можуть бути одношаровими та багатошаровими (складовими), які складаються із декількох шарів діелектриків, що відрізня­ються, наприклад, діелектричною проникністю, темпера­турною залежністю параметрів діелектриків і т.п.

Робота діелектричного резонатора базується на вико­ристанні явища повного внутрішнього відбиття на грани­цях діелектрика. Якщо діелектрична проникність матеріалу велика, то електричне і магнітне поля сконцентровані в об'ємі діелектрика. Поза діелектричним тілом амплітуди полів різко зменшуються. На відстанях від його границь, малих порівняно із довжиною хвилі у вільному просторі, електромагнітне поле дуже мале. Наявність зовнішнього поля - одна із відмінних рис діелектричного резонатора, у якому можливе існування E - і H -коливань, які познача­ються індексами m, n, 8, де m і n - кількість варіацій поля у поперечних координатах; 8 - частина півхвилі (не­повна варіація) поля усередині резонатора уздовж осі z. Основний вид коливань у прямокутному резонаторі -Hus -коливання, у якого магнітне поле має максимум за

поздовжньою віссю. Структура силових ліній поля прямо­кутного резонатора показана на рис. 4.23 а. Для циліндрич­ного резонатора основними є H01s -коливання. Силові лінії

електричного поля являють собою кола, які лежать у пло­щині, перпендикулярній до осі циліндра, магнітне поле має максимум уздовж осі z резонатора (рис. 4.23 б).
п—г—Г L-L—i—L


Л_ I

I     1     1 I x

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч