Объемный резонатор

Объемный резонатор

Объемный резонатор – это колебательная сверхвысокочастотная система. Объемный резонатор аналогичен колебательному контуру. Объемный резонатор имеет вид объема, который заполнен воздухом или любым другим диэлектриком. Подобный объем ограничен или пространством с определенными электромагнитными свойствами, или проводящей поверхностью. Полые объемные резонаторы считаются самыми распространенными. Они представляют собой полости, которые ограничены металлическими стенками. Поверхность, ограничивающая объемный резонатор, как правило, произвольной формы. За счет простоты конфигурации электрического и магнитного полей, несложности расчета и изготовления формы поверхности, т. е. по своему практическому распространению ограничивающая поверхность резонатора может быть цилиндрической, прямоугольной, параллелепипедной, сферической и др. форм. Многие объемные резонаторы выступают отрезками диэлектрических или полых волноводов, которые ограничены параллельными плоскостями.

Задача колебаний электромагнитного поля объемного резонатора решается выводом уравнений Максвелла. Для решения уравнений должны быть граничные условия, соответствующие вычислению.

Две параллельные отражающие плоскости возбуждают плоскую волну, перпендикулярную им. Волна, достигая одной из параллельных плоскостей, отражается от нее на другую плоскость. При подобном многократном отражении образуются волны, которые интерферируют, т. е. усиливаются или ослабляются, и распространяются в противоположных друг другу направлениях. При определенном расстоянии между параллельными плоскостями интерференция волн заканчивается формированием стоячей волны. Амплитуда стоячей волны возрастает при многократном отражении от плоскостей. Подобно тому, как в колебательном контуре при резонансе накапливается электромагнитная энергия, в объемном резонаторе электромагнитная энергия накапливается в пространстве между параллельными отражающими плоскостями. Теоретически, если в объемном резонаторе энергия не теряется, свободные колебания могут существовать еще долгое время. Но на практике существование колебаний неограниченное время невозможно, так как потери энергии в объемном резонаторе неизбежны. Потери энергии возникают за счет нагрева электрическими токами, которые индуцирует переменное магнитное поле, внутренних стенок резонатора. При наличии в стенках объемного резонатора отверстий, пересекающих линию тока, вне резонатора возбуждается новое электромагнитное поле. Это новое поле вызывает потерю энергии в резонаторе. Кроме этого, потери энергии возникают из-за связи с внешними цепями, или осуществляются в диэлектриках. В объемном резонаторе существует добротность, представляющая собой отношение энергии всего резонатора к тем потерям, которые происходят в течение периода колебаний. Качество объемного резонатора заметно улучшается, если добротность его находится на высоком уровне.

Объемные резонаторы используются в технике как колебательные системы магнетронов, генераторов, клистронов и т. д., как эталоны частоты, фильтры, измерительные контуры, исследующие устройства жидких, твердых и газообразных веществ.

Колебания объемного резонатора имеют свою классификацию. Группы формируются по следующим признакам: по тем компонентам, которые входят в состав пространственного распределения электромагнитного поля. Компоненты могут быть поперечными (радиальными) и осевыми. В колебаниях резонатора типа ТЕ, а также Н, магнитное поле обладает осевой компонентой. В колебаниях типа ТМ, а также Е, уже электрическое поле имеет осевую компоненту. В колебаниях типа ТЕМ ни магнитное, ни электрическое поля не имеют осевых компонентов. Такие колебания возбуждаются в полости между коаксиальными цилиндрами, ограниченной плоскими проводящими стенками, которые перпендикулярны оси цилиндра.

Одним из самых распространенных объемных резонаторов является цилиндрический резонатор. Колебания в таком резонаторе характеризуются тремя индексами, которые соответствуют числу полуволн магнитного или электрического полей.

Индексы укладываются соответственно диаметру, длине и окружности резонатора. Некоторые типы колебания в объемном цилиндрическом резонаторе не воспринимают контакт торцовых и цилиндрических стенок. Это происходит за счет того, что магнитные линии колебаний движутся в определенном направлении, при котором возбуждаются только токи окружности цилиндра. Щели в торцовых и боковых стенках, благодаря направленности магнитных силовых линий, становятся неизлучающими.

Прямоугольные объемные резонаторы часто используются в лабораторных условиях. В колебательной системе клистрона применяются резонаторы тороидальной формы.

Колебания в подобном резонаторе происходят при разделении в пространстве магнитного и электрического полей. Магнитное поле локализуется в тороидальной полости, а электрическое концентрируется в емкостном зазоре.

Необходимой частотой, при которой может работать объемный генератор, считается частота от 10⁹ до 10¹¹ Гц. Высокочастотные волны приводят к рассеиванию электромагнитной энергии, что можно устранить только с помощью системы зеркал открытых резонаторов.

В начале XX в. ученый О. Хевисайд назвал ионосферу Земли объемным резонатором. Полость резонатора заключает в себе человека, оказывает влияние на функционирование его организма. Электромагнитный объемный резонатор, по его утверждению, сформировался благодаря электрической проводимости поверхности Земли и так называемого низкого слоя Хевисайда. В объемном резонаторе существуют волны, которые возбуждаются магнитными процессами на Солнце и молниями.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.