 |
 |
РОБОТА № 4
ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАТОРІВ НВЧ
4-1 . 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.
4-2. ТЕОРИТИЧНІ 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
контурах являються 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.
Навчальне видання
Дослідження пристроїв НВЧ.
Об’ємні резонатори.
Методичні вказівки
До лабораторної роботи
З дисципліни “Технічна електродинаміка та пристрї НВЧ”
Для студентів напрямку 6.0910 “Електронні апарати”
Укладачі: Оборжицький Валерій Іванович
Самсонюк Олег Васильович
Редактор:
Коректори:
Н
|
|
|
 |
|
