Диэлектрический резонатор
DIELECTRIC RESONATOR

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для создания диэлектрических резонаторов, использующихся в фильтрах и частотно-избирательных СВЧ устройствах, включая устройства повышенного уровня мощности.
Известны диэлектрические резонаторы, предназначенные для создания частотно-избирательных СВЧ устройств, содержащие высокопроницаемые диэлектрики в форме цилиндров, дисков и прямоугольных призм, установленные на диэлектрических подставках и размещенные в металлических экранах, которыми служат стенки металлических волноводов, используют в качестве рабочего типа колебаний низший Н-тип колебаний /см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Тэкника, 1989. с. 28, рис. 2.2., с. 50, рис. 2.9./.
Однако такие диэлектрические резонаторы имеют плотный спектр резонансных частот высших типов колебаний и недостаточную их отстройку от резонансной частоты рабочего Н-типа колебаний.
Для известных технических решений существенной проблемой является отвод тепла диэлектрического резонатора при повышенных уровнях мощности СВЧ-сигнала. Так, в известном техническом решении /см. Патент РФ на изобретение №2394317, МПК Н01Р 7/10, опубл. 10.07.2010/ отвод тепла диэлектрического резонатора на металлическую стенку волновода осуществляется с помощью металлических стержней, контактирующих с площадками частичной металлизации диэлектрического резонатора.
Однако в таком устройстве улучшение теплоотвода достигается за счет уменьшения добротности диэлектрического резонатора из-за наличия дополнительных потерь в металлических стержнях.
В известном техническом решении /см. Патент РФ №2305350, МПК Н01Р 7/10, опубл. 27.08.2007/ это достигается с помощью металлических пластин-ребер, поддерживающих диэлектрический резонатор.
Однако в таком решении улучшение теплоотвода достигается за счет заметного уменьшения добротности диэлектрического резонатора ввиду дополнительных потерь в металлических пластинах-ребрах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является диэлектрический резонатор, содержащий высокопроницаемый диэлектрик (с относительной диэлектрической проницаемостью материала ε=30-100) цилиндрической формы, установленный на цилиндрической диэлектрической подставке с низкой относительной диэлектрической проницаемостью материала (ε=2-10), закрепленные между собой и со стенкой металлического экрана, например, клеем, размеры которого выбраны резонансными для низшего Н-типа колебания // см. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. Ю.М. Безбородов, Т.Н. Нарытник, В.Б. Федоров. - К.: Тэкника, 1989. с. 28, рис. 2.2. в./.
Однако известное техническое решение имеет низкий уровень теплоотвода от диэлектрического резонатора, так как его цилиндрическая диэлектрическая подставка, выполненная из высокодобротного диэлектрического материала, например из кварца, имеет низкий коэффициент теплопередачи и разделена от высокопроницаемого диэлектрика и от металлической стенки прослойками клея, что затрудняет теплопередачу. Такой диэлектрический резонатор обладает плотным спектром резонансных частот высших типов колебаний и имеет недостаточную полосу частот их отстройки от резонансной частоты рабочего низшего Н-типа колебаний.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание диэлектрических резонаторов для фильтров СВЧ повышенной мощности с улучшенными характеристиками избирательности.
Техническими результатами изобретения является улучшение теплоотвода диэлектрического резонатора при сохранении величины его собственной добротности в условиях повышенного уровня мощности СВЧ-сигнала и разрежение спектра высших резонансных частот диэлектрического резонатора при увеличении полосы частот отстройки частоты рабочего низшего Н-типа колебания диэлектрического резонатора.
Это достигается тем, что диэлектрический резонатор, содержащий высокопроницаемый диэлектрик цилиндрической формы, размеры которого выбраны резонансными для низшего Н-типа колебания, установленный и закрепленный на стенке металлического экрана, выполнен в форме втулки, диаметр центральной части которой выбран большим, чем диаметр торцевых частей, а стенка торцевой части втулки закреплена на стенку металлического экрана с возможностью обеспечения теплоотвода путем металлизации поверхности стенки торцевой части втулки и ее крепления, например пайкой, на стенку металлического экрана. Соотношение размеров диаметров центральной части и торцевых частей цилиндрической диэлектрической втулки выбрано в пределах 1.5-2.0, при этом втулка выполнена с возможностью снабжения ее только одной из торцевых частей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 приведен общий вид диэлектрического резонатора в форме цилиндрической диэлектрической втулки, на Фиг. 2 - ее фронтальный вид, на Фиг. 3 представлена цилиндрическая диэлектрическая втулка с одной ее торцевой частью, установленная и закрепленная на металлической стенке экрана (волновода), а на Фиг. 4 показана цилиндрическая диэлектрическая втулка с двумя торцевыми частями, установленная и закрепленная на противоположных металлических стенках экрана (запредельного волновода).
Диэлектрический резонатор выполнен в форме цилиндрической диэлектрической втулки 1 с высокой относительной диэлектрической проницаемостью материала, диаметр центральной части 2 которой выбран большим, чем диаметр торцевой части 3, а стенка 4 торцевой части 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 закреплена на стенку 5 металлического экрана 6 с возможностью обеспечения теплоотвода путем металлизации поверхности стенки 4 торцевой части 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 и ее крепления, например пайкой, на стенку 5 металлического экрана 6. Соотношение размеров диаметров центральной части 2 и торцевой части 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 выбрано в пределах 1.5-2.0 с возможностью выполнения одной торцевой части 3 и двух торцевых частей 3 относительно ее центральной части 2.
Диэлектрический резонатор работает следующим образом.
При подаче электромагнитного поля СВЧ-сигнала на диэлектрический резонатор в нем возбуждается электромагнитное поле на резонансной частоте рабочего низшего Н-типа колебаний, которое испытывает взаимодействие с электромагнитным полем СВЧ сигнала, если резонансная частота диэлектрического резонатора совпадает или близка к частоте электромагнитного СВЧ-сигнала. В результате этого взаимодействия при размещении диэлектрического резонатора в металлическом волноводе, стенки которого служат металлическим экраном, волновод с диэлектрическим резонатором обладает частотной характеристикой заграждающего (фиг. 3) или полосового (фиг. 4) фильтра.
Выполнение диэлектрического резонатора в форме цилиндрической (или прямоугольной) диэлектрической втулки 1 с высокой диэлектрической проницаемостью материала обеспечивает устойчивый режим его возбуждения на низшем рабочем Н-типе колебаний. Подавление влияния высших азимутальных типов колебаний достигнуто за счет противоположного направления поляризации азимутальных типов колебаний в центральной части 2 цилиндрической диэлектрической втулки 1 и поляризации электромагнитного поля рабочего Н-типа колебания в торцевых частях 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1, имеющих меньшие размеры в сравнении с центральной частью 2 цилиндрической диэлектрической втулки 1. Экспериментально подтверждено, что лучшее подавление высших типов колебаний достигается при отношении размеров диаметров центральной части 2 и торцевых частей 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 в пределах 1.5-2.0. Полоса частот отстройки резонансной частоты от спектра частот высших типов колебаний увеличивается за счет относительного увеличения объема диэлектрической втулки 1, что приводит к дополнительному разрежению спектра резонансных частот.
Нанесение металлизации на поверхность стенки 4 торцевых частей 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 обеспечивает улучшенный теплоотвод от цилиндрической диэлектрической втулки 1 на металлическую стенку 5 металлического экрана 6 посредством контакта металлизированных поверхностей 4 со стенкой 5 металлического экрана 6, выполненного, например, пайкой. Так как площадь металлизации поверхности стенок 4 торцевых частей 3 цилиндрической диэлектрической втулки 1 меньше по сравнению с площадью центральной части 2 и стенки 4 удалены от нее на высоту торцевой части 3, а интенсивность электромагнитного поля сосредоточена преимущественно в центральной части 2 цилиндрической диэлектрической втулки 1, то влияние металлизации стенки 4 торцевой части 3 не приводит к заметному снижению собственной добротности предложенного технического решения. Это обеспечивает улучшение теплоотвода предложенного диэлектрического резонатора при сохранении величины его собственной добротности в условиях повышенного уровня мощности СВЧ-сигнала. Установка предложенного диэлектрического резонатора в металлический волновод образует звено полосно-заграждающего фильтра (фиг. 3) и звено полосно-пропускающего фильтра (фиг. 4).
Использование изобретения позволяет при каскадном включении таких звеньев достигать улучшение теплоотвода и избирательности многозвенных фильтров повышенной мощности на диэлектрических резонаторах.