РЕЗОНАТОР С УПРАВЛЯЕМОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ

Полезная модель относится к области исследования материалов с помощью электронного парамагнитного резонанса или спинового эха и может быть использована, например, в устройствах для измерения переменных магнитных величин.
Известен СВЧ-резонатор для импульсного измерения времени релаксации спинового эха, выполненный в виде отрезка прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны диафрагмой с отверстием для подачи возбуждающего импульса СВЧ мощности, а с другой стороны- закорачивающей пластиной, перед которой в полости волновода расположены ферритовый переключатель и поглощающая нагрузка.
Регулирование добротности резонатора осуществляется с помощью ферритового переключателя, работой которого управляют импульсы тока, подаваемые через специальный коаксиальный разъем по окончании возбуждающего СВЧ импульса. Управляющие импульсы тока включают ферритовый переключатель, добротность резонатора резко падает и запасенная в нем СВЧ энергия рассеивается в нагрузке. По окончании управляющего импульса тока ферритовый переключатель закрывается и добротность резонатора восстанавливается до первоначальной величины. (А.с. №244432 М. кл. G 01 R, опубл. 28.05.1969, Бюлл. №18).
Однако использование ферритового переключателя приводит к значительным потерям СВЧ энергии в резонаторе, что уменьшает его начальную добротность и качество регулирования (отношение максимальной добротности к минимальной) при переключении. Кроме того, время изменения добротности зависит от скорости включения и выключения ферритового переключателя, которая ограничена индуктивностью его обмотки управления.
Задачей полезной модели является повышение начальной добротности резонатора, качества регулирования и увеличение скорости изменения добротности за счет разработки нового элемента регулирования добротности.
Поставленная задача решается заявленным резонатором с управляемой добротностью.
Этот резонатор, как и описанный выше прототип, состоит из отрезка прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны диафрагмой с отверстием для подачи возбуждающего импульса СВЧ мощности, а с другой стороны - закорачивающей пластиной и расположенного в нем элемента регулирования добротности.
Отличием от прототипа является исполнение элемента регулирования добротности и его расположение в полости волновода.
g
g
Элемент регулирования добротности заявленного резонатора выполнен в виде включенных навстречу друг другу P-I-N-диодов с управляющим выводом, закрепленным на общем катоде. Для выхода управляющего вывода в закорачивающей пластине выполнено отверстие, а аноды P-I-N-диодов соединены с широкими боковыми стенками волновода на расстоянии от закорачивающей пластины, не превышающем λ/4, где λ - длина волны в волноводе с учетом реактивности диодов в открытом состоянии.
g
При расстоянии между P-I-N-диодами и закорачивающей пластиной большем λ/4 могут возникать дополнительные паразитные резонансы в системе, что приведет к дополнительным потерям и снижению начальной добротности.
Для повышения качества регулирования P-I-N-диоды расположены вдоль одной оси, совпадающей с направлением линии электрического поля в резонаторе, аноды диодов соединены с серединами широких стенок волновода, а управляющий вывод закреплен на общем катоде перпендикулярно оси диодов.
На представленной фигуре схематично изображен заявленный резонатор с управляемой добротностью.
g
Резонатор представляет собой отрезок прямоугольного волновода 1, ограниченного с одной стороны диафрагмой 2 с отверстием связи 3, а с другой стороны - закорачивающей пластиной 4 с отверстием 5. В полости волновода на расстоянии L≤λ/4 от пластины 4 установлены расположенные вдоль одной оси включенные навстречу друг другу P-I-N-диоды 6 и 7, аноды которых соединены с серединами широких боковых стенок волновода 8 и 9. На общем катоде диодов перпендикулярно их оси закреплен управляющий вывод 10, выходящий из волновода через отверстие 5. Направление линий электрического поля в резонаторе показано стрелкой 11.
6
Резонатор работает следующим образом. Первоначально на P-I-N-диоды 6 и 7 через управляющий вывод 10 подают прямой ток. В этом режиме сопротивление P-I-N-диодов мало, поэтому они практически не подгружают резонатор и его первоначальная добротность высока. Одновременно осуществляют ввод СВЧ мощности из подводящего волновода через отверстие связи 3 в диафрагме 2 и происходит накопление СВЧ энергии в резонаторе. По окончании процесса накопления энергии прямой ток импульсно убирают и на диоды 6 и 7 через вывод 10 подают запирающее напряжение. При изменении тока сопротивление P-I-N-диодов меняется в широких пределах (от долей Ома до 10 Ом). Когда сопротивление P-I-N-диодов достигнет значения, близкого к волновому сопротивлению волновода (около 500 Ом), СВЧ волна начнет эффективно в них поглощаться, т.е. P-I-N-диоды начинают работать как поглощающая нагрузка. Процесс поглощения может происходить за несколько проходов СВЧ мощности туда и обратно от диафрагмы 2 до пластины 4 и составлять несколько наносекунд.
Добротность резонатора резко падает на два порядка за время, существенно меньшее времени переключения режима P-I-N-диодов. При дальнейшем уменьшении тока и подаче запирающего напряжения сопротивление P-I-N-диодов продолжает увеличиваться и добротность резонатора вновь возрастает, при этом существенно, на несколько десятков полос пропускания, меняется частота настройки резонатора, поэтому СВЧ колебания из подводящего волновода в нем не возбуждаются. Для возвращения в исходное состояние на диоды подается прямой ток.
Следует отметить, что скорость изменения добротности можно регулировать (увеличивать и уменьшать) путем изменения времени переключения режима P-I-N-диодов.
Таким образом, включенные навстречу друг другу P-I-N-диоды работают как регулируемая поглощающая нагрузка, что позволяет регулировать добротность резонатора в широких пределах. Использование P-I-N-диодов обеспечивает высокую начальную добротность резонатора, значительно повышает качество регулирования, а также позволяет регулировать скорость изменения добротности путем изменения времени переключения режима P-I-N-диодов.