КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОАКСИАЛЬНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
OSCILLATING SYSTEM BASED ON COAXIAL CERAMIC RESONATOR

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано в составе полосно-пропускающих фильтров приемных и передающих устройств и транзисторных автогенераторах.
0
Известна колебательная система на основе четвертьволнового коаксиального керамического резонатора (прототип), используемая в полосно-пропускающих фильтрах и автогенераторах [1]. Конструктивно коаксиальный керамический резонатор представляет собой круглую втулку, все поверхности которой, кроме одного торца, покрыты серебром. Коаксиальные керамические резонаторы имеют малые габариты и массу, высокую механическую прочность и температурную стабильность. На их основе проектируются малогабаритные полосно-пропускающие фильтры и стабилизированные транзисторные автогенераторы СВЧ-диапазона [2]. Однако наличие эквидистантных собственных частот коаксиальных керамических резонаторов приводит к появлению в амплитудно-частотной характеристике полосно-пропускающих фильтров полос прозрачности вблизи нечетных гармоник основного сигнала на частотах (2n+1)f, а в автогенераторе - к паразитным автоколебаниям на нечетных гармониках основного сигнала.
Задача исключения этих недостатков в полосно-пропускающих фильтрах решается установкой фильтров низких частот или режекторных фильтров, настроенных на подавление полос прозрачности на частотах, кратных нечетным значениям центральной частоты АЧХ. Данный метод приводит к необходимости разработки дополнительных частотно-избирательных СВЧ-устройств, увеличивает габариты и массу приборов.
Задача исключения паразитных автоколебаний в транзисторных автогенераторах решается за счет создания условий самовозбуждения только на основной частоте. Данный метод обеспечивается, как правило, за счет введения частотно-избирательных цепей в обратную связь или связь с нагрузкой.
Известна колебательная система на основе воздушного резонатора, образованного коаксиальной линией со ступенчатой нерегулярностью в наружном или внутреннем проводнике с неэквидистантным расположением собственных частот [3]. Данные резонаторы имеют значительные габариты и массу, низкую механическую прочность и высокую трудоемкость изготовления. Построение на их основе полосно-пропускающих фильтров и транзисторных автогенераторов приводит к значительным по сравнению с полосно-пропускающими фильтрами и автогенераторами на коаксиальных керамических резонаторах габаритам и массе.
Техническим результатом предложенного изобретения является возможность построения малогабаритной колебательной системы с неэквидистантным расположением собственных частот для построения полосно-пропускающих фильтров без паразитных полос пропускания вблизи нечетных значений частот, кратных низшей собственной частоте резонатора, и транзисторных автогенераторов без паразитных сигналов на нечетных гармониках основного сигнала.
Технический результат достигается тем, что в колебательной системе на основе коаксиального керамического резонатора для устранения эквидистантности собственных частот коаксиальный керамический резонатор выполнен составным из двух отрезков коаксиальных линий с равными диаметрами наружного и внутреннего проводников, причем отрезки изготовлены из керамических материалов с разными диэлектрическими проницаемостями и равными электрическими длинами, один из отрезков короткозамкнут на конце, а соединенные друг с другом открытые концы в области стыка гальванически связаны по внутренним и наружным проводникам.
Изобретение поясняется следующими рисунками:
Фигура 1. Колебательная система на основе коаксиального керамического резонатора.
0
Фигура 2. График расстановки собственных частот коаксиального керамического резонатора при основной частоте f=1 ГГц.
Фигура 3. Колебательная система на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью внутреннего (а) и внешнего (б) проводника.
Фигура 4. График расстановки собственных частот колебательной системы на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью.
Фигура 5. Предлагаемая колебательная система на основе составного коаксиального керамического резонатора.
а
b
а
b
0
Фигура 6. Графики зависимостей относительного отклонения второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора от отношения электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий для ε/ε=0.4 (а) и ε/ε=2.5 (б) при основной частоте f=1 ГГц.
a
b
а
b
0
Фигура 7. Графики расстановки собственных частот колебательных системы на основе составного коаксиального керамического резонатора для ε/ε=0.4 (а) и ε/ε=2.5 (б), при основной частоте f=1 ГГц.
На фигуре 1 показан внешний вид колебательной системы на основе коаксиального керамического резонатора. Геометрическая длина коаксиального керамического резонатора l определяет спектр собственных колебаний как
0
0
где ω - частота, µ и ε - магнитная и электрическая постоянные, ε - относительная диэлектрическая проницаемость керамического материала.
На фигуре 2 показана расстановка собственных частот коаксиального керамического резонатора, каждая из которых определяется как
На фигуре 3 показана колебательная система на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью внутреннего (а) и внешнего (б) проводника. Геометрическая длина отрезков коаксиальных линий и параметр нерегулярности m определяют спектр собственных колебаний как [3]
а
b
a
b
a
b
где l и l - длины короткозамкнутого и разомкнутого отрезков коаксиальной линии, W и W - волновые сопротивления, m=W/W - параметр нерегулярности, с - скорость света.
На фигуре 4 показана расстановка собственных частот коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью, каждая из которых определяется при решении трансцендентного уравнения резонанса (3).
а
b
а
b
На фигуре 5 показана предлагаемая колебательная система на основе коаксиального керамического резонатора, выполненного составным из отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий. Геометрическая длина закороченного l и разомкнутого l отрезков коаксиальных линий и отношение их относительных диэлектрических проницаемостей ε и ε определяют спектр собственных колебаний как
0
1
0
a
b
а
b
0
На фигуре 6 показаны зависимости относительного отклонения второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора Δ=(3f-f)/f от отношения электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий для ε/ε=0.4 (а) и ε/ε=2.5 (б) при основной частоте f=1 ГГц. Таким образом, можно видеть, что максимальное отклонение второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора достигается при равенстве электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий, являющихся составными частями составного коаксиального керамического резонатора.
а
b
а
b
На фигуре 7 показаны расстановки собственных частот колебательных систем на основе составного коаксиального керамического резонатора, построенных из отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий равной электрической длины для ε/ε=0.4 (а) и ε/ε=2.5 (б), каждая из которых определяется как
где
Применение составного коаксиального керамического резонатора позволяет обеспечить неэквидистантную расстановку собственных частот колебательной системы, ее малые габариты и массу, высокую температурную стабильность и механическую прочность, удобство включения в микрополосковые схемы полосно-пропускающих фильтров и стабилизированных транзисторных автогенераторов, улучшение фильтрующих свойств существующих полосно-пропускающих фильтров и стабилизированных транзисторных автогенераторов на основе коаксиальных керамических резонаторов за счет замены коаксиальных керамических резонаторов на составные коаксиальные керамические резонаторы без изменения способов установки в схемы этих устройств при сохранении параметров устройств на основной частоте.
Литература
1. ВЧ- и СВЧ-керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог продукции. Санкт-Петербург. ООО «Керамика». 2004.
2. В.А. Козлов, А.Л. Кунилов, Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков, Л.С. Ухватова, Д.Р. Шишкин. Применение коаксиальных керамических резонаторов в устройствах СВЧ-диапазона. Антенны и функциональные узлы СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Методы расчета и технология изготовления / под ред. А.Ю. Седакова. М., «Радиотехника», 2011. С. 98-103.
3. Б.С. Воинов. Широкодиапазонные колебательные системы СВЧ. М., Изд-во «Сов. радио», 1973.