УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОБСТВЕННОЙ ДОБРОТНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
DEVICE FOR MEASURING THE INHERENT QUALITY OF A DIELECTRIC RESONATOR

Изобретение относится к СВЧ технике и предназначено для измерения селективных свойств высокодобротных миниатюрных открытых диэлектрических резонаторов.
Известно устройство для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, состоящее из отрезка полого металлического волновода прямоугольного сечения, согласованного на концах, и открытого диэлектрического резонатора, размещенного в полом согласованном металлическом волноводе.
Измерение собственной добротности диэлектрического резонатора проводится на основе измерения ширины резонансной кривой коэффициента прохождения на уровне половинной мощности с последующим расчетном учете вносимых потерь за счет токов в стенках линии передачи (Алексейчик Л.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Измерение параметров диэлектриков на СВЧ методом диэлектрического резонатора. Труды МЭИ, вып. 557, 1981, с. 114-118).
Недостатком устройства является высокая погрешность измерения высокой собственной добротности (малом тангенсе угла диэлектрических потерь) открытого диэлектрического резонатора.
101
Наиболее близким к заявленному является устройство для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, содержащее отрезок полого волновода, электромагнитно связанного через элемент связи с объемным металлическим резонатором с Н видом колебания и размещенным внутри полого металлического резонатора в точке максимума магнитного поля открытым диэлектрическим резонатором с равными резонансными частотами (Труды МЭИ, вып. 464, 1980, с. 81-85).
Недостатком известного устройства для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора является ухудшение точности измерения собственной добротности диэлектрического резонатора за счет вносимых потерь в результате размещения его вблизи металлической стенки объемного металлического резонатора, в которой наблюдается максимум магнитного поля объемного металлического резонатора, а также влияния нерезонансного возмущения, искажающего вид резонансной кривой.
Технической задачей предлагаемого устройства для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора является повышение точности измерения.
Техническим результатом изобретения является упрощение процесса измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора.
Это достигается тем, что известное устройство измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, содержащее отрезок волновода с прямоугольным поперечным сечением, электромагнитно связанный с объемным металлическим резонатором через элемент связи, и размещенный в объемном металлическом резонаторе открытый диэлектрический резонатор с низшим Н-видом колебания с резонансной частотой, равной резонансной частоте объемного металлического резонатора, снабжено вторым элементом связи, объемный металлический резонатор выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением, тождественным поперечному сечению отрезка волновода и с длиной, равной длине волны λ в волноводе на резонансной частоте объемного металлического резонатора, и установлен продольно на внешней поверхности широкой стенки отрезка волновода, открытый диэлектрический резонатор размещен в центре поперечного сечения и продольного размера объемного металлического резонатора, широкая стенка открытого диэлектрического резонатора перпендикулярна плоскости общей стенки отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением и объемного металлического резонатора, открытый диэлектрический резонатор укреплен, например, с помощью клея, на диэлектрическом стержне, ось которого параллельна плоскости широкой стенки открытого диэлектрического резонатора, который установлен в отверстии в стенке объемного металлического резонатора противоположной общей стенке объемного металлического резонатора и отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением с возможностью его вращения вокруг оси стержня, стержень имеет диаметр, равный размеру меньшего из размеров открытого диэлектрического резонатора, выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью, на порядок меньшей диэлектрической проницаемости открытого диэлектрического резонатора, и с тангенсом угла диэлектрических потерь не хуже тангенса угла диэлектрических потерь открытого диэлектрического резонатора, элемент связи отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением с объемным металлическим резонатором выполнен в общей стенке отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением и объемного металлического резонатора в точке, отстоящей в продольном направлении от центра объемного металлического резонатора на половину длины волны на резонансной частоте, а второй элемент связи выполнен в общей стенке в точке, отстоящей в продольном направлении от элемента связи на четверть длины волны на резонансной частоте объемного металлического резонатора.
M0
0
Сущность изобретения поясняется чертежами, где фиг. 1 представлено устройство измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, на фиг 2 показана частотная зависимость коэффициента отражения волны в прямоугольном волноводе, связанном с металлическим резонатором (MP) с собственной добротностью Q=4000 и открытым диэлектрическим резонатором (ДР) с собственной добротностью Q=10000 при отсутствии электромагнитной связи между ними, на фиг. 3 - при наличии связи и на фиг. 4 приведена иллюстрация характера электромагнитной связи между отрезком прямоугольного волновода и металлическим резонатором в измерительном устройстве.
Устройство измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора содержит отрезок волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением, электромагнитно связанный с объемным металлическим резонатором 2 через элемент связи 3, и вторым элементом связи 4. Объемный металлический резонатор 2 выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением тождественным поперечному сечению отрезка волновода 1 и с длиной, равной длине волны λ, в отрезке волновода 1 на резонансной частоте объемного металлического резонатора 2, и установлен продольно на внешней поверхности широкой стенки 5 отрезка волновода 1.
Открытый диэлектрический резонатор 6 с низшим Н-видом колебания с резонансной частотой равной резонансной частоте объемного металлического резонатора 2 размещен в центре поперечного сечения и продольного размера объемного металлического резонатора 2, широкая стенка 7 открытого диэлектрического резонатора 6 перпендикулярна плоскости общей широкой стенки 5 отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением и объемного металлического резонатора 2. Открытый диэлектрический резонатор 6 укреплен, например, с помощью клея, на диэлектрическом стержне 8, ось которого параллельна плоскости широкой стенки 9 открытого диэлектрического резонатора 6. Диэлектрический стержень 8 установлен в отверстии 9 в широкой стенке 10 объемного металлического резонатора 2, противоположной общей широкой стенке 5 объемного металлического резонатора 2 и отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением. Диэлектрический стержень 8 установлен с возможностью его вращения вокруг оси стержня, стержень имеет диаметр, равный меньшему из размеров открытого диэлектрического резонатора 6, выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью, на порядок меньшей диэлектрической проницаемости открытого диэлектрического резонатора 6, и с тангенсом угла диэлектрических потерь не больше тангенса угла диэлектрических потерь открытого диэлектрического резонатора 6. Элемент связи 3 отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением с объемным металлическим резонатором 2 выполнен в общей стенке 5 отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением и объемного металлического резонатора 2 в точке, отстоящей от центра объемного металлического резонатора 2 в продольном направлении на половину длины волны на резонансной частоте, а второй элемент связи 4 выполнен в общей стенке 5 в точке, отстоящей от элемента связи 3 в продольном направлении на четверть длины волны на резонансной частоте объемного металлического резонатора 2.
Устройство для измерение собственной добротности открытого диэлектрического резонатора работает следующим образом.
Подключение концов волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением к портам панорамного анализатора цепей обеспечивает измерение амплитудно-частотной характеристики коэффициента отражения и прохождения в волноводе 1.
102
Измерение собственной добротности открытого диэлектрического резонатора 6 основано на предварительном измерении собственной добротности объемного металлического резонатора 2 с размещенным в нем открытым диэлектрическим резонатором 6, но при отсутствии электромагнитной связи между колебаниями в металлическом 2 и диэлектрическом 6 резонаторах, т.е. отсутствии возбуждения колебаний в открытом диэлектрическом резонаторе 6, что соответствует и индицируется по виду амплитудно-частотной характеристики волн в прямоугольном волноводе 1, имеющей вид «одногорбой» кривой (фиг. 2). Требуемый вид частотной зависимости достигается выбором ориентации открытого диэлектрического резонатора 6 при его вращении на угол в пределах ±10° вокруг оси диэлектрического стержня 8. Отсутствие электромагнитной связи между колебаниями в металлическом 2 и диэлектрическом 6 резонаторах соответствует углу 0° ориентации плоскости широкой стенки 7 открытого диэлектрического резонатора 6 относительно плоскости поперечного сечения объемного металлического резонатора 2. Это соответствует структуре электромагнитного поля в центре поперечного сечения и продольного размера объемного металлического резонатора 2, соответствующей точке максимума магнитного поля с электромагнитными колебаниями вида H, где индексы 1,0 и 2 определяет число вариаций напряженностей поля, соответственно, вдоль поперечных осей х, у и продольной оси z системы координат объемного металлического резонатора 2.
M0
По частотной зависимости определяется собственная добротность Q объемного металлического резонатора, которая получается по формуле
0
0,5
где  ω - центральная частота одногорбой кривой, Δω - ширина полосы частот «одногорбой» кривой на уровне половинной мощности коэффициентов матрицы рассеяния, β - коэффициент связи объемного металлического резонатора с волноводом с прямоугольным сечением, рассчитываемый по уровню коэффициента отражения а волны в волноводе с прямоугольным сечением по формуле
11
12
1
2
Затем измеряется добротность частотной зависимости коэффициента отражения (или прохождения) на частоте связи резонансной кривой. Режим частотной связи достигается изменением ориентации при вращении открытого диэлектрического резонатора 6 в объемном металлическом резонаторе 2 с помощью стержня 8 на угол в пределах плюс/минус 10 градусов.. Этим достигается резонансная связь открытого диэлектрического 6 и металлического 2 резонаторов, которая индицируется по виду амплитудно-частотной характеристики волн в прямоугольном волноводе 1 и устанавливается в требуемом виде «двугорбой кривой» (фиг. 3) с равными в пределах различия до 1% уровнями коэффициентов отражения S (или прохождения S) на частотах связи ω и ω.
1
2
0
св0
Этот режим связи ω и ω соответствует симметричной отстройке частот связи относительно центральная частота одногорбой кривой ω. Измеряются добротности Q для амплитудно-частотных кривых на частотах связи, которые рассчитываются по формулам
1,2
0,5
1,2
св1,2
1
2
где  ω - частота связи 1 или 2 «двугорбой» кривой, (Δω) - ширина полосы частот связи «двугорбой» кривой на уровне половинной мощности, β - коэффициенты связи на частотах связи 1 и 2, рассчитываемые по уровню коэффициента отражения α=α волны в волноводе с прямоугольным сечением по формуле
0
На основании полученных данных, расчетным путем определяется собственная добротность Q открытого диэлектрического резонатора 6 по формуле
Для уменьшения искажений структуры полей открытого диэлектрического резонатора 6 он укреплен на диэлектрическом стержне 8, который имеет диаметр равный меньшему из размеров открытого диэлектрического резонатора 6 и выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью на порядок меньшей диэлектрической проницаемости открытого диэлектрического резонатора 6, Тангенс угла диэлектрических потерь стержня 8 должен быть не хуже ожидаемого тангенса угла диэлектрических потерь открытого диэлектрического резонатора 6, что, в сочетании с малыми в сравнениями с размерами открытого диэлектрического резонатора 6, размерами стержня 8 ограничивает вносимые потери и уменьшает погрешность измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора 6.
1
2
Измерения собственной добротности объемного металлического резонатора 2 и резонансных кривых на частотах связи ω и ω проводятся с применением системы из двух элементов связи 3 и 4, отстоящих друг относительно друга в продольном направлении (вдоль продольной оси отрезка прямоугольного волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением) на четверть длины волны на резонансной частоте в объемном металлическом резонаторе 2 и в полом волноводе 1 с прямоугольным поперечном сечением
р
р
Такое размещение элементов связи 3 и 4 обеспечивает уменьшение нерезонансного возмущения, вносимого элементом связи 3. Это достигается тем, что волна в волноводе 1 отражается от элементов связи 3 и 4 и распространяется в обратном направлении. При этом волны отраженные от элементов связи 3 и 4 в референсных плоскостях левее элемента связи 3 - противофазны ввиду продольной разницы расстояний между ними равного 0,25 λ, где λ - длина волны в волноводе 1 и объемном металлическом резонаторе 2. Уменьшение нерезонансного возмущения иллюстрирует фиг. 3, на котором кривая «а» соответствует действию элемента связи 3, а кривая «б» - показывает вид кривой отражения при действии двух элементов связи 3 и 4.
Использование устройства измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора позволяет обеспечить повышение точности измерения при упрощении процесса измерения, достоверно с помощью простых операций измерения собственной добротности высокодобротного (с добротностью выше 10000) открытого диэлектрического резонатора.