Перестройка частоты микроволновых биконических резонаторов с помощью металлических и диэлектрических стержней - Статья

В статье рассмотрены микроволновые биконические резонаторы, перестраиваемые с помощью аксиальных металлических и диэлектрических стержней, исследованы возможности применения квазирегулярного одномодового приближения в сочетании с методом эталонных уравнений для расчета параметров рассматриваемых структур.Резонаторы являются важнейшими узлами генераторных систем СВЧ, на их основе строятся фильтры и другие частотно-избирательные устройства, широкое применение резонаторы нашли в измерительной технике микроволнового диапазона для измерения различных электрических и неэлектрических величин. Несмотря на существующее многообразие способов электронной перестройки резонансной частоты резонаторов СВЧ, сохраняется практический интерес к резонаторам с механической перестройкой частоты, осуществляющейся за счет изменения геометрических размеров резонаторов, введения в их объем проводников, диэлектриков или изменения взаимного положения конструктивных элементов резонаторов. При этом критические сечения располагаются на значительном расстоянии от вершин конусов, что позволяет без заметного ущерба для качества колебательной системы создавать отверстия в закритических областях для введения конструктивных элементов для перестройки частоты внутрь резонатора, практически не нарушая при этом структуры поля в резонаторе. Приtrialая радиоэлектроника, 2014, Том 13, № 2 дения среднего сечения резонатора для стержня радиусом 2,5 мм зависимость продолжает оставаться монотонной, для более толстого стержня радиусом 5 мм монотонный характер зависимости нарушается и принимает осциллирующий характер. Диапазон перестройки частоты с помощью более тонкого стержня радиусом 2,5 мм составил примерно 250 МГЦ (~2,5%), для более толстого радиусом 5 мм - примерно 1 ГГЦ (~10%), при этом с учетом осциллирующего характера зависимости при глубине введения стержня z1/z0 > 1,1 практическую ценность представляет диапазон перестройки частоты 500 МГЦ (~5%).Применение аксиальных металлических и диэлектрических стержней позволяет осуществлять плавную перестройку резонансной частоты БКР, работающих на азимутально-симметричных колебаниях Н0np. Практический диапазон перестройки частоты ограничен сложными волновыми процессами вблизи критических сечений БКР и наличием соседних резонансных мод, влияние аксиальных стержней на которые незначительно. Теоретический диапазон одномодовости для колебания Н011 при перестройке металлическим стержнем составляет примерно 10 %, при перестройке диэлектрическим стержнем - примерно 14,5 %. Применение метода эталонных уравнений в рамках квазирегулярного одномодового приближения позволяет получать приближенные оценки значений резонансной частоты азимутально-симметричных колебаний БКР, перестраиваемых с помощью аксиальных металлических и диэлектрических стержней, если радиус стержня достаточно мал (b/a ~ 0,1?0,15) и диэлектрическая проницаемость невелика (? ~ 2?4). Абсолютная погрешность вычислений для БКР с углом при вершине 30° при использовании стержней с отношением радиуса к максимальному радиусу резонатора b/a0 <0,2 не превышает 3%, погрешность вычисления относительного изменения частоты при этом не превышает 0,5 %, что вполне приемлемо для практических целей.

Применение аксиальных металлических и диэлектрических стержней позволяет осуществлять плавную перестройку резонансной частоты БКР, работающих на азимутально-симметричных колебаниях Н0np. Использование металлических стержней позволяет повысить, а диэлектрических - понизить частоту колебаний.

Практический диапазон перестройки частоты ограничен сложными волновыми процессами вблизи критических сечений БКР и наличием соседних резонансных мод, влияние аксиальных стержней на которые незначительно. В случае использования колебания Н011 для перестройки с помощью металлических стержней это колебания ЕН311, для диэлектрических стержней - EH211. Теоретический диапазон одномодовости для колебания Н011 при перестройке металлическим стержнем составляет примерно 10 %, при перестройке диэлектрическим стержнем - примерно 14,5 %.

Применение метода эталонных уравнений в рамках квазирегулярного одномодового приближения позволяет получать приближенные оценки значений резонансной частоты азимутально-симметричных колебаний БКР, перестраиваемых с помощью аксиальных металлических и диэлектрических стержней, если радиус стержня достаточно мал (b/a ~ 0,1?0,15) и диэлектрическая проницаемость невелика (? ~ 2?4). Абсолютная погрешность вычислений для БКР с углом при вершине 30° при использовании стержней с отношением радиуса к максимальному радиусу резонатора b/a0 < 0,2 не превышает 3%, погрешность вычисления относительного изменения частоты при этом не превышает 0,5 %, что вполне приемлемо для практических целей.

0 литература

[1] Терещенко А. И., Буртовой Д. П. Анализ частотных свойств цилиндрических нерегулярных предельных резонаторов // Радиотехника. - Харьков: Вища школа, 1975. - Вып. 35. - С. 50-56.

[2] Кравченко В.Ф., Ратнер В.И. К теории распространения электромагнитных волн в нерегулярных цилиндрических волноводах // Радиотехника. - Харьков: Вища школа, 1975. - Вып. 35. - С. 36-44.

Прикладная радиоэлектроника, 2014, Том 13, № 2

Салтыков Д. Ю. Перестройка частоты микроволновых биконических резонаторов с помощью металлических и диэлектрических ...

[3] Бобрышев В. Л., Кравченко В. Ф., Каретников С. Н. Исследование высокодобротного предельного резонатора // Измерительная техника. - 1975. - №7. - С. 70-73.

[4] Кравченко В. Ф., Каретников Д. Н., Бобрышев В. Д. К расчету предельных резонаторов // Радиотехника. Харьков: Вища школа, 1970. - Вып. 21. - С. 107-112.

[5] Машковцев Б. М., Цибизов К. Н., Емелин В. Ф. Теория волноводов. - Л.: Изд. АН СССР, 1966. - 352 с.

[6] Баринова В.Ф., Раевский С.Б., Рудоясова Л.Г. Расчет волноводного резонатора, перестраиваемого металлическим стержнем // Радиотех. и электрон. 1975. - Т.20, № 12. - С. 2621-2625.

[7] Раевский С. Б., Рудоясова Л. Г. Расчет волноводного резонатора, перестраиваемого металлическим стержнем, на основе метода частичных областей // Изв. вузов Радиофиз. 1976. - Т. 19, № 9. - С. 1391- 1394.

[8] Привалов Е. Н. О применимости метода эталонных уравнений к расчету резонансных частот конических и биконических резонаторов // Электродинамика и физика СВЧ. - Днепропетровск, 1985. - С. 51-54.

[9] Drobakhin O. O., Zabolotny P. I., Privalov E. N. Influence of the Dimensional and Form Precision of the Constructional Elements of Biconical Coaxial Microwave Resonator of the Parameter of Sensor of Movement // Telecommunications and Radio Engineering. 2009. 68(9). Р. 827-833.

[10] Drobakhin O. O., Zabolotny P. I., Privalov E. N. Dis-placement sensors based on circular cylindrical microwave resonators // Telecommunications and Radio Engineering. 2009. 68(17). Р. 1577-1588.

[11] Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. - М.: Сов. Радио, 1971. - 664 с.

[12] Веселов Г. И., Раевский С. Б. Слоистые металлодиэлектрические волноводы. - М.: Радио и связь, 1988. - 248 с.

Поступила в редколлегию 15.05.2014

Прикладная радиоэлектроника, 2014, Том 13, № 2

Салтыков дмитрий Юрьевич, старший преподаватель кафедры прикладной и компьютерной радиофизики Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара. Научные интересы: измерительная техника СВЧ диапазона

УДК 621.317

Перестроювання частоти мікрохвильових біконіч-них резонаторів за допомогою металевих та діелектричних стержнів / Д. Ю. Салтиков // Прикладна радіо-електроніка: наук.-техн. журнал. - 2014. - Том 13. № 2. - С. 144-149.

У статті розглянуто біконічні резонатори мікрохвильового діапазону, які перестроюються за допомогою аксіальних металевих та діелектричних стержнів як датчик для контролю параметрів діелектриків. Встановлені межі застосування методу еталонних рівнянь для наближеного розрахунку резонансних частот розглянутих структур.

Ключові слова: біконічний резонатор, резонансна частота, добротність, метод еталонних рівнянь.

Іл.: 05. Бібліогр.: 12 найм.

UDC 621.317

Frequency tuning of microwave biconical resonators by using metallic and dielectric rods / D. Yu. Saltykov // Applied Radio Electronics: Sci. Journ. - 2014. - Vol. 13. - № 2. - P. 144-149.

The paper considers microwave biconical resonators which can be tuned by axial metal or dielectric rods. The limits of applicability of the standard equations method for the approximate calculations of the resonance frequencies of these structures are determined.

Keywords: biconical cavity resonator, resonant frequency, Q-factor, standard equations method.

Fig.: 05. Ref.: 12 items.

149