Об'ємний резонатор
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Об'ємний резонатор

Об'ємний резонатор , коливальна система надвисоких частот, аналог коливального контура ; є об'ємом, заповненим діелектриком (в більшості випадків повітрям) і обмежений провідною поверхнею або простором з іншими електричними і магнітними властивостями. Найбільше поширення мають порожнисті О. р. — порожнини, обмежені металевими стінками. Форма обмежуючої поверхні О. р. в загальному випадку може бути довільною, проте практичного поширення (через простоту конфігурації електромагнітного поля, простоту розрахунку і виготовлення) набули О. р. деяких простих форм. До них відносяться круглі циліндри, прямокутні паралелепіпеди, тороїди, сфери і ін. Деяких типів О. р. зручно розглядати як відрізки порожнисті або діелектричних хвилеводів (див. Радіохвилевід ), обмежені двома паралельною плоскістю.

загрузка...

  Завдання про власні коливання електромагнітного поля в О. р. зводиться до вирішення Максвелла рівнянь з відповідними граничними умовами. Процес накопичення електромагнітної енергії в О. р. можна пояснити на наступному прикладі: якщо між двома паралельною плоскістю, що відображає, яким-небудь чином збуджується плоска хвиля, що поширюється перпендикулярно до них, то досягши однієї з плоскості хвиля повністю відіб'ється від неї. Багатократне віддзеркалення від обох плоскості приводить до утворення хвиль, що поширюються в протилежних напрямах і інтерферують один з одним. Якщо відстань між плоскістю L = n l/2 (l — довжина хвилі, а n — ціле число) то інтерференція хвиль приводить до утворення стоячої хвилі ( мал. 1 ), амплітуда якої при багатократному віддзеркаленні сильно зростає; у просторі між плоскістю накопичуватиметься електромагнітна енергія, подібно до того, як це відбувається при резонансі в коливальному контурі.

  Вільні коливання в О. р. за відсутності втрат енергії можуть існувати необмежено довгий час. Проте насправді втрати енергії в О. р. неминучі. Змінне магнітне поле індукує на внутрішніх стінках О. р. електричні струми, які нагрівають стінки, що і приводить до втрат енергії (втрати на провідність). Крім того, якщо в стінках О. р. є отвори, які пересікають лінії струму, то поза О. р. збуджується електромагнітне поле, що викликає втрати енергії на випромінювання. Окрім цього, є втрати енергії в діелектриці (див. Діелектричні втрати ) і втрати за рахунок зв'язку із зовнішніми ланцюгами. Відношення енергії, запасеною в О. р., до сумарних втрат в нім за період коливань, називається добротністю О. р. Чим вище добротність, тим краще якість О. р.

  По аналогії з хвилеводами типи коливань в О. р. класифікуються по групах залежно від того, чи має просторовий розподіл електромагнітного поля осьові або радіальні (поперечні) компоненти. Коливання типа Н (або ТІ ) мають осьову компоненту лише магнітного поля; коливання типа Е (або ТМ ) володіють осьовою компонентой лише електричного цоля. Нарешті, в коливань типа ТИМ ні електричне, ні магнітне поля не мають осьових компонентів. Прикладом О. р., в якому можуть збуджуватися коливання ТИМ -тіпа, може служити порожнина між двома коаксіальними провідними циліндрами, обмежена з торців плоскими провідними стінками, перпендикулярними осі циліндрів.

  Найбільш поширеним є циліндровий О. р. Типи коливань в циліндровий О. р. характеризують 3 індексами т , n , р , відповідними числу півхвиль електричного або магнітного поля, що укладаються по його діаметру, колу і довжині (наприклад, Е тпр або Н тпр ). Тип вагання ( Е або Н ) і його індекси визначають структуру електричного і магнітного полів в О. р. ( мал. 2 ). Вагання Н 011 циліндріч. О. р. володіє особливою властивістю: воно байдуже до наявності контакту циліндрових і торцевих стінок. Магнітні силові лінії цього вагання направлені так, що в стінках О. р. збуджуються лише струми, поточні по колах циліндра. Це дозволяє робити невипромінюючі щілини в бічних і торцевих стінках О. р.

  Окрім циліндрових О. р., застосовуються О. р. іншої форми, наприклад в лабораторних пристроях — прямокутні О. р. ( мал. 3 , а). Важливий О. р. тороїдальної форми з ємкісним зазором ( мал. 3 , би), вживаний як коливальна система клістрона . Особливістю основного типа коливань такого О. р. є просторове розділення електричного і магнітного полів. Електричне поле локалізується головним чином в ємкісному зазорі, а магнітне — в тороїдальній порожнині. Розподіл поля в діелектричному О. р. при істотній відмінності в діелектричній проникності діелектрика і навколишнього простору близько до розподілу поля в металевих порожнистих резонаторах тієї ж форми. На відміну від порожнистих О. р., поле діелектричних резонаторів проникає в навколишній простір, проте швидко затухає при видаленні від поверхні діелектрика.

  Металеві порожнисті О. р. виготовляють зазвичай з металів з високою електропровідністю (Ag, Cu і їх сплави) або покривають порожнину зсередини шаром Ag або Au. О. р. з надзвичайно високою добротністю отримують з надпровідних металів (див. Кріоелектроніка ). Налаштування О. р. на певну частоту виробляється зміною його об'єму шляхом переміщення стінок або введення в порожнину О. р. металевих поршнів, пластин і ін. настроювальних елементів. Зв'язок із зовнішніми ланцюгами здійснюється зазвичай через отвори в стінках О. р., за допомогою петель, штирів і ін. елементів зв'язку. Для діелектричних О. р. використовуються діелектрики з високою діелектричною проникністю ( рутил, тіганат стронцію і ін.), малі діелектричні втрати, що мають.

  О. р. широко застосовуються в техніці як коливальні системи генераторів (клістронів, магнетронів і ін.), фільтрів, еталонів частоти, вимірювальних контурів, а також різних пристроїв для дослідження твердих, рідких і газоподібних речовин. О. р. застосовні для частот 10 9 —10 11 гц . Для вищих частот довжина хвилі збуджуваних в О. р. коливань стає порівнянним з розмірами неминучих шорсткостей і отворів в стінках О. р., що приводить до розсіяння електромагнітної енергії. Ета недоліки усуваються в відкритих резонаторах, що є системою дзеркал.

  Літ.: Бройль Л., Електромагнітні хвилі у хвилеводах і порожнистих резонаторах, пер.(переведення) з франц.(французький), М., 1948; Вайнштейн Л. А., Електромагнітні хвилі, М., 1957.

  І. Ст Іванов, Ст І. Зубків.

Мал. 2. Прості види коливань в круглому циліндровому порожнистому резонаторі: а — E 010 би — H 111 , в — H 011 . Суцільними лініями позначені силові лінії електричного поля, пунктиром — силові лінії магнітного поля. Щільність силових ліній характеризує напруженість поля. Для коливань E 010 і H 111 щільність ліній в осі циліндра максимальна (пучность), а в його стінок дорівнює нулю (вузол). Силові лінії магнітного поля — замкнуті криві.

Мал. 3. а — прямокутний порожнистий об'ємний резонатор, в якому збуджений основний тип коливань E 110 ; суцільні лінії — силові лінії електричного поля, пунктир — магнітного поля; б — тороїдальний резонатор клістрона; у — система резонатора магнетрона.

Мал. 1. Утворення стоячої хвилі в просторі між двома паралельною плоскістю в результаті інтерференції прямої і відбитих хвиль.