КОАКСИАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР
COAXIAL RESONATOR

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено, например, для создания частотно-селективных устройств СВЧ, задающих цепей автогенераторов и др.
Известна конструкция коаксиального резонатора [С.И.Орлов // Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. - М.: Сов. радио, 1970. - 256 с. Стр.32], образованного отрезком коаксиальной линии. Резонатор представляет собой короткозамкнутый с одной стороны отрезок коаксиальной линии с воздушным заполнением.
Недостатком резонатора является его сравнительно большие габариты на частотах метрового диапазона длин волн.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является диэлектрический коаксиальный резонатор [Ю.М.Безбородов, С.И.Каленичий, Т.Н.Нарытник, В.Г.Цикалов // Коаксиальные диэлектрические резонаторы и устройства на их основе. Обзоры по электронной технике. Серия 1. СВЧ-техника. Выпуск 2 (1662) - М.: ЦНИИ «Электроника», 1992 - 38 с. Стр. 24. (Прототип)]. Он содержит корпус - экран, внутри которого расположен отрезок коаксиального волновода, заполненного диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью, проводники которого с одной стороны замкнуты на экран.
Такой резонатор за счет большей взаимной емкости проводников коаксиальной линии имеет меньшие размеры по сравнению с первым аналогом, однако его добротность при этом меньше.
Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров коаксиального резонатора, увеличение его добротности, а также увеличение отношения частоты второго резонанса к частоте первого.
Указанный технический результат достигается тем, что в коаксиальном диэлектрическом резонаторе, содержащем корпус - экран, внутри которого расположен отрезок коаксиального волновода, заполненного диэлектриком, новым является то, что внешний и внутренний проводники коаксиального волновода замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что внешний и внутренний проводники коаксиального волновода замкнуты одним концом на экран с противоположных сторон. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Известно, что коаксиальные резонаторы находят широкое применение для создания частотно-селективных устройств и, в частности, фильтров в различной измерительной аппаратуре, системах связи, радиолокации и радионавигации. Вместе с тем традиционные конструкции коаксиальных резонаторов не позволяют разрабатывать на их основе устройства метрового диапазона длин волн (f<300 МГц) из-за значительных размеров и сравнительно низкой добротности на этих частотах.
Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция предлагаемого коаксиального резонатора. Фиг.2 - эквивалентные схемы заявляемого резонатора и резонатора-прототипа для нижайшей моды колебаний. Фиг.3 - сравнение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) заявляемого коаксиального резонатора и резонатора-прототипа. Фиг.4 - измеренная АЧХ заявляемого коаксиального резонатора. Фиг.5 - конструкция двухзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого коаксиального резонатора. Фиг.6 - измеренная амплитудно-частотная характеристика потерь на прохождение экспериментального двухзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого резонатора.
Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит корпус - экран 1, внутри которого находится отрезок коаксиального волновода, заполненного диэлектриком 2. При этом внешний 3 и внутренний 4 проводники коаксиального волновода замкнуты на экран одним концом с противоположных сторон.
Предложенная конструкция коаксиального резонатора позволяет значительно уменьшить размеры и повысить собственную добротность по сравнению с прототипом, а значит, и уменьшить габариты и вносимые потери фильтров на их основе. Кроме того, отношение частоты второго резонанса к частоте первого для такого резонатора значительно больше, чем у прототипа, что позволяет реализовывать фильтры с широкой полосой заграждения.
Как известно, значение собственной добротности любого электродинамического резонатора можно выразить через параметры эквивалентного ему колебательного контура:
где L и С - эквивалентные индуктивность и емкость, a R - эквивалентное активное сопротивление, характеризующие потери в резонаторе.
Для заявляемого коаксиального резонатора (Фиг.1) эквивалентная схема на сосредоточенных элементах вблизи частот первой (нижайшей) моды колебаний показана на Фиг.2а.
Резонансная частота первой моды заявляемого резонатора, соответствующая структуре электромагнитного поля с одинаково направленными токами в обоих проводниках, может быть выражена через параметры эквивалентного контура следующим образом:
а добротность резонатора определяется выражением:
Для резонатора-прототипа эквивалентная схема имеет вид, представленный на Фиг.2б, а соответствующие формулы имеют вид:
Понижение частоты и увеличение добротности заявляемого резонатора по отношению к резонатору-прототипу при одинаковых конструктивных параметрах можно охарактеризовать формулой:
Из формулы видно, что у заявляемого коаксиального резонатора при одинаковой его длине с прототипом резонансная частота ниже, или при одинаковой резонансной частоте - длина меньше, при этом также достигается выигрыш в добротности. В заявляемом резонаторе, как показали исследования, понижение частоты, увеличение добротности и увеличение отношения первых двух резонансных частот по сравнению с резонатором-прототипом, при прочих равных условиях, зависит от разности диаметров проводников: чем она меньше, тем больше указанные эффекты.
Заявляемый технический результат достигается следующим образом. На резонансной частоте конструкции, когда на длине каждого проводника укладывается четверть длины волны электромагнитного колебания, токи в проводниках резонатора имеют одинаковое направление, т.е. магнитное взаимодействие токов в резонаторе максимально. Следовательно, возрастает величина энергии, запасенная магнитным полем заявляемого резонатора по сравнению с резонатором-прототипом, в котором на нижайшей по частоте моде токи направлены противоположно. В результате за счет взаимодействия токов эквивалентная индуктивность заявляемого коаксиального резонатора будет значительно выше, чем у резонатора прототипа, а следовательно, будет выше его собственная добротность и ниже резонансная частота.
r
s
0
0
2
1
2
1
3
На Фиг.3 представлены измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) потерь на прохождение заявляемого коаксиального диэлектрического резонатора (сплошная линия) и резонатора-прототипа (штриховая линия), включенных со слабой связью в измерительный тракт. Отрезок коаксиальной линии был выполнен на основе материала с высокой диэлектрической проницаемостью ε=33. Остальные конструктивные параметры были следующими: длина резонатора l=12.5 мм, длина цилиндрических проводников l=12 мм, их диаметры d=2 мм и D=8.2 мм, корпус-экран имел форму прямоугольного параллелепипеда с внутренними размерами 13×13×12.5 мм. Видно, что заявляемая конструкция при прочих равных условиях имеет меньшую резонансную частоту и более высокую добротность (f=500 МГц и Q=200) по сравнению с резонатором-прототипом (f=700 МГц и Q=100), кроме того, отношение второй резонансной частоты к первой для нее больше (f/f=3.15), чем у прототипа (f/f=2.7), что подтверждает заявляемый технический результат.
r
s
2
1
1
3
Как показали проведенные исследования, уменьшение толщины диэлектрика в заявляемом резонаторе позволяет существенно увеличить отношение второй резонансной частоты к первой. Для подтверждения вышесказанного был изготовлен макет предлагаемого коаксиального резонатора, который имел следующие конструктивные параметры: диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика ε=33, длина резонатора l=35 мм, длина цилиндрических проводников l=34 мм, их диаметры d=3 мм и D=4 мм, корпус-экран имел форму прямоугольного параллелепипеда с внутренними размерами 35×24×15 мм. На Фиг.4 представлена измеренная АЧХ изготовленного резонатора, для которого отношение второй резонансной частоты к первой составило f/f≈9, что существенно больше, чем у известных конструкций коаксиальных резонаторов. При этом добротность первого резонанса составила Q=250, а его частота всего f=100 МГц, что при указанных габаритах является существенным достижением.
3
r
s
На Фиг.5 представлена конструкция изготовленного макета двухзвенного полосно-пропускающего фильтра на основе заявляемого коаксиального резонатора. Конструктивные параметры фильтра были следующими: размеры корпуса, являющегося общим для обоих резонаторов, 34×15×15 мм, расстояние между осями коаксиальных резонаторов S=20 мм, длина резонаторов l=15 мм, длина цилиндрических проводников l=14 мм, их диаметры d=3 мм и D=4 мм, диэлектрическая проницаемость материала ε=33.
3
0
0
На Фиг.6 представлена измеренная АЧХ изготовленного макета двухзвенного фильтра. Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Δf/f=2% (по уровню - 3 дБ) с центральной частотой f≈240 МГц и КСВ<1.4 в полосе пропускания. Видно, что использование заявляемого коаксиального диэлектрического резонатора позволяет получать высокие селективные свойства фильтра в метровом диапазоне длин волн при небольших размерах. Так полоса заграждения по уровню - 80 дБ составляет почти 3 октавы, а вносимые потери в полосе пропускания всего - 2 дБ.
Таким образом, на основе предложенного коаксиального резонатора можно создавать миниатюрные частотно-селективные устройства метрового диапазона длин волн с улучшенными электрическими характеристиками, которые могут найти применение в системах радиолокации, радионавигации, связи, в различной измерительной и специальной аппаратуре.