РЕЗОНАТОР НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЛН

Предлагаемая модель относится к электромагнитным резонаторам и может быть использовано для возбуждения нелинейных волн.
Экспериментальные исследование нелинейных волн в нелинейных линиях передачи с дисперсией были проведены Лонгреном (1).
Линии передачи, на которых проводились исследования, содержат большое число (от 50 до 900) одинаковых звеньев. Нелинейными элементами в звеньях служат либо диоды, емкость которых является нелинейной функцией запирающего напряжения смещения (варикапы), либо катушки индуктивности с насыщающимися ферромагнитными сердечниками, индуктивность которых является нелинейной функцией тока. Для уменьшения количества звеньев использовался дополнительный конденсатор, добавленный для увеличения дисперсии сверх той, которая обусловлена дискретностью параметров длинной линии и межвитковыми емкостями.
Таким образом, наиболее близким техническим решением для заявленного резонатора является резонатор нелинейных волн, содержащий отрезки длинной линии передачи (1).
Однако ограничением известного технического решения является то, что оно имеет сложную конструкцию, характеризуемую большим числом одинаковых звеньев, и кроме того, такой резонатор предназначен только для исследования основных свойств и характеристик нелинейных волн и не может быть использован для исследования изменения свойств этих волн при внешнем возмущающем воздействии непосредственно на резонатор.
Решаемая моделью задача - расширение функциональных возможностей.
Технический результат, который может быть получен при выполнении резонатора, - упрощение его конструкции и уменьшение габаритов, а также обеспечение возможности исследования анализа структуры различных материалов.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата к известном резонаторе нелинейных волн, содержащем отрезки длинной линии передачи, согласно модели число отрезков длинной линии передачи выбрано равным четырем, в каждом отрезке линия передачи свернута к спираль, первый и второй отрезок длинной линии передачи соединены последовательно и включены встречно один другому, а их свободные концы являются входами резонатора, третий и четвертый отрезки длинной линии передачи также соединены последовательно
один с другим и включены встречно между собой, причем линия передачи первого отрезка электромагнитно связана с линией передачи третьего отрезка, а линия передачи второго отрезка электромагнитно связана с линией передачи четвертого отрезка, свободные концы третьего и четвертого отрезков длинной линии передачи предназначены для подключения нагрузки.
Возможны дополнительные варианты выполнения заявленной модели в которых целесообразно, чтобы:
- отрезки длинной линии передачи были образованы диэлектрическим каркасом, выполненным в виде полого цилиндра, и проводниками намотанными на нем;
- первый и третий отрезки длинной линии передачи были выполнены с противоположным направлением намотки
- второй и четвертый отрезки длинной линии передачи были выполнены с противоположным направлением намотки;
- генератор, предназначенный для подключения к входам резонатора, представлял собой автоколебательный мультивибратор, коллекторными нагрузками которого являлись соответственно первый и второй отрезки длинной линии передачи;
- автоколебательный мультивибратор представлял собой симметричный мультивибратор:
- между базой и коллектором одного из транзисторов мультивибратора была включена электрическая цепь из последовательно соединенных ключа и резистора, предназначенная для запуска;
- между базой и эмиттером одного из транзисторов мультивибратора был включен светодиод для индикации его работы.
За счет выполнения резонатора из четырех отрезков длинной линии передачи и подсоединения их описанным выше образом удалось решить поставленную задачу.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей модели поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые рисунки.
Фигура 1 изображает резонатор нелинейных волн с генератором, подключенным к его входам;
фиг.2 - направление обмоток отрезков длинной линии передачи;
фиг.3 - продольное сечение резонатора с диэлектрическим каркасом.
Резонатор 1 нелинейных волн (фиг.1, 2) выполнен на отрезках длинной линии передачи. Число отрезков 2, 3, 4, 5 длинной линии передачи выбрано равным четырем. В каждом отрезке 2, 3, 4, 5 линия передачи свернута в спираль. Первый
отрезок 2 и второй отрезок 3 соединены последовательно и включены встречно один другому, а их свободные концы являются входами резонатора 1 и предназначены для подключения генератора 6. Третий отрезок 4 и четвертый отрезок 5 соединены последовательно один с другим и включены встречно между собой. Линия передачи первого отрезка 2 электромагнитно связана с линией передачи третьего отрезка 4. Линия передачи второго отрезка 3 электромагнитно связана с линией передачи четвертого отрезка 5. Свободные концы третьего отрезка 4 и четвертого отрезка 5 длинной линии передачи предназначены для подключения нагрузки 7 (на фиг.1 показана пунктиром, поскольку в качестве нагрузки может быть использована окружающая среда, в этом случае свободные концы отрезков 4 и 5 замкнуты).
Резонатор 1 может быть выполнен и бескаркасным, в воздушном исполнении. Однако, для удобства намотки спирали отрезки 2-5 длинной линии передачи могут быть образованы диэлектрическим каркасом 8, выполненным в виде полого цилиндра, и проводниками намотанными на нем. На фигуре 3 показано расположение витков спирали для отрезков 2-5. выполненных из проводников, например из изолированного провода.
Для улучшения условий возбуждения нелинейных волн и уменьшения габаритов резонатора I первый и третий отрезки 2, 4 длинной линии передачи могут быть выполнены с противоположным направлением намотки (фиг.2). Аналогично, второй и четвертый отрезки 3, 5 длинной линии передачи могут быть выполнены также с противоположным направлением намотки.
Генератор 6 (фиг.1), предназначенный для подключения к входам резонатора 1, может быть выполнен по схеме автоколебательного мультивибратора, коллекторными нагрузками транзисторов 9 которого являются соответственно первый отрезок 2 и второй отрезок 3 длинной линии передачи. Генератор 6 может быть выполнен и на базе других схемотехнических решений, в частности могут быть использованы два блокинг-генератора, подсоединенные симметрично и т.п. В частности автоколебательный мультивибратор (фиг.1) может представлять собой симметричный мультивибратор, что дополнительно упрощает техническое решение в целом.
Между базой и коллектором одного из транзисторов 9 мультивибратора может включена электрическая цепь из последовательно соединенных ключа 10 и резистора 11. Такая цепь предназначена для гарантированного запуска генератора 6.
Между базой и эмиттером одного из транзисторов 9 мультивибратора может быть включен светодиод 12. Светодиод 12 служит для индикации работы генератора
6, а также чтобы исключить помехи при проведении исследований в случае каких-либо сбоев в работе генератора 6.
Работает резонатор 1 следующим образом.
Также, как в известном техническом решении, резонатор 1 построен на отрезках длинной линии передачи, однако число таких отрезков 2-5 удалось сократить до четырех, что обусловлено сворачиванием линии передачи в спираль и. описанным выше, соответствующим подключением отрезков 2-5.
Поскольку все четыре отрезка 2-5 длинной линии передачи расположены на одном воздушном сердечнике, (а общем случае μ=1, σ=1) или на диэлектрическом каркасе 8 путем их намотки четырьмя проводами одновременно, то при запуске генератора 6 такая конструкция в силу распределенной связи между всеми отрезками длинной линиями передачи реализует параметрическую связь между уравнением КДВ и уравнением синус-Гордона (1). Решение уравнения синус-Гордона периодически меняет граничные условия уравнения КДВ, приводя его решение к Фурье спектру, содержащему большое количество гармоник.
При снятии экспериментальных характеристик посредством Фурье анализатора была получена последовательность нелинейных волн, аналогичных полученным Лонгреном (1)..
Однако по сравнению с известным резонатором заявленная модель имеет расширенные функциональные возможности.
Так, в заявленной модели изменение спектральных характеристик нелинейных волн при взаимодействии электромагнитного поля с исследуемыми веществами может быть использовано для анализа структуры различных веществ. Для этого исследуемое вещество вводится во внутреннее пространство, образованное воздушным сердечником или диэлектрическим каркасом 8. При снятии посредством Фурье анализатора частотных характеристик нелинейных волн возможно в отличие от известных способов томографических исследований обнаружить, что спектр нелинейных волн отличен даже для одинаковых материалов, но взятых из различных партий выпуска.
Резонатор 1 может быть реализован в простом конструктивном выполнении. Первый и второй отрезки 2, 3 длинной линии передачи го двух обмоток по 6 витков каждая, наматываются радиусом 20 мм навстречу друг другу. Третий и четвертый отрезки 4, 5 из двух обмоток по 12 витков каждая, наматываются аналогично.
Для генератора 6 в качестве транзисторов 9 могут быть использованы транзисторы КТ 803 А, КТ 903 А, емкости C1, C2 - 600-800 пф резистор И - 1 к.
Наиболее успешно заявленный резонатор нелинейных волн может быть использован при исследовании характеристик и свойств веществ в интраскопии для биологии, медицины, химии, фармацевтической промышленности, металлургии, а также в автоматизированном производстве различных материалов при сравнении их характеристик с эталонными.
Источники информации:
1. «Солитоны в действии», под ред. К.Лонгрена и Э.Скотта, изд-во Мир». Москва, 1981 т. стр.138-159