ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Объёмный резонатор - устройство, основанное на явлении резонанса в объемной проводящей волны полости, - диэлектрической для электромагнитных волн, упругой - для звуковых, ограниченной отражающими волны стенками, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определенных длинах волн высокодобротных резонансных колебаний в виде стоячей волны.

Колебательные системы в виде резонансных линий являются основными для дециметровых волн, но на сантиметровых волнах длина линии получается такого же порядка, как ее диаметр, и о линии вообще уже говорить нельзя. Даже на наиболее коротких дециметровых волнах (10-30 см) применение резонансны линий часто становится неудобным.

Основным типом колебательных систем для сантиметровых волн (и отчасти для дециметровых) являются объемные резонаторы, предложенные советским ученым М. С. Нейманом в 1939—1940 гг.Х). Теория работы и расчета объемных резонаторов была развита в трудах М. С. Неймана, Г. В. Кисунько и ряда других ученых.

На рис.1 показан переход от контура с сосредоточенными параметрами к объемному резонатору. Пусть контур обычного типа имеет емкость в виде конденсатора С, образованного двумя круглыми пластинками, и индуктивность в виде прямоугольного витка L1 (рис.1 а). Как известно, качество такого контура на свч получается весьма низким. Если подключить к конденсатору параллельно несколько витков (рис.1 6), то индуктивность и активное сопротивление уменьшается. В результате этого повысятся собственная частота контура fо и его добротность Q.

Например, если включить 25 витков, то индуктивность уменьшится в 25 раз, а частота увеличится в 5 раз, так как

характеристическое сопротивление контура уменьшится в 5 раз, что следует из формулы

а активное сопротивление контура r уменьшится в 25 раз (если считать его сосредоточенным только в витках).

Поэтому качество контура, равное ρ/r возрастет в 5 раз. Увеличивая число витков, присоединяемых к конденсатору С, придем к случаю,, когда все витки сольются в одну общую замкнутую металлическую поверхность (рис.1 б). Если для этого надо N витков, то на основании приведенного выше примера можно считать, что резонансная частота и качество контура возрастут в (корень) из N раз.

Таким образом, колебательный контур превратился в закрытую металлическую коробку цилиндрической формы, представляющую собой объемный резонатор. При этом в действительности качество контура возрастает не в (корень) из N раз, а гораздо больше вследствие того, что замкнутая металлическая поверхность является хорошим экраном, и поэтому электромагнитное поле существует только внутри резонатора.

Объемный резонатор подобно «аксиальной резонансной линии представляет собой экранированную колебательную систему, в которой отсутствуют потери на излучение и нет внешнего поля, способного создать паразитные связи с другими цепями. Кроме того, в объемном резонаторе нет потерь в твердых диэлектриках и активное сопротивление стенок резонатора очень мало благодаря их большой поверхности. В результате всего этого, если от резонатора не отбирается энергия, то его качество может доходить до десятков тысяч. Удобно также то, что наружная поверхность объемного резонатора имеет нулевой потенциал и не несет на себе токов. Поэтому объемные резонаторы могут монтироваться без изоляции.

Колебательный процесс в резонаторе, по существу, представляет собой стоячие электромагнитные волны, возникшие благодаря отражению волн от стенок резонатора. На рис.2 показаны силовые линии электрического и магнитного полей в цилиндрическом резонаторе, являющемся одним из простейших по своей конструкции. Электрические силовые линии идут от одного основания цилиндра к другому, а магнитные силовые линии в виде концентрических колец окружают электрическое поле. Такая структура поля является простейшей, но в объемных резонаторах могут существовать колебания и других видов, имеющие различную структуру поля.

Исторически одним из первых был тороидальный резонатор (рис.3 а). Электрическое поле в нем сосредоточено главным образом в средней части между двумя дисками, а магнитные силовые линии расположены кольцами вокруг электрического поля. Однако резонатор по рис.3 а, сложен в изготовлении, и в настоящее время резонаторы такого типа делаются иной формы. Наиболее распространены тороидальные резонаторы, показанные на рис.3 б и в, называемые иначе коаксиальными.

Действительно резонатор (рис.3 в) составлен из двух коаксиальных цилиндров и напоминает коаксиальную линию, короткозамннутую на одном конце, и имеющую некоторую емкость на другом конце. Но все же его нельзя назвать линией, так как он имеет размеры внутренней полости одного порядка в радиальном и осевом направлениях, а у линии длина должна быть значительно больше разности радиусов. Конечно, резкой границы между коаксиальным объемным резонатором и коаксиальной линией провести нельзя. Если у коаксиального объемного резонатора увеличить отношение высоты h к радиальному размеру r2 — r1 то он постепенно превратится в коаксиальную линию.

В некоторых случаях применяются резонаторы, подобные изображенным на рис.3 б к в, но имеющие размер r2 —r1, значительно больше высоты h. Их называют резонаторами типа радиальной линии. Иногда применяются объемные резонаторы прямоугольной формы (в виде параллелепипеда). Возможно устройство резонаторов и многих других форм.

Объемный резонатор в отличие от обычного контура имеет не одну собственную частоту, а множество резонансных частот. Это свойство характерно для колебательных систем с распределенными параметрами, и мы уже встречались с ним, рассматривая резонансные линии. У линий резонанс на той или иной гармонике определяется числом четвертей или половин волны, укладывающихся вдоль линии.

В объемных резонаторах различное число стоячих волн может укладываться не в одном направлении, а вдоль любого из трех размеров. Так как эти размеры могут находиться между собой в любом соотношении, то резонансные частоты объемного резонатора нельзя назвать гармониками. Они не обязательно в целое число раз больше основной частоты.

Прямоугольный или цилиндрический объемный резонатор можно рассматривать как короткий волновод, закрытый с обоих концов металлическими стенками. Вдоль него бегущие волны распространяться не могут, и поэтому режим стоячих волн получится не только в поперечном сечении, но и в продольном направлении. Резонанс будет наблюдаться на частотах, для которых вдоль волновода укладывается целое число полуволн.

Для простейшего типа колебаний, характерно то, что собственная частота не зависит от высоты резонатора h, а определяется только его диаметром D:

Возможно также возбуждение других колебаний высших порядков, частоты которых в большинстве случаев не кратны основной (наинизшей) частоте. Получение в резонаторе колебаний того или иного типа зависит от частоты возбуждающих резонатор внешних колебаний и от способа возбуждения, т. е. от того, какое устройство применяется для возбуждения. Колебания высших порядков обычно на практике не используются. Однако они могут возникнуть как вредные (паразитные) колебaния.

Устройства для связи объемных резонаторов с другими целями, в частности с другими резонаторами, осуществляются так же, как и в волноводах. Элементы связи служат либо для возбуждения колебаний в резонаторах, либо для отбора от них энергии.

Электрическая связь устраивается с помощью штырька (рис.4 а), а магнитная связь—-с помощью витка (петли) (рис.4 б). Все, что говорилось о них применительно к волноводам, относится и к объемным резонаторам. Эти виды связи аналогичны емкостной и индуктивной связи в обычных контурах. На рис.4 в и г показаны эквивалентные схемы, подчеркивающие это сходство.

Нередко электрическая или магнитная связь применяется в резонаторе дважды: один раз для возбуждения колебаний, а другой раз—для отбора энергии (рис.5).

Связь объемных резонаторов с волноводами делается часто дифракционная—через отверстие, причем для согласования обычно ставятся диафрагмы (рис.6). В некоторых радиотехнических устройствах связь с резонатором осуществляется с помощью электронного потока. Для пропускания этого потока в стенках резонатора делаются отверстия.

Качество объемных резонаторов, связанных с другими цепями, получается значительно меньше, чем при отсутствии связи. Отбор энергии от резонатора равносилен увеличению потерь в резонаторе.

Поэтому всегда нужно различать качество самого резонатора, не имеющего связи с другими цепями, и качество нагруженного резонатора.

Настройку объемных резонаторов на необходимый диапазон частот можно осуществить изменением их объема. На рис.7 показаны различные способы изменения объема резонаторов. Подвижный плунжер рис.7 а устраивается так же, как и в коаксиальной резонансной линии, и обладает теми же недостатками. Часто встречается конструкция рис.7 б, в которой внутренний цилиндр резонатора может ввинчиваться и вывинчиваться.

Этот метод удобен и дает настройку в широком диапазоне.

Если внутренний цилиндр полностью вывинчен, то резонатор будет цилиндрическим и частота его получается наиболее высокой. При постепенном ввинчивании цилиндра резонатор превращается в коаксиальный, и собственная частота у него понижается. Иногда у резонатора делают упругую гофрированную стенку, которую можно прогибать с помощью нажимного винта (рис.7 в).

Другим методом настройки является показанное на рис.8 а, включение в резонатор конденсатора переменно емкости. Наиболее простая конструкция изображена на рис.8 б. Перемещение внутри резонатора винта с пластинкой дает также некоторое изменение объема, но основное влияние на частоту оказывает изменение емкости в пучности электрического поля или вблизи нее. Увеличение этой емкости дает уменьшение собственной частоты резонатора.
Изменение частоты в небольших пределах путем ввинчивания внутрь резонатора винтов часто применяют для подстройки на нужную частоту. Иногда для этого используют поворот короткое замкнутого витка пучности магнитного поля или металлического диска в вблизи нее. Такой способ дает повышение собственной частоты, причем оно будет наибольшим в случае, когда плоскость витка или диска перпендикулярна магнитным силовым линиям.

Литература по объемным резонаторам

Знаете ли Вы, низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.