Теорія поля / Посiбник

λрез =

191

тора. Струми провідності проходять від верхньої стінки до нижньої та навпаки. У центрах верхньої і нижньої стінок утворюються вузли струму і пучності зарядів, а на бічних стінках – пучності струмів і вузли зарядів. Магнітне і електричне поля зрушені за фазою на чверть періоду, тобто при коливаннях електрична енергія переходить у магнітну і навпаки. На резонансній частоті максимум енергії, накопиченої в електричному полі, дорівнює максимуму енергії, накопиченої в магнітному полі. Резонансна довжина хвилі цього типу коливань визначається за формулою

2ac .

a2 + c2

Настройка резонатора проводиться зміною його довжини c або ширини a .

Коливання типу H101 , як і коливання будь-якого іншо-

го типу, можна збудити в резонаторі шляхом уведення в його об'єм зовнішніх джерел типу «штир» та «петля» (див.

п. 4.3).

Найбільш важливим параметром об'ємного резонатора є його добротність, яка визначається за формулою

Q = 2π W = ωW ,

Wп Pп

де W – занесена в резонатор енергія;

Wп – втрати енергії за один період коливань; Pп – потужність втрат.

При заданій напруженості електричного і магнітного полів кількість запасеної в резонаторі енергії пропорційна його об'єму, а потужність втрат пропорційна об'єму поверхневого шару у якому відбуваються втрати. Тому добротність контуру пропорційна відношенню об'єму резонатора до площі його внутрішньої поверхні. Добротність об'ємного резонатора значно більша за добротність зви-

192

чайного контуру і може досягати кількох десятків тисяч одиниць.

Циліндричний і коаксіальний резонатори. Циліндри-

чний резонатор можна зобразити як відрізок круглого хвилеводу, закритий з обох кінців металевими стінками. У циліндричному резонаторі можуть існувати коливання різних типів, які мають різні резонансні частоти. Тип коливань у резонаторі позначається Emnp або Hmnp . Коливання Emnp у

відрізку хвилеводу утворюють стоячі хвилі Emn , а коливан-

ня Hmnp – стоячі хвилі Hmn . Індекси m , n мають те ж значення, що і для круглих хвилеводів, а індекс p позначає

кількість стоячих півхвиль електричного поля, які укладаються в осьовому напрямку.

Найпростіший тип коливань у циліндричному резонаторі – коливання E010 . Розподіл полів для нього показаний на рис. 4.21 а.

H E

r2

r1

а

б

Рисунок 4.21 – Циліндричний (а) і коаксіальний (б) резонатори

Електричне поле паралельне бічній поверхні циліндра і має пучність уздовж його осі. Магнітні силові лінії мають форму концентричних кіл, які охоплюють вісь циліндра,

193

тобто поздовжні струми зміщення. Магнітне поле має пучність біля бічної поверхні циліндра і спадає до нуля на його осі. Магнітне і електричне поля зсунуті по фазі на чверть періоду. У стінках резонатора проходить струм, який має вузли в центрах верхньої та нижньої стінок.

Резонансна довжина хвилі при коливаннях типу E010 визначається за формулою λрез = 2,61R .

Коаксіальний резонатор являє собою відрізок коаксіального хвилеводу довжиною L , закритий на кінцях металевими пластинами (рис. 4.21 б). Поперечні розміри коаксіального резонатора вибирають так само, як і поперечні

розміри коаксіальної лінії відповідно до λкр = π (R1 − R2 ) ,

та щоб забезпечити відсутність вищих типів коливань. Резонатори біжучих хвиль. Поле біжучої хвилі у зам-

кненому об'ємі можна створити, зробивши із спрямовую-

			чої системи замкнений ланцюг
			(наприклад, зігнувши в кільце
			прямокутний хвилевід).
			Розглянемо відрізок лінії пе-
			редачі НВЧ, зігнутої у кільце
	1		(рис. 4.22). Припустимо, що у
			деякому перетині кільця 1-1 пе-
			ребуває джерело, яке збуджує
	1		хвилю, яка, у свою чергу, поши-
	Рисунок	4.22 –	рюється по кільцю тільки в од-
			ному напрямку. Якщо вибрати
	Резонатор	біжучої
			середню довжину кільця такою,
	хвилі
			що дорівнює цілому числу хвиль
			у лінії (lсер = pλхв , p =1, 2, 3, …),

то фаза хвилі, яка пройшла по кільцю, збігається в перетині 1−1 із фазою хвилі, збуджуваної джерелом. Відбувається синфазне додавання хвиль, а отже, і збільшення амплітуди поля.

194

Діелектричні резонатори [27]. Одним із перспектив-

них видів коливальних систем вважаються резонатори, виконані з використанням діелектриків з великою проникністю, малими втратами та високою термостабільністю. Такі властивості діелектричних резонаторів, як малі розміри і маса, висока власна добротність, здатність концентрувати електромагнітну енергію в малому об'ємі, простота і технологічність виготовлення дозволяють створювати пристрої НВЧ із покращеними електричними і експлуатаційними якостями.

Відомі діелектричні резонатори (ДР) найчастіше мають правильну форму: паралелепіпеда (прямокутний резонатор), колового циліндра (дискові та стрижневі циліндричні резонатори), сфери, кільця. Залежно від наявності металевого екрана діелектричні резонатори поділяють на відкриті і екрановані. Крім того, діелектричні резонатори можуть бути одношаровими та багатошаровими (складовими), які складаються із декількох шарів діелектриків, що відрізняються, наприклад, діелектричною проникністю, температурною залежністю параметрів діелектриків і т.п.

Робота діелектричного резонатора базується на використанні явища повного внутрішнього відбиття на границях діелектрика. Якщо діелектрична проникність матеріалу велика, то електричне і магнітне поля сконцентровані в об'ємі діелектрика. Поза діелектричним тілом амплітуди полів різко зменшуються. На відстанях від його границь, малих порівняно із довжиною хвилі у вільному просторі, електромагнітне поле дуже мале. Наявність зовнішнього поля – одна із відмінних рис діелектричного резонатора, у якому можливе існування E - і H -коливань, які позначаються індексами m , n , δ , де m і n – кількість варіацій поля у поперечних координатах; δ – частина півхвилі (неповна варіація) поля усередині резонатора уздовж осі z . Основний вид коливань у прямокутному резонаторі –

195

H11δ -коливання, у якого магнітне поле має максимум за

поздовжньою віссю. Структура силових ліній поля прямокутного резонатора показана на рис. 4.23 а. Для циліндричного резонатора основними є H01δ -коливання. Силові лінії

електричного поля являють собою кола, які лежать у площині, перпендикулярній до осі циліндра, магнітне поле має максимум уздовж осі z резонатора (рис. 4.23 б).

y

E

x

z а

y
	E
	x
z	б

x	x
H	H

Рисунок 4.23 – Структура силових ліній поля прямокутного (а) і циліндричного (б) діелектричних резонаторів

У більшості НВЧ-пристроїв, які використовують ДР, поблизу границі поділу діелектрик-повітря можуть перебувати провідні поверхні, які частково або повністю екранують резонатор. Їхня наявність приводить до зміни добротності і власної частоти коливань резонатора. Зменшення добротності обумовлене втратами на провідних стінках. Збурювання металевими поверхнями електромагнітного поля резонатора приводить до зміни власної частоти.

196

Основним фактором, що визначає резонансні властивості при використанні матеріалів з великою діелектричною проникністю (ε = 40 −100 і більше), є об'ємний резонанс у діелектричному зразку. Вплив провідних поверхонь, розміщених поблизу діелектрика, можна розглядати як мале збурювання, тому що електромагнітне поле сконцентроване переважно в діелектрику.

Удіелектричних же резонаторів, виконаних із матеріалів з малою проникністю, резонансні явища обумовлені як частковим відбиттям від границі поділу діелектрик - повітря, так і повним відбиттям від провідних поверхонь. Тому аналіз таких резонаторів (вони мають назву хвилевіднодіелектричних) пов'язаний з відшуканням розв'язків рівнянь Максвелла, які одночасно задовольняють граничні умови на провідній поверхні та імпедансній границі поділу. Розв'язок, як правило, отримують різними наближеними методами.

Уконструктивному відношенні хвилевіднодіелектричний резонатор являє собою хвилевід із діелектричною неоднорідністю (у вигляді паралелепіпеда, циліндра, сфери). Розміри хвилеводу, діелектричної неоднорідності, проникності матеріалу, із якого виконані дані резонатори, вибирають так, щоб у структурі виникав хвилевід- но-діелектричний резонанс.

Подібні резонатори широко використовуються на практиці. Застосування низькопроникних матеріалів спрощує вирішення питань перестроювання частоти резонатора. Допуски на геометричні розміри менш критичні, що особливо суттєво в міліметровому діапазоні.

Однією із проблем, які виникають при використанні ДР, є забезпечення температурної стабільності їх параметрів. Два основні фактори приводять до температурної нестабільності електричних параметрів: дрейф лінійних розмірів резонатора та діелектричної проникності матеріалу.

197

Для створення термостабільних ДР ведуться роботи за такими напрямками:

–розроблення і застосування діелектричних матеріалів

знизьким температурним коефіцієнтом діелектричної

проникності TKε та низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення;

–застосування складних, багатошарових ДР із матеріалів з протилежними знаками TKε ;

–забезпечення механічної стабілізації за рахунок використання технологічних зазорів між діелектричним резонатором і іншими елементами НВЧ пристрою.

Смугові резонатори. Основою для побудови смугових резонаторів є як симетричні, так і несиметричні СЛ із діелектричним і повітряним заповненням. Резонатори можуть бути виконані на базі регулярних і нерегулярних СЛ.

Увипадку застосування нерегулярних СЛ закон зміни хвильового опору вздовж довжини лінії найчастіше задається зміною ширини струмонесучої смужки. Найбільш широко використовуються резонатори, виконані на основі МСЛ, що дозволяє успішно вирішувати завдання мініатюризації різних НВЧ-пристроїв.

Виходячи із геометрії струмонесучого провідника, розрізняють такі основні види резонаторів у мікросмуговому

виконанні [27]: прямокутні (рис. 4.24 а), круглі (рис. 4.24 б), кільцеві (рис. 4.24 в), еліптичні (рис. 4.24 г).

а б в г Рисунок 4.24 – Основні типи геометрії струмонесучого

провідника, який використовується у мікросмугових резонаторах

198

4.6 Основні відомості про антени

Одним із основних елементів РЕС є антени, які забезпечують приймання і передавання електромагнітних хвиль при організації систем зв'язку на великі відстані.

4.6.1 Класифікація й основні характеристики антен

Антени класифікуються за діапазоном радіохвиль, застосуванню, спільності окремих характеристик (смуги пропускання, діаграми спрямованості і т.д.) і принципу дії. Найбільш доцільно антени класифікувати за принципом дії, який багато у чому визначає форму, основні характеристики і застосування антен.

За принципом дії антени можна поділити на три групи:

1)лінійна антена – випромінювальна система з поперечними розмірами, значно меншими від довжини хвилі та змінними струмами, які проходять уздовж осі системи. До лінійних антен НВЧ-діапазону відносять вібратори (див.

п. 3.5);

2)антенна решітка – система однотипних випромінювачів, розміщених певним чином і збуджуваних одним або декількома когерентними генераторами. Типовими антенними решітками є директорна антена, щілинна антена, поверхневі антени з напівхвильових симетричних вібраторів та ін.;

3)апертурна антена – пристрій, у якому потік випромінюваної (прийнятої) електромагнітної енергії проходить через деяку поверхню. Розміри цієї поверхні, називають апертурою, або розкриттям, який більший за довжину хвилі. До апертурних антен відносять системи акустичного типу (рупори), оптичного типу (дзеркала та лінзи), антени поверхневої хвилі.

Основні параметри і характеристики антен. До них належать:

199

1) ефективна площа антени Sg характеризує розмір

площі, через яку приймальна антена збирає енергію.

Sg = Kв S ,

де Kв <1 – коефіцієнт використання поверхні розкриття;

S– поверхня розкриття антени;

2)коефіцієнт корисної дії (ККД) являє собою відно-

шення випромінюваної потужності до повної потужності підведеної до антени;

3)коефіцієнт спрямованої дії (КСД) – відношення по-

тужностей випромінювання спрямованої і неспрямованої антен, які створюють у даному напрямку на тій самій відстані однакову напруженість поля. КСД показує, який енергетичний виграш дає застосування спрямованої антени порівняно із неспрямованою антеною.

Іноді замість КСД використовують коефіцієнт підсилення (КП) антени, який дорівнює добутку КСД на ККД

( КП=КСД×ККД ). Оскільки ККД ≈ 1, то КП ≈ КСД ;

4) вхідний опір антени Zвх є еквівалентною величиною, яка визначає узгодження антени із НВЧ-трактом.

Zвх = R + jX ,

де R = Rп + RΣ – активний опір антени, який складається із опору теплових втрат Rп і опору випромінювання RΣ ;

X – реактивний опір антени, який характеризує відбиття хвиль від антени.

За умови R >> X вхідний опір антени приблизно дорівнює хвильовому опору живильного тракту Zвх ≈ Zхв ;

5) робочий діапазон частот антени характеризується інтервалом частот від fmax до fmin , у якому значення всіх

параметрів антени не виходять за межі заданих; 6) діаграма спрямованості (ДС) – це залежність амплі-

→

туди напруженості електричного поля E в точці спосте-

200
реження від напрямку випромінювання антени (кутових
координат у полярній системі координат θ і ϕ ) при по-
стійній відстані від антени до точки спостереження.
Зазвичай діаграму спрямованості зображують у вигляді
двох графіків у полярній системі координат: у вигляді за-
лежності E = f (ϕ )					в горизонтальній площині навколо ан-
тени і залежності				E = f (θ )				у вертикальній площині. На
рис. 4.25 схематично наведена найпоширеніша форма діаг-
рами спрямованості – голчаста, яка застосовується на ра-
діорелейних лініях, у радіолокації та в радіоуправлінні.
						θ (ϕ)
						2ϕ 0,5
						2θ 0,5					max
											E
											/ 2
											max
											E
1	0,8	0,6	0,4		0,2	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1

Рисунок 4.25 – Найпоширеніша форма діаграми спрямованості у вертикальній та горизонтальній площинах

7) ширина головної пелюстки. Діаграма спрямованості має кілька напрямків максимального випромінювання (кілька пелюсток). Одна з них, яка має найбільшу амплітуду,

називається головною. Ширина головної пелюстки визначається як кут 2θ0,5 або 2ϕ0,5 при напруженості елект-

ричного поля, що становить половину від максимального значення ( E = E2max ) (див. рис. 4.25). У спрямованих антен

ширина головної пелюстки знаходиться у межах від декількох десятків градусів до декількох хвилин;