СПОСОБ НАСТРОЙКИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕЗОНАТОРА НА РЕЗОНАНСНЫЕ ЧАСТОТЫ С ЗАДАННОЙ КРАТНОСТЬЮ
METHOD OF ADJUSTING OF HIGH-FREQUENCY RESONATOR ON RESONANT FREQUENCIES WITH PRESET RATIO

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот - резонаторам типа волноводов, выполненных на отрезках волноводных линий, и может быть использовано в ускорительной технике, связи и радиолокации, приборах высокой и сверхвысокой частоты, в излучающих, приемных, фильтрующих и других резонансных элементах.
Уровень техники.
2
1
Известен способ настройки резонатора на кратные резонансные частоты F=2F вВ дальнейшем именуемый полигармонический режим) Multi-harmonic: buncher. Описанный в материалах: ЕСРМ 09 Tutorial session. October 28 th 2008, Groningen. RF SYSTEM FOR CYCOTRONS. Marco DI GIACOMO. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.kvi.nl/~agorcalc/ECPM2009/EducationalSession/6_Di_Giacomo.pdf Стр.27.
o
o
Этот резонатор представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z. С одной стороны - центральный проводник линии изменяемой длины посредством телескопических скользящих контактов, а с другой стороны, нагружен сосредоточенной емкостью ускоряющего зазора C. В плоскости максимума электрического поля второй резонансной частоты, находящегося в центральной части резонатора, резонатор нагружен сосредоточенной переменной емкостью С.
1
2
Способ настройки резонатора на резонансные частоты с кратностью n=1, 2 заключается для первой частоты (F) в изменении длины центрального проводника, для второй резонансной частоты (F) - в перестройке сосредоточенной переменной емкости С.
Характерные признаки:
- максимумы электрического поля зафиксированы на емкости перестройки второй частоты и на концах коаксиальной линии, соответствующих емкости ускоряющего зазора и симметричному концу центрального проводника;
- максимум первой частоты перемещается в резонансном объеме при изменении длины центрального проводника;
- асимметричное распределение электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора;
- используется полигармонический режим работы резонатора с кратностью n=1, 2.
Недостатком способа является невозможность настройки полигармонического режима в широком диапазоне частот, работает на фиксированных частотах (в дальнейшем именуемый фиксированный полигармонический режим).
Известен способ настройки резонатора, реализованный в конструкции и описанный в книге: С.И. Орлов. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. - М.: Сов. радио, 1970. - 256 с., стр. 97. Коаксиальный резонатор с конденсатором перестройки на разомкнутом конце.
o
o
Этот резонатор представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z, один конец которой нагружен сосредоточенной емкостью C, второй конец нагружен сосредоточенной переменной емкостью С.
Способ настройки резонатора на резонансную частоту заключается в изменении сосредоточенной переменной емкости С.
Характерные признаки:
- максимумы электрического поля первой резонансной частоты зафиксированы на крайних сосредоточенных емкостях;
- максимумы электрического поля резонансных частот высших порядков зафиксированы на крайних сосредоточенных емкостях, промежуточные максимумы перемещаются в резонансном объеме при перестройке частоты;
- асимметричное распределение электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора;
- используется одна первая резонансная частота;
- частоты высших порядков не используются.
Недостатком способа является невозможность получения полигармонического режима работы резонатора с использованием частот высших порядков.
Наиболее близкий к предлагаемому изобретению является способ настройки резонатора (прототип), реализованный в конструкции и описанный в книге: С.И. Орлов. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. - М.: Сов. радио, 1970. - 256 с., стр. 133). Коаксиальный резонатор с симметричным включением конденсатора перестройки.
o
o
Резонатор представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением Z, оба конца которого нагружены равными сосредоточенными емкостями C и сосредоточенной переменной емкостью С, включенной в плоскость симметрии, совпадающей с центром резонатора и максимумом электрического поля резонансной частоты.
Способ настройки резонатора заключается в том, что настройка резонансной частоты осуществляется путем изменения величины сосредоточенной переменной емкости С, включенной в плоскости симметрии, совпадающей с центром резонатора и с максимумом электрического поля резонансной частоты.
Характерные признаки:
- максимумы электрического поля зафиксированы на крайних емкостях и емкости перестройки второй резонансной частоты и при настройке частоты неподвижны;
- максимумы электрического поля третьей и более высших резонансных частот перемещаются в резонансном объеме при настройке частоты;
- симметричное распределение электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора;
- при настройке резонатора симметрия электромагнитного поля не нарушается;
- возможна настройка на фиксированный полигармонический режим на первой неиспользуемой фиксированной резонансной частоте;
- используется вторая резонансная частота.
Недостатком способа (прототипа) является невозможность настройки резонатора на нечетные резонансные частоты и невозможность избирательной настройки более одной резонансной частоты.
Причина выбора прототипа:
- симметричное распределение электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора (симметрия сохраняется при перестройке резонансной частоты);
- фиксация максимумов электрического поля на сосредоточенных емкостях (фиксация сохраняется при перестройке резонансной частоты).
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является способ настройки резонатора в полигармонический режим с заданной кратностью резонансных частот во всем диапазоне перестройки частот резонатора (в дальнейшем именуемый перестраиваемый полигармонический режим).
Сущность изобретения заключается в том, что настройка высокочастотного резонатора на резонансную частоту, образованного отрезком волноводной линии с включенными по краям равными сосредоточенными реактивностями и сосредоточенной переменной емкостью, включенной в плоскость симметрии, совпадающей с центром резонатора и с максимумом электрического поля резонансной частоты, заключается в изменении величины сосредоточенной переменной емкости. Для достижения цели способа предварительно определяют расчетные точки максимумов электрического поля всех рабочих резонансных частот. Дополнительно в порядке возрастания частоты для каждой дополнительной рабочей частоты включают симметрично две равные синхронные переменные сосредоточенные емкости в ближайшие к плоскости симметрии незанятые расчетные точки максимумов электрического поля. Незанятыми считаются максимумы электрического поля, не используемые для настройки низшей частоты. Определяют постоянные расчетные точки связи резонатора с генераторами для каждой частоты и относительно точек связи рассчитывают величину реактивностей связи для всех рабочих частот. Включают в точки связи рассчитанные реактивности связи резонатора с генераторами для всех рабочих частот. Для сохранения симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора симметрично точкам связи, относительно центра резонатора, дополнительно включают рассчитанные компенсирующие реактивности для всех дополнительных рабочих частот. Для восстановления частотных характеристик резонатора, изменившихся после включения переменных сосредоточенных емкостей, реактивностей связи и компенсации, изменяют методом постепенных приближений расстояния между всеми точками включения, с соблюдением указанных выше правил включения, пересчитывая реактивности связи и компенсации для каждого изменения расстояний, до достижения необходимых частотных характеристик резонатора. Настройка резонатора на резонансные частоты с заданной кратностью производится в порядке убывания влияния настраиваемой частоты на первую резонансную частоту и в порядке убывания взаимного влияния частот. Она осуществляется, начиная с первой резонансной частоты, путем последовательных и циклически повторяющихся изменений, соответствующих резонансным частотам переменных сосредоточенных емкостей, до достижения заданной кратности частот.
Отличительные признаки изобретения.
Определяются расчетные точки максимумов для всех резонансных частот. Этот признак определяет эффективность работы переменных сосредоточенных емкостей при настройке резонансных частот.
Определяют последовательность включения емкостей в порядке возрастания частоты. Этот признак задает последовательность действий при настройке резонатора.
Включают для каждой дополнительной рабочей частоты две равные синхронные переменные сосредоточенные емкости симметрично относительно плоскости симметрии, совпадающей с центром резонатора, в ближайшие незанятые расчетные точки максимумов электрического поля. Этот признак обеспечивает сохранение симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора при перестройке частоты за счет равенства и синхронизма изменения емкости переменных сосредоточенных емкостей, а также симметричного включения, относительно плоскости симметрии. Включение в максимумы обеспечивает фиксацию максимумов электрического поля на сосредоточенных переменных емкостях и эффективность работы емкостей.
Определяют, что незанятым считают максимум электрического поля, который не используется для настройки низшей частоты. Этот признак определяет избирательность воздействия переменных сосредоточенных емкостей на резонансные частоты.
Определяют постоянные расчетные точки связи резонатора с генераторами для каждой частоты и относительно точек связи рассчитывают величину реактивностей связи. Этот признак определяет постоянные точки включения связи резонатора с генераторами и величину реактивностей связи.
Включают в точки связи рассчитанные реактивности связи резонатора с генераторами для всех рабочих частот. Этот признак обеспечивает связь резонатора с генераторами для всех рабочих частот.
Для сохранения симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора симметрично точкам связи, относительно центра резонатора, дополнительно включают рассчитанные компенсирующие реактивности для всех дополнительных рабочих частот. Этот признак обеспечивает сохранение симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора и определяет величину компенсирующих реактивностей.
Для восстановления частотных характеристик резонатора, изменившихся после включения переменных сосредоточенных емкостей, реактивностей связи и компенсации, изменяют методом постепенных приближений расстояния между всеми точками включения, с соблюдением указанных выше правил включения, пересчитывая реактивности связи и компенсации для каждого изменения расстояний, до достижения необходимых частотных характеристик резонатора. Этот признак обеспечивает необходимые частотные характеристики резонатора. Выполняется пошагово, методом постепенных приближений.
Настройка резонатора на резонансные частоты с заданной кратностью производится в порядке убывания влияния настраиваемой частоты на первую резонансную частоту и в порядке убывания взаимного влияния частот. Этот признак задает последовательность настройки частот. С увеличением количества резонансных частот последовательность изменяется.
Настройка осуществляется, начиная с первой резонансной частоты, путем последовательных и циклически повторяющихся изменений, соответствующих резонансным частотам переменных сосредоточенных емкостей до достижения заданной кратности частот. Этот признак задает циклическую повторяемость изменения частот при настройке резонатора на заданную кратность частот. С каждой дополнительной резонансной частотой цикл настройки повторяется, начиная с первой резонансной частоты. С увеличением количества резонансных частот увеличивается количество циклических повторений изменения частоты.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей резонатора, а именно в возможности настройки резонатора на резонансные частоты с заданной кратностью в пределах всего диапазона перестройки резонатора.
Перечень фигур:
Фиг. 1. Эквивалентная схема резонатора;
1
Фиг. 2. Распределение I-тока и U-напряжения вдоль резонатора. F=19,26 МГц.
2
Фиг. 3. Распределение I-тока и U-напряжения вдоль резонатора. F=38,52 МГц.
1
Фиг. 4. Распределение I-тока и U-напряжения вдоль резонатора. F=11,6 МГц.
2
Фиг. 5. Распределение I-тока и U-напряжения вдоль резонатора. F=23,2 МГц.
Осуществление изобретения
Пример конкретного выполнения
1
2
Реализован вариант способа настройки резонатора на первую (F) и вторую (F) резонансные частоты с заданной кратностью n=1,2 на коаксиальной линии - кабель RG-213. (Эквивалентная схема резонатора. Фиг. 1. Приложение 1).
Математическое моделирование выполнено аналитическим способом, созданным на основе подходов, изложенных в книге: С.И. Орлов. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. - М.: Сов. радио, 1970).
Описание резонатора представлено на Фиг. 1. Приложение 1.
Где:
1 - сосредоточенная емкость ускоряющего зазора, равная сосредоточенной емкости баланса 18, и равна 22 пФ;
2 - заземление;
3 - длина кабеля RG-213 от плоскости включения сосредоточенной емкости ускоряющего зазора 1 до плоскости включения первой симметричной синхронной переменной емкости 5, предназначенной для настройки первой резонансной частоты, равна длине 17 и определена величиной 1 м. Необходимый запас длины кабеля для подключения к ускоряющему зазору;
o
4 - Z=50 Ом. Волновое сопротивление кабеля RG-213, из которого изготовлен резонатор;
5 - сосредоточенная синхронная симметричная переменная емкость предназначена для настройки первой резонансной частоты, равна емкости 16 и перестраивается в диапазоне 12-495 пФ;
6 - синхронная механическая связь настройки для первой резонансной частоты (общий вал привода для емкостей 5 и 16);
7 - сосредоточенная емкость компенсации для первой резонансной частоты, равная 60 пФ;
8 - длина кабеля RG-213 от плоскости включения первой симметричной синхронной емкости 5, предназначенной для настройки первой резонансной частоты, до плоскости включения сосредоточенной переменной емкости 11, предназначенной для настройки второй резонансной частоты, равна длине 13 и определена величиной 1 м;
9 - точка подключения генератора второй резонансной частоты к сосредоточенной емкости связи 10;
10 - сосредоточенная постоянная емкость связи второй резонансной частоты равна 22 пФ;
11 - сосредоточенная переменная емкость, предназначенная для настройки второй резонансной частоты, перестраивается в диапазоне 12-495 пФ;
12 - механическая связь настройки для второй резонансной частоты (вал для привода сосредоточенной переменной емкости 11);
13 - длина кабеля RG-213 от плоскости включения сосредоточенной переменной емкости 11, предназначенной для настройки второй резонансной частоты, до плоскости включения сосредоточенной переменной емкости 16, предназначенной для настройки первой резонансной частоты, равна длине 8 и определена величиной 1 м;
14 - точка подключения генератора первой резонансной частоты к сосредоточенной емкости связи 15;
15 - сосредоточенная постоянная емкость связи первой резонансной частоты, равная 64 пФ;
16 - сосредоточенная синхронная симметричная переменная емкость, предназначенная для настройки первой резонансной частоты, равна емкости 5 и перестраивается в диапазоне 12-495 пФ;
17 - длина кабеля RG-213 от плоскости включения сосредоточенной переменной емкости 16, предназначенной для настройки первой резонансной частоты, до плоскости включения сосредоточенной емкости баланса 18, равна длине 3 и определена величиной 1 м;
18 - сосредоточенная постоянная емкость баланса, равная емкости 1, и равна 22 пФ;
2 - заземление.
2
Описание способа настройки высокочастотного резонатора (Эквивалентная схема резонатора. Фиг. 1. Приложение 1) на резонансные частоты с заданной кратностью. Расчетным способом для всех рабочих резонансных частот определяют расчетные точки максимумов электрического поля исходного резонатора, образованного отрезком коаксиального кабеля RG-213 с включенными по краям равными сосредоточенными емкостями 1,18 и сосредоточенной переменной емкостью 11, включенной в плоскость симметрии, находящейся в центре резонатора и совпадающей с максимумом электрического поля второй резонансной частоты (F).
1
Затем дополнительно, в порядке возрастания частоты, для каждой дополнительной рабочей частоты включают симметрично две равные синхронные переменные сосредоточенные емкости 5,16 в ближайшие к плоскости симметрии незанятые расчетные точки максимумов электрического поля. Незанятыми считается максимумы электрического поля, не используемые для настройки низшей частоты. Дополнительной является первая резонансная частота (F). Ближайшие к плоскости симметрии максимумы первой резонансной частоты совпадают с сосредоточенными емкостями 1,18. Они не заняты для настройки других частот, и первая резонансная частота является приоритетной, как самая низшая. Включают симметрично две равные синхронные переменные сосредоточенные емкости 5,16 в расчетные точки максимумов электрического поля. Длина кабеля 3 от плоскости включения сосредоточенной емкости ускоряющего зазора 1 до плоскости включения первой симметричной синхронной емкости 5, предназначенной для настройки первой резонансной частоты, равная длине 17, и определена величиной 1 м, необходимый запас длины кабеля для подключения к ускоряющему зазору. Это конструктивное ограничение влияет на эффективность работы емкостей 5,16 и длины кабеля 3,17 должны быть минимальными.
Определяют постоянные расчетные точки связи резонатора с генераторами для каждой частоты. Относительно точек связи рассчитывают величину реактивностей связи 10, 15 и включают реактивности связи резонатора с генераторами для всех рабочих частот. Точками связи резонатора с генераторами являются точки включения в резонатор сосредоточенных переменных емкостей 11 и 16, предназначенных для настройки резонансных частот.
Для сохранения симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме резонатора симметрично точке связи, относительно центра резонатора, дополнительно включают рассчитанную компенсирующую емкость 7 для первой дополнительной резонансной частоты. Точка включения компенсирующей емкости 7 совпадает с точкой включения емкости 5.
Частотные характеристики резонатора приведены в соответствие с необходимыми значениями рабочих резонансных частот.
1
2
Настройка резонатора на резонансные частоты с заданной кратностью осуществляется в порядке убывания влияния настраиваемой частоты на первую резонансную частоту и в порядке убывания взаимного влияния частот. Вначале настраивается первая резонансная частота (F), она влияет на вторую резонансную частоту (F). Затем настраивается вторая резонансная частота, которая не влияет на первую резонансную частоту.
1
2
Настройка резонатора осуществляется, начиная с первой резонансной частоты, путем последовательных изменений, соответствующих резонансным частотам, переменных сосредоточенных емкостей до достижения заданной кратности частот. Для первой резонансной частоты (F) соответствуют симметричные равные синхронные сосредоточенные емкости 5 и 16. Для второй резонансной частоты (F) соответствует сосредоточенная переменная емкость 11. Так как в примере используются только две резонансные частоты, цикличность настройки не требуется. Настройка на частоты с кратностью, отличной от n=1,2 осуществляется в том же порядке.
Получен перестраиваемый полигармонический режим с заданной кратностью n=1,2 в диапазоне частот:
F1=11,6-19,26 МГц.
F2=23,2-38,52 МГц.
При амплитуде напряжений на емкостях 1,18:
F1
U=150 В.
F2
U=50 В.
Получено распределение токов и напряжений вдоль резонатора для максимальных частот:
1
Для F=19,26 МГц. Фиг. 2. (Приложение 1.)
2
Для F=38,52 МГц. Фиг. 3. (Приложение 1.)
Получено распределение токов и напряжений вдоль резонатора для минимальных частот:
1
Для F=11,6 МГц. Фиг. 4. (Приложение 2)
2
Для F=23,2 МГц. Фиг. 5. (Приложение 2)
Фигуры иллюстрируют сохранение симметрии электромагнитного поля в резонансном объеме при перестройке резонатора во всем диапазоне его рабочих частот. Плоскость симметрии резонатора совпадает с точкой включения переменной сосредоточенной емкости 11 (Фиг. 1. Приложение 1).
1
2
Сохраняется положение максимумов электрического поля резонансных частот при перестройке резонатора во всем диапазоне его рабочих частот. Для первой резонансной частоты (F) максимумы электрического поля совпадают с точками включения сосредоточенных емкостей 1,18. (Фиг. 1. Приложение 1). Для второй резонансной частоты (F) максимумы электрического поля совпадают с точками включения сосредоточенных емкостей 1,18 и переменной сосредоточенной емкости 11. (Фиг. 1. Приложение1).
Настройка резонатора на перестраиваемые резонансные частоты с заданной кратностью позволяет решать задачи эффективной группировки заряженных частиц в ускорительной технике, приборах высокой и сверхвысокой частоты. В области связи решает задачу сложения и разделения передаваемого и принимаемого сигнала. В области радиолокации решает задачу формирования диаграмм направленности с несколькими независимыми, разными по частоте, зондирующими лучами.