Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 59
Текст из файла (страница 59)
10.31. Принцип действия и применение кольцевого резонатора для испытания волноводных устройств при повышенной мощности в режиме бегущей волны должно происходить синфазное сложение вращающихся волн и, следовательно, резкое увеличение напряженностей электрического и магнитного полей. Это является одним из признаков резонанса, типичным для всех полых резонаторов. Отсюда можно сделать вывод, что резонансная длина волны кольцевого полого резонатора на рассматриваемом виде колебаний определяется условием ~средн = /~~'в где п=1, 2, 3...
С учетом уравнения (2.56) в случае вакуумного наполнения получаем: (10.31) Собственная добротность ~о ограничена потерями в стенках кольцевого волновода. Расчеты приводят к следующему выражению для величины Яо. Оо=2~п " средн где а — постоянная затухания волны в волноводе, рассматривавшаяся в $ 5.4. На практике кольцевые резонаторы удобно выполнять на основе стандартных волноводов прямоугольного сечения с помощью направленных ответвителей, как показано на рис.
10.31,б. Кольцевой резонатор образован вспомогательным волноводом направленного ответвителя. Для настройки 354 резонатора на заданную длину волны обычно используют один из типов фазовращателей. Кольцевые резонаторы с бегущей волной применяются в качестве имитаторов мощности для испытания элементов высокочастотного тракта при уровнях мощности, значительно превьппающих мощность имеющегося в наличии генератора СВЧ (см. $ 10.4, б).
Практически удается получать 10 — 20-кратное и большее повышение мощности бегущей волны, если испытуемый элемент не вносит значительных активных потерь. С кольцевыми резонаторами бегущей волны сходны резонансные системы, применяемые в магнетронных генераторах. В этих системах вместо однородного волновода используется свернутый в кольцо отрезок замедляющей системы, например, цепочка резонаторов, изображенная выше на рис. 10.30,б. Свойства таких кольцевых резонаторов рассматриваются более подробно при изучении электронных приборов СВЧ диапазона.
б'. Открытые резонаторы Разновидностью колебательных систем СВЧ диапазона являются открытые резонаторы, объем которых на большом протяжении не ограничен металлическими поверхностями. Принцип действия открытого резонатора, заимствованный из оптики, качественно поясняется на рис. 10.32,а. Рис.
10.32. Открытые резонаторы с плоскими (а) и со сферическими (б) зеркалами Резонатор имеет два плоских зеркала 31 и 3~, между которыми многократно отражается волна типа ТЕМ. Условием резонанса в подобной системе, как и во всяком полуволновом резонаторе, является целое число полуволн, укладывающихся по длине Й Х 1= — р —; р=1,2,3. 2 ' В отличие от цилиндрического полого резонатора, открытый резонатор, изображенный на рис. 10.32,а, не имеет боковых проводящих стенок. Поэтому потери в открытом резонаторе определяются лишь поглощением в зеркалах, а также частичным излучением через открытые боковые поверхности за счет дифракции волны, падающей на зеркало со стороны противоположного зеркала. При поперечных размерах зеркал, значительно превышающих рабочую длину волны, собственная добротность открытого резонатора может достигать в миллиметровом диапазоне волн 104-:-105.
Получить столь высокую добротность на миллиметровых и более коротких волнах с помощью обычных полых резонаторов оказывается затруднительным вследствие роста потерь в стенках резонатора. 355 Виды колебаний открытых резонаторов принято обозначать ТЕМ~„,о", где и и и — числа, характеризующие вариации поля в поперечном сечении резонатора, и р — число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Наибольший интерес представляют низшие виды ТЕМоор~ для которых эпюры поля в поперечном сечении имеют один максимум (рис.
10.32, а). Дифракционные потери видов ТЕМОО, имеют наименьшую величину. На практике часто применяются открытые резонаторы конфокального (софокусного) типа с вогнутыми сферическими зеркалами (рис. 10.32, 6). Фокусное расстояние сферического зеркала составляет половину радиуса его кривизны Й, поэтому центр кривизны каждого из зеркал располагается на поверхности противоположного зеркала. Основное преимущество конфокального резонатора — наименьшие дифракционные потери в сравнении с любыми другими конфигурациями зеркал. Вместо сплошных зеркал в диапазоне СВЧ обычно используются металлические решетки или зеркала с отверстиями (перфорацией), обеспечивающие удобную связь открытого резонатора с другими устройствами. Чем больше длина открытого резонатора при пропорциональном увеличении диаметра зеркал, тем выше величина ®„но тем меньше разделение соседних видов колебаний, различающихся номером р.
Нетрудно показать, что при р)) 1 разность резонансных частот соседних видов постоянна с и равна ~ ~ = ~~, где с — скорость света в свободном пространстве. Одним из отличий открытых резонаторов от рассмотренных «закрытых» (полых) резонаторов является подавление высших видов колебаний, характеризующихся вариациями поля в поперечном сечении резонатора.
Этим видам присущи более высокие дифракционные потери и значительно более низкие добротности, чем основному виду, эпюра поля которого изображена на рис. 10.32. Благодаря этому разделение частот между соседними высокодобротными видами колебаний в открытом резонаторе оказывается более значительным, чем в закрытом резонаторе того же диапазона частот, имеющем такие же геометрические размеры.
Открытые резонаторы начали применяться за последнее время в некоторых новых типах электронных приборов и в волномерах миллиметрового диапазона волн, в радиоспектроскопической аппаратуре и др. Особенно широкое распространение эти резонаторы нашли в лазерах — когерентных квантовых генераторах и усилителях оптического диапазона волн. 5 10.8. СВЯЗЬ ПОЛЫХ РЕЗОНАТОРОВ С НАГРУЗКАМИ. ВОЗБУЖДЕНИЕ РЕЗОНАТОРОВ Вопрос о связи полых резонаторов с внешними нагрузками и о возбуждении резонаторов сходен с вопросом о возбуждении волноводов.
Связь резонаторов с коаксиальными линиями большей частью осуществляется через петлю в отличие от волноводов, где в качестве элемента связи чаще используется штырь. Выбор петли обусловлен тем, что обычно не требуется обеспечивать весьма силь- ~ Строго говоря, поле в открытых резонаторах имеет продольные составляющие, отсутствующие у волны типа ТЕМ. Однако при больших поперечных размерах зеркал поперечное волновое число оказывается обычно много меньше продольного волнового числа. В результате этого амплитуда продольных составляющих поля оказывается на несколько порядков меньше амплитуды поперечных составляющих. 356 ную связь резонатора с линией. Кроме того, не возникает особых затруднений с пробивной прочностью петли, поскольку в мощных электровакуумных приборах она располагается, как правило, в вакуумной части прибора.
Наконец, во многих случаях размещение штыря в области максимального электрического поля невозможно по конструктивным соображениям. Зто имеет место, например, в электровакуумных приборах, где через емкостный зазор резонатора пропускается электронный поток. Примеры связи резонатора с коаксиальной линией через петлю показаны на рис. 10.14 и 10.15. На коротких волнах, а также в случае необходимости и на сравнительно длинных волнах ( Х вЂ” 10 см и более) резонаторы связываются непосредственно с волноводными линиями. В качестве элемента связи часто используется отверстие в общей стенке между резонатором и волноводом. Резонатор тесно скрепляется (спаивается) с волноводом. Размеры отверстия выбираются, как правило, такими, что оно обладает нерезонансными свойствами и имеет на рабочей частоте индуктивную проводимость.
Чем больше отверстие связи, тем ниже нагруженная добротность Я„и внешняя добротность Я,„, а также меньше активная проводимость резонатора 6, определенная по отношению к плоскости входного окна. Резонатор должен быть так ориентирован относительно волновода, чтобы совпадало направление полей около отверстия связи.
Рассмотрим в качестве примера связь волновода с цилиндрическим резонатором, возбужденным на виде колебаний Ео1о. На рис. 10.33 показано распределение поля вблизи отверстия в цилиндрической поверхности этого резонатора. Характер полей вблизи отверстия в стенке прямоугольного волновода при волне типа Н1о рассматривался на рис. 8.40. С учетом этих полей можно соединять резонатор с торцом волновода, а также включать резонатор в широкую и узкую стенки волновода, как показано на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
