Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Диэлектрический резонатор представляет собой часть диэлектрического (непроводящего) материала, как правило , керамику, которая предназначена для функции в качестве резонатора для радиоволн , как правило , в микроволновых и миллиметровых волнах полос. Микроволны удерживаются внутри материала резонатора за счет резкого изменения диэлектрической проницаемости на поверхности и отражаются назад и вперед между сторонами. На определенных частотах, резонансных частотах , микроволны образуют в резонаторе стоячие волны , колеблющиеся с большими амплитудами. Диэлектрические резонаторы обычно состоят из керамической «шайбы», имеющей большойдиэлектрическая проницаемость и низкий коэффициент рассеяния . Резонансная частота определяется общими физическими размерами резонатора и диэлектрической проницаемости материала.

Диэлектрические резонаторы функционируют аналогично объемным резонаторам , полым металлическим коробам, которые также широко используются в качестве резонаторов на микроволновых частотах, за исключением того, что радиоволны отражаются большим изменением диэлектрической проницаемости, а не проводимостью металла. На частотах миллиметрового диапазона металлические поверхности становятся отражателями с потерями, поэтому на этих частотах используются диэлектрические резонаторы. Основное применение диэлектрических резонаторов - электронные генераторы миллиметрового диапазона ( генератор диэлектрического резонатора , DRO ) для управления частотой генерируемых радиоволн. Они также используются как полосовые фильтры, а такжеантенны .

Исторический обзор [ править ]

В конце 19 века лорд Рэлей продемонстрировал, что бесконечно длинный цилиндрический стержень, сделанный из диэлектрического материала, может служить волноводом. [1] Дополнительные теоретические [2] и экспериментальные [3] работы, выполненные в Германии в начале 20 века, предложили дальнейшее понимание поведения электромагнитных волн в диэлектрических стержневых волноводах. Поскольку диэлектрический резонатор можно рассматривать как волновод с усеченным диэлектрическим стержнем, это исследование было важным для научного понимания электромагнитных явлений в диэлектрических резонаторах. В 1939 г. Роберт Д. Рихтмайер опубликовал исследование [4].в котором он показал, что диэлектрические структуры могут действовать как металлические полые резонаторы. Он уместно назвал эти конструкции диэлектрическими резонаторами . Рихтмайер также продемонстрировал, что при воздействии на свободное пространство диэлектрические резонаторы должны излучать из-за граничных условий на границе раздела диэлектрик-воздух. Эти результаты позже были использованы при разработке DRA ( диэлектрическая резонаторная антенна ). Из-за Второй мировой войныИз-за отсутствия современных материалов и соответствующих технологий производства диэлектрические резонаторы оставались в относительной безвестности еще на два десятилетия после публикации исследования Рихтмайера. Однако в 1960-х годах, когда начали развиваться высокочастотная электроника и современная промышленность связи, значение диэлектрических резонаторов приобрело значение. Они предложили размер снижающего конструкции альтернативу громоздких волноводных фильтров и более дешевые альтернативы для электронного генератора , [5] частотно - избирательное ограничитель [6] и медленная волна [6]схемы. Помимо стоимости и размера, другие преимущества диэлектрических резонаторов по сравнению с обычными металлическими резонаторами заключаются в меньшем весе, доступности материала и простоте изготовления. Сегодня на рынке имеется огромное количество различных диэлектрических резонаторов с добротностью без нагрузки порядка 10 000 с.

Теория работы [ править ]

В волноводах могут быть установлены диэлектрические резонаторы в качестве микроволновых фильтров. Это диэлектрический полосовой фильтр, состоящий из трех диэлектрических резонаторов, установленных в поперечном направлении.

Хотя диэлектрические резонаторы во многом похожи на резонансные металлические полости, между ними есть одно важное различие: в то время как электрические и магнитные поля равны нулю за пределами стенок металлической полости (т.е. граничные условия разомкнутой цепи полностью удовлетворяются), эти поля не являются ноль вне диэлектрических стенок резонатора (т.е. граничные условия разомкнутой цепи приблизительно выполнены). Даже в этом случае электрические и магнитные поля значительно уменьшаются от своих максимальных значений, когда они находятся вдали от стенок резонатора. Большая часть энергии сохраняется в резонаторе на заданной резонансной частоте при достаточно высокой диэлектрической проницаемости . Диэлектрические резонаторы могут иметь чрезвычайно высокую добротность.это сравнимо с полостью с металлическими стенками. [7]

Существует три типа резонансных мод, которые могут возбуждаться в диэлектрических резонаторах: поперечные электрические (TE), поперечные магнитные (TM) или гибридные электромагнитные (HEM) моды. Теоретически существует бесконечное количество режимов в каждой из трех групп, и желаемый режим обычно выбирается в зависимости от требований приложения. Обычно режим используется в большинстве неизлучающих приложений, но другие режимы могут иметь определенные преимущества для конкретных приложений. [5]

Примерная резонансная частота в режиме для изолированного цилиндрического диэлектрического резонатора может быть вычислена как: [5]

Где - радиус цилиндрического резонатора, а - его длина. Оба и указаны в миллиметрах. Резонансная частота в гигагерцах . Эта формула имеет точность примерно 2% в диапазоне:

Однако, поскольку для большинства применений диэлектрический резонатор обычно заключен в проводящую полость, реальные резонансные частоты отличаются от рассчитанных выше. По мере приближения проводящих стенок закрывающей полости к резонатору изменение граничных условий и сдерживания поля начинает влиять на резонансные частоты. Размер и тип материала, изолирующего полость, могут существенно повлиять на характеристики резонансного контура. Это явление можно объяснить с помощью теории возмущений резонатора . Если резонатор заключен в металлическую полость, резонансные частоты изменяются следующим образом: [5]

  • если запасенная энергия смещенного поля в основном электрическая, его резонансная частота будет уменьшаться;
  • если запасенная энергия смещенного поля в основном магнитная, его резонансная частота будет увеличиваться. Так бывает с режимом.

Наиболее частая проблема, с которой сталкиваются цепи диэлектрического резонатора, - это их чувствительность к изменению температуры и механическим колебаниям. [8] Несмотря на то, что недавние улучшения в материаловедении и производстве решили некоторые из этих проблем, все же могут потребоваться методы компенсации для стабилизации характеристик схемы по температуре и частоте.

Общие приложения [ править ]

Наиболее распространенные применения [5] [9] диэлектрических резонаторов:

  • Фильтрация приложений (наиболее распространенными являются полосовой и режекторные фильтры ),
  • Осцилляторы ( диод , feedback-, просветленный, и реакция передача ВИЧ - инфекция типа осцилляторы ),
  • Частотно-селективные ограничители,
  • Элементы диэлектрической резонаторной антенны (ДРА).

См. Также [ править ]

  • ЖИГ сфера

Заметки [ править ]

  1. ^ Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубки или вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.
  2. ^ Д. Hondros, «Ueber elektromagnetische Drahtwelle,» Annalen дер Physik, Vol. 30. С. 905–949, 1909.
  3. ^ Х. Зан, «Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten», Annalen der Physik, vol. 37. С. 907–933, 1916.
  4. ^ RD Richtmyer, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Phys., Vol. 10. С. 391–398, июнь 1939 г.
  5. ^ a b c d e Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.
  6. ^ a b Мариан В. Поспешальский, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в СВЧ-цепях линии ТЕМ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.
  7. ^ A. Okaya и LF Бараш, «Диэлектрическая СВЧ резонатор», Proc. IRE, Vol. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.
  8. ^ MJ Loboda, TE Parker и GK Montress, "Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и диэлектрических резонаторов осцилляторов", Proc. 42-й ежегодной частоты. Продолж. Symp., Стр. 263–271, июнь 1988 г.
  9. ^ JK Plourde и C. Ren, «Применение диэлектрических резонаторов в компонентах СВЧ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.

Ссылки [ править ]

  • Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубки или вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.
  • Д. Хондрос, «Ueber elektromagnetische Drahtwelle», Annalen der Physik, Vol. 30. С. 905–949, 1909.
  • Х. Зан, «Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten», Annalen der Physik, vol. 37. С. 907–933, 1916.
  • RD Richtmyer, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Phys., Vol. 10. С. 391–398, июнь 1939 г.
  • Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.
  • Мариан В. Поспешальски, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в СВЧ-цепях линии ТЕМ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.
  • А. Окая, Л.Ф. Бараш, «Диэлектрический микроволновый резонатор», Proc. IRE, Vol. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.
  • MJ Loboda, TE Parker и GK Montress, "Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и генераторов диэлектрических резонаторов", Proc. 42-й ежегодной частоты. Продолж. Symp., Стр. 263–271, июнь 1988 г.
  • JK Plourde и C. Ren, «Применение диэлектрических резонаторов в компонентах СВЧ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.