Устройство для измерения собственной добротности диэлектрического резонатора
APPARATUS FOR MEASURING INTRINSIC QUALITY FACTOR OF DIELECTRIC RESONATOR

Изобретение относится к СВЧ технике и предназначено для измерения селективных свойств высокодобротных миниатюрных открытых диэлектрических резонаторов.
Известно устройство для измерения собственной добротности 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 способа является высокая погрешность измерения при 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 H 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 устройства для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора является сложный процесс настройки измерительного устройства.
Технической задачей предлагаемого устройства для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора является упрощение процесса настройки измерительного устройства
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора при упрощении процесса измерения.
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 металлической стенкой и диэлектрическим стержнем, на котором укреплен открытый диэлектрический резонатор, объемный металлический резонатор выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением тождественным поперечному сечению отрезка волновода и с длиной L равной длине волны λ в волноводе на резонансной частоте объемного металлического резонатора, установлен продольно на конце отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением и отделен от него прикрепленной на торце металлической стенкой, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси отрезка волновода с прямоугольным поперечным сечением, элемент связи выполнен в виде отверстия в стенке в виде щели, параллельной широкой стенке объемного металлического резонатора, открытый диэлектрический резонатор размещен в центре поперечного сечения и продольного размера объемного металлического резонатора, широкая стенка открытого диэлектрического резонатора установлена перпендикулярно плоскости широкой стенки объемного металлического резонатора, ось диэлектрического стержня параллельна плоскости широкой стенки открытого диэлектрического резонатора, а диэлектрический стержень установлен в отверстии в широкой стенке объемного металлического резонатора с возможностью его вращения вокруг оси диэлектрического стержня, диаметр диэлектрического стержня выбран равным меньшему размеру открытого диэлектрического резонатора, выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью на порядок меньшей диэлектрической проницаемости открытого диэлектрического резонатора, и с тангенсом угла диэлектрических потерь не больше тангенса угла диэлектрических потерь открытого диэлектрического резонатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, на фиг. показана частотная зависимость коэффициента отражения волны в прямоугольном волноводе, связанном с металлическим резонатором (МР) с собственной добротностью  и открытым диэлектрическим резонатором (ДР) с собственной добротностью  при отсутствии электромагнитной связи между ними, а на фиг. 3 приведена частотная зависимость коэффициента отражения волны в прямоугольном волноводе, связанном с МР с собственной добротностью  и открытым ДР с собственной добротностью  при наличии связи.
Устройство для измерения собственной добротности открытого диэлектрического резонатора, содержит отрезок волновода 1 с прямоугольным попе- речным сечением, электромагнитно связанный с объемным металлическим резонатором 2 через элемент связи 3, и размещенный в объемном металлическом резонаторе открытый диэлектрический резонатор 4 с низшим Н-видом колебания с резонансной частотой равной резонансной частоте объемного металлического резонатора 2. Объемный металлический резонатор 2 выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением тождественным поперечному сечению отрезка волновода 1 и с длиной L равной длине волны λ в волноводе на резонансной частоте объемного металлического резонатора 2, Объемный металлический резонатор 2 установлен продольно на конце отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением и отделен от него прикрепленной на торце металлической стенкой 5, вращающейся вокруг продольной оси отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением, с элементом связи 3 в виде отверстия в стенке 5 в виде щели, параллельной широкой стенке 6 объемного металлического резонатора 2. Открытый диэлектрический резонатор 4 размещен в центре поперечного сечения и продольного размера объемного металлического резонатора 2, широкая стенка 7 открытого диэлектрического резонатора 4 перпендикулярна плоскости широкой стенки 6 объемного металлического резонатора 2. Открытый диэлектрический резонатор 4 укреплен на диэлектрическом стержне 8, ось которого параллельна плоскости широкой стенки 8 открытого диэлектрического резонатора 4 и который установлен в отверстии 9 в широкой стенке 6 объемного металлического резонатора 2 с возможностью его вращения вокруг оси диэлектрического стержня 8, который имеет диаметр равный меньшему размеру открытого диэлектрического резонатора 4, выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью на порядок меньшей диэлектрической проницаемости открытого диэлектрического резонатора 4, и с тангенсом угла диэлектрических потерь не больше тангенса угла диэлектрических потерь открытого диэлектрического резонатора 4.
Устройство для измерения собственной добротности объемного металлического резонатора работает следующим образом.
Подключение конца волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением к порту панорамного анализатора цепей обеспечивает измерение амплитудно-частотной характеристики коэффициента отражения
102
Измерение собственной добротности открытого диэлектрического резонатора 4 основано на предварительном измерении собственной добротности объемного металлического резонатора 2 с размещенным в нем открытым диэлектрическим резонатором 4, но при отсутствии электромагнитной связи между колебаниями в металлическом 2 и диэлектрическом 4 резонаторах, т.е. отсутствии возбуждения колебаний в открытом диэлектрическом резонаторе 4, что соответствует и индицируется по виду амплитудно-частотной характеристики щтраженной волны в прямоугольном волноводе 1, имеющей вид «одногорбой» кривой (фиг. 2). Требуемый вид частотной зависимости достигается выбором ориентации открытого диэлектрического резонатора 4 при его вращении на угол в пределах ±10° вокруг оси диэлектрического стержня 8. Отсутствие электромагнитной связи между колебаниями в металлическом 2 и диэлектрическом 4 резонаторах соответствует углу 0° ориентации плоскости широкой стенки 7 открытого диэлектрического резонатора 4 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 Η, 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.
По частотной зависимости определяется собственная добротность  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 α волны в волноводе с прямоугольным сечением по формуле
11
1
2
Затем измеряется добротность частотной зависимости коэффициента отражения на частоте связи резонансной кривой. Режим частотной связи достигается изменением ориентации при вращении открытого диэлектрического резонатора 4 в объемном металлическом резонаторе 2 с помощью стержня 7 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 на частотах связи ω и ω.
1
2
0
св 0
Этот режим связи, т.е. частоты 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
1
2
где  ω - частота связи 1 или 2 «двугорбой» кривой,  ширина полосы частот связи «двугорбой» кривой на уровне половинной мощности,  - 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
102
Размещение открытого диэлектрического резонатора 4 в центре объемного металлического резонатора 2 на расстояниях равных половине длин волн на резонансной частоте колебания вида Н от проводящих поверхностей поперечной стенок 5 и противоположной границы объемного металлического резонатора 2, соответствующее минимуму электрической составляющей колебаний в нем, обеспечивает минимальное искажение собственной добротности объемного металлического резонатора 2 при учете вносимых диэлектрических потерь, связанных с тангенсом угла диэлектрических потерь объемного диэлектрического резонатора 4.
1
2
Установка объемного металлического резонатора 2 продольно на конце отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением и отделение от него прикрепленной на торце металлической стенкой 5, вращающейся вокруг продольной оси отрезка волновода 1 с прямоугольным поперечным сечением, с отверстием 3 в виде щели в стенке 5, параллельной широкой стенке 6 объемного металлического резонатора 2, обеспечивает максимальную электромагнитную связь объемного металлического резонатора 2 и отрезка волновода 1, а также возможность регулировки уровней резонансных частотных зависимостей на частотах связи ω и ω. При этом достижение критической связи, соответствующей уровням затухания на частотах связи больших 25…30 дБ коэффициентов отражения, уменьшает погрешность определения уровней половинной мощности, на котором измеряются полосы пропускания резонансных кривых, и, соответственно, повышает достоверность проводимых измерений добротностей открытых диэлектрических резонаторов 4.
Использование изобретения позволяет достоверно и просто измерить собственную добротность высокодобротного (с добротностью выше 10000) открытого диэлектрического резонатора при упрощении процесса настройки измерительного устройства.