Сайт "Cner"

В области сантиметрового и значительной части дециметрового диапазонов волн обычные колебательные контуры из катушек индуктивности и конденсаторов практически неприменимы и вместо них приходится использовать колебательные системы другого типа, так называемые объемные резонаторы.

Переход от обычных колебательных контуров к объемным резонаторам в наиболее коротковолновой части диапазона сверхвысоких частот вызван тем, что с ростом частоты колебаний все сильнее начинают проявляться существенные недостатки, свойственные обычным контурам.

Нетрудно показать, что с укорочением волны при использовании обычных контуров в последних резко возрастает затухание.

В емкость контура входит также междуэлектродная емкость лампы (т.е. емкость между теми ее электродами, между которыми включен колебательный контур). Поэтому наименьшая емкость контура, а следовательно, и наивысшая резонансная частота, на которую его можно настроить, определяется междуэлектродной емкостью лампы и паразитной емкостью устройства. Дальнейшее повышение резонансной частоты может быть достигнуто только уменьшением индуктивности контура.

Добротность контура определяется выражением:
 

где эквивалентное последовательное сопротивление потерь контура R обусловлено потерями на излучение энергии в окружающее пространство, потерями в диэлектриках, проводниках, контактах и окружающих предметах. С укорочением длинны волны сопротивление потерь возрастает. Особенно сильно возрастают потери на излучение. Таким образом, при увеличении частоты колебаний и неизменной емкости контура неизбежно падает его добротность Q как вследствие увеличения R, так и из-за невозможности уменьшения С.

Падение добротности не позволяет получать достаточно большое эквивалентное параллельное сопротивление контура, в результате чего затрудняется самовозбуждение автогенератора или падает КПД генератора с независимым возбуждением.

Объемные резонаторы, представляющие собой замкнутые металлические оболочки различной формы, свободны от указанных недостатков, свойственных обычным контурам, состоящим из сосредоточенных индуктивности и емкости.

Отличительные особенности объемных резонаторов

Переход от обычного колебательного контура, изображенного на рис.1, к одному из типов объемных резонаторов - тороидальному резонатору - показан на рис. 2,а,б и в.

На рис.2,а емкость контура сведена к междуэлектродной емкости лампы, а его индуктивность - к одному витку. Дальнейшее уменьшение индуктивности и активных потерь достигается тем, что вместо одного витка используется несколько витков, соединенных параллельно (рис.2,б). Если продолжать увеличивать число витков, то в конце концов можно прийти к случаю, когда все витки сольются и образуют общую замкнутую металлическую поверхность, представляющую собой в данном случае тороидальный резонатор,  разрез которого показан на рис.2,в. Аналогично можно показать переход от обычного колебательного контура к объемным резонаторам других типов. Различные формы тороидальных резонаторов, применяемых на практике и представляющих собой некоторое видоизменение объемного резонатора, изображенного на рис.2,в, показаны на рис.3.

Характерной особенностью объёмных резонаторов является то, что электромагнитное поле располагается внутри, т.е. в полости резонаторов. Электромагнитное поле может существовать в любом замкнутом объёме, ограниченном металлическими стенками, если размеры его достаточно велики по сравнению с длинной волны колебаний. Однако на практике, главным образом по конструктивным соображениям, широкое применение нашло сравнительно небольшое число типов объёмных резонаторов.

Электромагнитное поле внутри резонатора изолировано от внешнего пространства, т.е. каждый объёмный резонатор представляет собой экранированную систему. Поэтому у них практически отсутствуют потери на излучение, а также исключаются паразитные связи с другими цепями. Активное сопротивление стенок резонатора благодаря их относительно большой поверхности мало. Исключаются также потери в твёрдых диэлектриках, которых обычно мало внутри резонатора. Всё это обеспечивает весьма малые потери в контуре и обусловливает высокую добротность объёмных резонаторов.

Как показывают расчёты и опыт, добротность ненагруженного объёмного резонатора имеет величину сотен, тысяч и в некоторых случаях даже десятков тысяч.

Объёмные резонаторы имеют также ряд других достоинств. Так как наружная поверхность резонатора обладает нулевым потенциалом и по ней не протекают высокочастотные токи, то его можно устанавливать без какой-либо изоляции.

Весьма существенным является также возможность конструирования для диапазона сверхвысоких частот электронных ламп, у которых электроды и вводы представляют собой часть оболочки объёмного резонатора, т.е. лампа и резонатор в этом случае составляют конструктивно одно целое. Поэтому здесь исключается необходимость в применении соединительных проводников между ними.

Объёмный резонатор обладает не одной, а совокупностью (спектром) резонансных частот, в числе которых имеется одна наименьшая, которой соответствует наибольшая (основная) резонансная длинна волны. На волнах более длинных, чем основная, объёмный резонатор не может резонировать. Так, например, для объёмного резонатора в форме параллелепипеда основная длина волны:

где а и b - соответственно длины сторон сечения резонатора. Для резонатора цилиндрической формы основная длина волны  λ=2,61 r,  где r - радиус цилиндра. Следующая резонансная длинна волны для этого типа резонаторов -   λ=1,64 r. Длины более коротких резонансных волн определяются не только радиусом, но и высотой цилиндра. Большинство резонансных волн резонатора не являются кратными основной волне.

На практике обычно используются колебания на основной волне. Однако следует иметь в виду, что колебания высших порядков могут возникать в генераторах с объёмными резонаторами как паразитные колебания.


Настройка объёмных резонаторов

В объёмном резонаторе, как и в любом другом колебательном контуре, следует предусмотреть возможность настройки его в резонанс на рабочую волну. Так как длина волны колебаний, создаваемых объёмным резонатором, зависит от геометрических размеров полости, то основным методом настройки объёмного резонатора является изменение его действующих размеров.

На рис. 4,а изображен коаксиальный объемный резонатор, настраиваемый короткозамыкающим поршнем. При перемещении поршня вдоль внутренней полости изменяется её длина, что влечет за собой изменение резонансных волн резонатора. Широкое применение поршня в качестве органа настройки в коаксиальных объёмных резонаторах объясняется тем, что он позволяет перекрыть широкий диапазон волн.

При конструктивном выполнении поршня приходится сталкиваться с некоторыми трудностями, так как такой поршень должен легко и плавно перемещаться вдоль полости резонатора и иметь хороший и постоянный контакт как с внутренней поверхностью внешнего цилиндра, так и с наружной поверхностью внутреннего цилиндра. Надлежащий контакт обеспечивается тем, что по окружности поршня делаются гибкие контактные пружины. Недостаточное давление в трущихся контактах может быть причиной дополнительных потерь. Повышение давления затруднено износом стенок, которые обычно делают или целиком из мягких металлов или же покрывают слоем мягкого металла с малым электрическим сопротивлением (медь, серебро, золото).

На практике нашли применение также бесконтактные поршни. В этом случае между поршнем и поверхностями цилиндров резонатора существует небольшой зазор. При использовании бесконтактного поршня перекрываемый диапазон волн меньше, чем в случае применения поршня с трущимися контактами, однако и в первом случае можно перекрывать широкий диапазон.

В некоторых случаях для настройки используется одна из стенок резонатора, которая выполняется гофрированной и гибкой (рис. 4,б). Нажимая на эту стенку с помощью специального винта, можно её прогибать в большей или меньшей степени и тем самым изменять объём резонатора, т.е. управлять длиной его резонансных волн.

Для регулировки длины волны резонатора в небольших пределах используются короткозамкнутые витки или сплошные диски, помещаемые в той части полости резонатора, где существует наиболее сильное магнитное поле. Если  диск или виток расположить перпендикулярно к магнитным силовым линиям, то переменное магнитное поле индуктирует в нём значительные вихревые токи, создающие вторичное магнитное поле, которое ослабляет первичное. Этим самым уменьшается эквивалентная индуктивность объёмного резонатора, а следовательно, укорачивается длина его основной волны. При повороте диска или витка на некоторый угол вихревые токи уменьшаются и воздействие на резонансную длину волны резонатора ослабляется. При угле поворота, равном 90 градусов, вихревые токи и их влияние на длину волны почти исчезают.

Изменять длину волны в небольших пределах можно также, ввинчивая внутрь резонатора небольшой винт (рис. 4,в).


Способы осуществления связи объёмных резонаторов с другими цепями


Связь объемных резонаторов с другими цепями необходима для подачи в резонатор энергии от источника, вызывающего и поддерживающего в нём колебания, а также для отбора энергии от резонатора в нагрузку. На практике используются следующие связи: при помощи витков провода (магнитные), штырей (емкостные), отверстий (дифракционные) и электронного потока.

Примеры магнитных связей схематично изображены на рис. 5,а и в, а емкостной связи, осуществляемой при помощи штыря, введённого в полость резонатора через одну из его стенок, - на рис. 5,б. Чем больше длина штыря, тем сильнее связь. Для увеличения связи на конце штыря часто устанавливают пластинку. При приближении пластинки к поверхности внутреннего цилиндра связь увеличивается.

При очень высоких частотах, когда связь резонаторов осуществляется не с линиями, а с волноводами, часто используются дифракционные виды связи - через окна или щели в стенках резонаторов. На рис. 6 показана дифракционная связь объемного резонатора с волноводом через окно.

Электронные виды связи применяются в генераторах сверхвысоких частот.


Автор:  Н. Штейн

Источник публикации: ж. Радио, 1954, №10, с. 57-58