Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами

Исследованы особенности механической перестройки параметров цилиндрических и биконических микроволновых резонаторов продольным перемещением аксиального стержня с коническим профилем. Показана зависимость между величиной угла конического участка на аксиальном стержне и параметрами исследованных рез...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радиофизика и радиоастрономия
Дата:	2009
Автори:	Дробахин, О.О., Заболотный, П.И., Привалов, Е.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2009
Теми:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59930
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 4. — С. 433–441. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59930
record_format	dspace
spelling	Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. 2014-04-10T16:13:53Z 2014-04-10T16:13:53Z 2009 Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 4. — С. 433–441. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59930 621.371 Исследованы особенности механической перестройки параметров цилиндрических и биконических микроволновых резонаторов продольным перемещением аксиального стержня с коническим профилем. Показана зависимость между величиной угла конического участка на аксиальном стержне и параметрами исследованных резонаторов. Отмечено минимальное влияние продольного перемещения аксиального стержня с коническим элементом на структуру электрических полей резонаторов. Проведена экспериментальная проверка результатов расчетов для биконического резонатора. Получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных. Досліджено особливості механічної перестройки параметрів циліндричних та біконічних мікрохвильових резонаторів поздовжнім переміщенням аксіального стержня з конічним профілем. Показано залежність між величиною кута конічної ділянки на аксіальному стержні і параметрами досліджених резонаторів. Відзначено мінімальний вплив поздовжнього переміщення аксіального стержня з конічним елементом на структуру електричних полів резонаторів. Експериментально перевірено розрахунки для біконічного резонатора. Отримано добрий збіг експериментальних та розрахункових даних. Characteristic of cylindrical and biconical resonator parameter tuning by longitudinal mechanical shifting of axial rod with conical profile is investigated. The connection between the angle value of a conical part of the axial rod and the parameters of the resonators investigated is studied. Minimal influence of longitudinal mechanical shifting of the axial rod with a conical pro-file on the structure of resonator electrical fields is shown. The calculations are experimentally verified. The experiments have shown good agreement of the results. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
spellingShingle	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
title_short	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
title_full	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
title_fullStr	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
title_full_unstemmed	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
title_sort	резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами
author	Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н.
author_facet	Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н.
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
publishDate	2009
language	Russian
container_title	Радиофизика и радиоастрономия
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
format	Article
description	Исследованы особенности механической перестройки параметров цилиндрических и биконических микроволновых резонаторов продольным перемещением аксиального стержня с коническим профилем. Показана зависимость между величиной угла конического участка на аксиальном стержне и параметрами исследованных резонаторов. Отмечено минимальное влияние продольного перемещения аксиального стержня с коническим элементом на структуру электрических полей резонаторов. Проведена экспериментальная проверка результатов расчетов для биконического резонатора. Получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных. Досліджено особливості механічної перестройки параметрів циліндричних та біконічних мікрохвильових резонаторів поздовжнім переміщенням аксіального стержня з конічним профілем. Показано залежність між величиною кута конічної ділянки на аксіальному стержні і параметрами досліджених резонаторів. Відзначено мінімальний вплив поздовжнього переміщення аксіального стержня з конічним елементом на структуру електричних полів резонаторів. Експериментально перевірено розрахунки для біконічного резонатора. Отримано добрий збіг експериментальних та розрахункових даних. Characteristic of cylindrical and biconical resonator parameter tuning by longitudinal mechanical shifting of axial rod with conical profile is investigated. The connection between the angle value of a conical part of the axial rod and the parameters of the resonators investigated is studied. Minimal influence of longitudinal mechanical shifting of the axial rod with a conical pro-file on the structure of resonator electrical fields is shown. The calculations are experimentally verified. The experiments have shown good agreement of the results.
issn	1027-9636
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59930
citation_txt	Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 4. — С. 433–441. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT drobahinoo rezonansnyesvoistvaaksialʹnosimmetričnyhmikrovolnovyhrezonatorovskoničeskimiélementami AT zabolotnyipi rezonansnyesvoistvaaksialʹnosimmetričnyhmikrovolnovyhrezonatorovskoničeskimiélementami AT privaloven rezonansnyesvoistvaaksialʹnosimmetričnyhmikrovolnovyhrezonatorovskoničeskimiélementami
first_indexed	2025-11-25T20:39:17Z
last_indexed	2025-11-25T20:39:17Z
_version_	1850527896259526656
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4, с. 433-441 © О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов, 2009 УДК 621.371 Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами О. О. Дробахин, П. И. Заболотный1, Е. Н. Привалов1 Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара, пер. Научный, 13, г. Днепропетровск, 49010, Украина 1Институт технической механики НАН и НКА Украины, ул. Лешко Попеля, 15, г. Днепропетровск, 49005, Украина E-mail: mwave@ukr.net Статья поступила в редакцию 19 марта 2009 г. Исследованы особенности механической перестройки параметров цилиндрических и би- конических микроволновых резонаторов продольным перемещением аксиального стержня с коническим профилем. Показана зависимость между величиной угла конического участка на аксиальном стержне и параметрами исследованных резонаторов. Отмечено минимальное влияние продольного перемещения аксиального стержня с коническим элементом на структу- ру электрических полей резонаторов. Проведена экспериментальная проверка результатов рас- четов для биконического резонатора. Получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных. 1. Введение Механическая перестройка является одним из наиболее простых и эффективных способов изменения параметров объемных микроволно- вых резонаторов, применяемых в составе раз- личных электронных устройств. Среди таких устройств следует упомянуть СВЧ-фильтры, элементы параметрической стабилизации час- тоты, волномеры, различные датчики и т. п. [1]. В первую очередь механическая перестройка резонансной частоты резонаторов должна обес- печивать: – перестройку в требуемом частотном диапазоне, при котором выбранный тип коле- баний был бы гарантированно единственным рабочим типом колебаний; – максимально приближенную к линейной градуировочную характеристику резонатора (зависимость резонансной частоты от пара- метра механической перестройки резонатора); – совпадение динамического диапазона перестройки по частоте резонатора и задаю- щего микроволнового генератора; – минимальное уменьшение добротности резонатора при возрастании коэффициента за- полнения резонатора во всем диапазоне пере- стройки его резонансной частоты; – постоянство коэффициента передачи ре- зонатора во всем диапазоне перестройки. Наиболее распространенными объемными резонаторами, позволяющими применять раз- личные методы механической перестройки частоты, являются круглые цилиндрические резонаторы с рабочим типом колебаний 011.H В частности, в [2] представлены результаты исследования свойств круглых цилиндричес- ких резонаторов с подвижными аксиальными проводниками постоянного диаметра и акси- альными проводниками со скачкообразным изменением диаметра. В этой работе показа- но, что путем подбора соотношения геомет- рических размеров элементов резонатора и выбором коридора продольного перемещения внутреннего аксиального проводника можно обеспечить выполнение основных требований к резонаторам с механической перестройкой О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов 434 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 резонансной частоты. Однако даже при опти- мальном выборе параметров СВЧ-резонато- ра вырождение типов колебаний 011H и 111E не устраняется. Одновременное существование двух вы- рожденных типов колебаний приводит к зна- чительному снижению добротности рабочего типа колебаний. Кроме того, не всегда удает- ся обеспечить необходимую длину линейного участка перестройки резонансной частоты микроволнового резонатора путем перемеще- ния аксиального стержня. Для подавления паразитного типа колеба- ний 111E на практике используются различ- ные поглотители или селективные устройства возбуждения электромагнитного поля рабоче- го типа колебаний 011.H Такие технические решения приводят к конструктивному услож- нению СВЧ-резонаторов и не всегда являют- ся оптимальными. 2. Постановка задачи В [3-5] было показано, что в объемных ре- зонаторах, содержащих участки с конической образующей, вырождение типов колебаний 011H и 111E устраняется. Это позволяет широко при- менять устройства с механической перестрой- кой на основе СВЧ-резонаторов с коническими элементами. Однако особенности изменения резонансной частоты, добротности, коэффициента связи резонатора при его механической пере- стройке изучены недостаточно. Целью настоящей работы является иссле- дование влияния продольного перемещения аксиального стержня, содержащего участок с коническим профилем, на резонансные свойства биконических и цилиндрических резонаторов. Для исследования указанных зависимостей рассматривались два вида резонаторов: – биконический резонатор с диаметром основания D, с углом конуса при вершине 0 ,α длиной 02L (см. рис. 1, а); – цилиндрический резонатор диаметром D, длиной 0L (см. рис. 1, б). Биконический резонатор состоит из двух конических элементов (на рис. 1, а они обозна- чены как области 1 и 2) с общим основанием. Центр общего основания конических элемен- тов выбран в качестве начала цилиндрической системы координат, которая использовалась в последующих расчетах. Кроме того, на рис. 1, а для каждого из конических элементов бикони- ческого резонатора показаны проекции плоско- стей критических сечений кр1z и кр2.z Решение поставленной задачи выполнялось путем численного расчета электромагнитных полей методом конечных элементов (МКЭ) с учетом азимутальной симметрии [6]. Предпо- лагалось, что объемные резонаторы и аксиаль- ный стержень изготовлены из меди, а внут- ренний объем резонаторов заполнен воздухом. Для сокращения объема вычислений и с учетом азимутальной симметрии выбранного рабочего типа колебаний 011H расчеты про- водились в области, ограниченной двумя про- дольными секущими плоскостями, располо- женными под углом 10° друг к другу. На по- верхности секущих плоскостей задавались гра- ничные условия, соответствующие идеальной электрической стенке. Максимальный линей- Рис. 1. Продольное сечение биконического (а) и цилиндрического (б) резонаторов с аксиаль- ными коническими стержнями Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами 435Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 ный размер элементов расчетной сетки не пре- вышал 0 05. D. Моделирование механической перестройки частоты резонаторов выполня- лось путем изменения продольной координа- ты z плоскости сопряжения цилиндрической и конической части центрального стержня. Расчеты резонансной частоты f и доброт- ности Q проводились для резонаторов с раз- личными геометрическими размерами как са- мой внутренней полости резонатора, так и внут- реннего конического элемента. Длина коничес- кого участка аксиального стержня 1L подбира- лась таким образом, чтобы можно было про- вести моделирование двух предельных случа- ев заполнения резонатора на всю его длину: 1) аксиальным цилиндрическим участком стержня; 2) аксиальным коническим участком стерж- ня с углом наклона образующей 1.α При расчетах параметров резонаторов с неизменными размерами внутренней полости варьируемыми параметрами были: 1α – угол конического перехода на внутреннем аксиаль- ном стержне, и L – продольная координата плоскости сопряжения конической и цилиндри- ческой части внутреннего стержня. Для анализа и обсуждения полученные результаты были приведены к безразмерному виду. Геометрические размеры биконическо- го резонатора нормировались на диаметр ос- нований его конических элементов, а цилинд- рического – на диаметр резонатора. Частот- ные характеристики резонаторов представля- лись через безразмерную величину ,kD где 2 ( ),k f c= π f – резонансная частота, c – ско- рость света в вакууме. 3. Обсуждение результатов расчетов Проведенные расчеты показали, что изме- нение геометрических размеров как самого резонатора, так и аксиального стержня с кони- ческим участком приводит к смещению диа- пазонов перестройки резонансных параметров. Картина зависимости резонансных параметров для обоих рассматриваемых типов резонато- ров с изменением продольного положения ак- сиального стержня качественно не меняется. Будем рассматривать данные, полученные для биконических резонаторов с параметрами: 0 0 130 , 0.86, 0.034, 1.4;L D d D L Dα = ° = = = 0 0 120 , 1.4, 0.034, 2.4;L D d D L Dα = ° = = = и для цилиндрического резонатора с 0 0.8,L D = 0.034.d D = На рис. 2 представлены результаты расче- тов зависимости нормированной резонансной частоты и добротности биконического резона- тора от продольной координаты плоскости со- пряжения цилиндрического и конического участ- ков внутреннего аксиального стержня и угла 1.α В области, ограниченной штриховой линией, на рис. 2, а приведены результаты расчетов зависимости нормированной резонансной час- тоты для биконического резонатора с 0 30 ,α = ° а ниже – для биконического резонатора с 0 20 .α = ° Там же показана кривая отображаю- щая зависимость резонансных частот для ко- лебаний типа 111E в биконическом резонаторе с 0 30α = ° от продольного положения стержня с 1 5.5 .α = ° Для упрощения визуального вос- приятия на рис. 2, б приведены три кривых для резонатора с 0 30α = ° и одна – для резонатора с 0 20 .α = ° Из представленных результатов видно, что увеличение 1α приводит к расширению дина- мического диапазона перестройки резонансной частоты и изменению добротности резонато- ров, а также к росту крутизны их перестройки. Отметим, что одному и тому же положению аксиального стержня с большим значением угла 1α соответствует более низкое значение доб- ротности резонаторов и более высокое значе- ние резонансной частоты. Кроме того, с уве- личением 1α наблюдается сужение участка ,L DΔ на котором форма кривых перестройки как резонансной частоты, так и добротности близка к линейной. Сопоставление диапазонов перестройки резонатора с 0 30α = ° для рабочего типа ко- лебаний 011H и паразитного типа колебаний 111E показывает, что они не пересекаются. Следует отметить и то, что динамический диапазон перестройки резонансной частоты для типа колебаний 111E существенно мень- ше, чем для колебаний типа 011.H Аналогич- ная картина взаимного расположения резонанс- ных кривых для колебаний этих типов наблю- дается и в резонаторах с 0 20 .α = ° О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов 436 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 В табл. 1 представлены приближенные зна- чения изменений нормированных резонансных частот биконических резонаторов kDΔ на уча- стках линейной перестройки и протяженности этих участков ,L DΔ а также крутизны пере- стройки k LΔ Δ в зависимости от 0α и 1.α Сравнение результатов, полученных для биконических резонаторов с разными 0α и близкими 1α показывает, что изменение угла раскрытия конусов 0α приводит к смещению частотного диапазона и к изменению протя- женности участка перестройки параметров резонатора. Изменение соотношения углов 0α и 1α при постоянных значениях диаметра оснований конусов биконического резонатора и диаметра цилиндрического участка стерж- ня позволяет гибко варьировать допустимый интервал перемещения аксиального стержня, динамический диапазон перестройки резонанс- ной частоты, протяженность участка линей- ной перестройки резонансной частоты и доб- ротности. Это, в свою очередь, расширяет возможности практического применения би- конических резонаторов. На рис. 3 представлены результаты расче- тов зависимости нормированной резонансной частоты и добротности цилиндрического резо- натора от нормированной продольной коорди- наты плоскости сопряжения цилиндрического и конического участков аксиального стержня при значениях 1α равных 5 и 9 .° Оценки приближенных значений изменения нормированных резонансных частот цилинд- рического резонатора на участках линейной перестройки и протяженности этих участков Рис. 2. Зависимость нормированных собственных резонансных частот (а) и добротности (б) бико- нических резонаторов от продольной коорди- наты плоскости сопряжения цилиндрического и ко- нического участков внутреннего аксиального стер- жня: – – – 0 30 ,α = ° 1 9 ;α = ° – – – 0 30 ,α = ° 1 5.5 ;α = ° – – – 0 30 ,α = ° 1 2.5 ;α = ° – – – 0 20 ,α = ° 1 8.5 ;α = ° – – – 0 20 ,α = ° 1 5.5 ;α = ° –×××××– – 0 20 ,α = ° 1 4α = ° Таблица 1. Приближенные значения изменений нормированных резонансных частот биконических резона- торов на участках линейной перестройки и протяженности этих участков kDΔ L DΔ k LΔ Δ 0 20α = ° 0 30α = ° 0 20α = ° 0 30α = ° 0 20α = ° 0 30α = ° 2.5 – 0.10 – 0.44 – 0.22 4 0.37 – 0.75 – 0.49 – 5.5 0.47 0.21 0.63 0.36 0.74 0.58 8.5 0.65 – 0.49 – 1.32 – 9 – 0.31 – 0.32 – 0.96 1,α ° Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами 437Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 для резонатора с 1 5α = ° и 1 9α = ° приведены в табл. 2. Из сравнения полученных данных для ци- линдрических и биконических резонаторов, приведенных в табл. 1 и табл. 2, видно, что цилиндрические резонаторы более чувстви- тельны к перемещению аксиального стержня с коническим участком. Однако у биконичес- ких резонаторов при равных 1α больше протя- женность участка линейной перестройки ре- зонансной частоты за счет изменения .L DΔ Зависимость резонансной частоты цилиндри- ческого резонатора от продольной координаты стержня с коническим участком можно допол- нительно сравнить с зависимостью резонанс- ной частоты цилиндрического резонатора от положения стержня со скачкообразным изме- нением диаметра [2]. Отметим существенное различие формы кривых перестройки как доб- ротности, так и резонансной частоты. При перемещении стержня со скачкообразным изменением диаметра из одного крайнего по- ложения в другое участок с незначительной чувствительностью резонансной частоты пе- реходит в участок с большой крутизной пере- стройки. Далее опять следует участок с ма- лой крутизной перестройки. Перемещение аксиального стержня с коническим участком в положительном направлении оси z из одного крайнего положения в другое с самого начала вызывает убывание резонансной частоты. При достижении стержнем некоторой граничной координаты параметры резонаторов остаются неизменными. Аналогичная картина наблюдается и в би- конических резонаторах. Но особенностью биконических резонаторов является то, что граничная координата стержня, за пределами которой параметры резонаторов не перестраи- ваются, находится ближе к их центру – в об- ласти 2 (рис. 1). Для объяснения таких особенностей механи- ческой перестройки параметров резонаторов целесообразно привлечь понятие о критических сечениях в резонаторах с переменным попереч- ным профилем [7]. Известно, что за пределами критических сечений выбранный рабочий тип волны не распространяется. В биконическом резонаторе таких критических сечений два. Исходя из равенства нулю постоянной распрос- транения были определены координаты крити- ческих сечений кр1(z и кр2 )z в каждой из частей биконического резонатора при выбранном рабо- чем типе колебаний для различных положений аксиального стержня. Таблица 2. Приближенные значения изменений нор- мированных резонансных частот цилиндрического резонатора на участках линейной перестройки 1,α ° kDΔ L DΔ k LΔ Δ 5 0.29 0.22 1.30 9 0.57 0.2 2.8 Рис. 3. Зависимость нормированных собственных резонансных частот (а) и добротности (б) цилин- дрического резонатора от продольной коорди- наты плоскости сопряжения цилиндрического и конического участков внутреннего аксиального стержня: – – – 1 5 ;α = ° – – – 1 9α = ° О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов 438 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 На рис. 4 представлены рассчитанные зна- чения координат плоскостей критических се- чений при заданных значениях резонансной частоты для нескольких положений аксиаль- ного стержня. Для сравнения смещений координаты кри- тических сечений при продольном перемеще- нии аксиального стержня с коническим участ- ком в качестве базовых были выбраны коорди- наты критических сечений, найденные при ус- ловии, что аксиальный стержень по всей длине резонатора является круглым цилиндрическим. На представленных графиках результаты рас- четов для этого случая показаны сплошными линиями, расположенными симметрично отно- сительно нулевого значения .z D Как видно из графиков на рис. 4, а, если плоскость сопряжения цилиндрической и кони- ческой части стержня находится в области 1 и перемещается в сторону уменьшения кр ,z D то наблюдается сдвиг критических сечений в сторону плоскости оснований конусов, обра- зующих резонатор. При перемещении плоскости сопряжения цилиндрической и конической части стержня в области 2 (рис. 4, б) для одного и того же значения нормированной резонансной час- тоты координата кр1z D остается неизмен- ной, а кр2z D изменяется незначительно. Этот факт объясняет наличие горизонтальных участ- ков на кривых механической перестройки ре- зонансной частоты (рис. 2, а ) биконического резонатора, так как резонансная частота опре- деляется расстоянием между критическими сечениями и некоторой функцией от постоян- ной распространения [7]. При перемещении в цилиндрическом резона- торе аксиального стержня с коническим участ- ком зависимости параметров резонансов имеют характер подобный рассмотренному выше. Одним из основных параметров, характе- ризующим возможность практического приме- нения объемных микроволновых резонаторов, является коэффициент передачи. Очень важно, чтобы в процессе продольного перемещения аксиального стержня он был постоянным или изменялся минимально. Косвенным подтвер- ждением постоянства коэффициента передачи может быть отсутствие смещения максиму- ма электрического поля в объеме резонатора в процессе его механической перестройки. Распределение структуры электрического поля было получено с помощью МКЭ для раз- личных продольных координат аксиального стрежня в обоих рассматриваемых резонаторах. На рис. 5 можно наблюдать динамику изме- нения структуры электрического поля в бико- нических резонаторах с 0 20α = ° и 0 30α = ° в зависимости от изменения продольного по- ложения аксиального стержня с коническим уча- стком при 1 9 .α = ° Наиболее затемненная об- ласть в центральной части резонаторов соот- ветствует области наибольшей напряженности Рис. 4. Частотная зависимость координаты плос- костей критического сечения при положении плос- кости сопряжения цилиндрического и коническо- го участков внутреннего аксиального стержня в области 1 (а) и области 2 (б): –– – d L 0.06= (цилиндр); – L D 0.6;= − + – L D 0.4;= − – L D 0.6;= – L D 0= Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами 439Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 электрического поля. Хорошо видно, что при продольном перемещении стержня эта часть поля подвергается минимальной деформации. Следовательно, если элементы связи будут расположены в центре боковой поверхности резонатора, то при механической перестройке будет обеспечено минимальное изменение ко- эффициента передачи. Аналогичная картина будет иметь место при перемещении аксиального стержня с ко- ническим элементом в цилиндрическом резо- наторе. В этом случае структура поля также подвержена минимальной деформации, и при расположении элементов связи на боковой по- верхности в центре резонатора коэффициент передачи будет практически неизменен. 4. Экспериментальная проверка результатов численных исследований Для проверки результатов расчетов был раз- работан и изготовлен макет измерительного устройства (см. рис. 6, а) на основе бикони- ческого резонатора (см. рис. 6, б) с парамет- рами: 50D = мм, 0 43.301L = мм, 0 30 ,α = ° 3d = мм и 1 5.5 ,α = ° – который позволил про- вести измерения зависимости резонансной частоты резонатора от продольной координа- ты стержня с коническим участком. Измерения проводились с использованием панорамного измерителя Р2-61 и волномера. Исследуемый резонатор и волномер устанав- ливались в измерительный тракт по схеме измерения коэффициента передачи. Результаты измерений и расчетов представ- лены на рис. 7. Расчеты зависимости резо- нансной частоты от продольного перемеще- ния стержня были проведены для биконичес- ких резонаторов с углами при вершине конуса 0 30α = ° и 30.5 .° Как видно из представлен- ных результатов, расхождение расчетных (для 0 30 )α = ° и экспериментальных значений ре- зонансной частоты биконического резонатора носит систематический характер во всем ис- следованном диапазоне продольного переме- щения стержня и не превышает 45 МГц. Отме- тим, что погрешность определения вершины резонансного пика составляла не более 1.5 МГц (соответствует цене одного деления волномера), а отклонение амплитуды наблюдаемого резонанс- ного сигнала во всем диапазоне перемещения стержня относительно амплитуды резонансного сигнала в точке 0z = – не более 0.5 дБ. Систематическое расхождение расчетных и экспериментальных значений резонансной ча- стоты, наиболее вероятно, вызвано погрешнос- тью изготовления биконического резонатора. В первую очередь, это относится к углу конуса при вершине, для которого погрешность при изготовлении может достигать 0.5 .° Подтвер- ждением этому может быть то, что экспери- ментальная кривая расположена внутри кори- дора, образованного зависимостями резонанс- ной частоты, рассчитанными для резонатора с 0 30α = ° и 30.5 .° Рис. 5. Динамика изменения структуры электрического поля в биконическом резонаторе при изменении продольного положения аксиального стержня О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов 440 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 Выводы В результате проведенных исследований зависимости резонансных свойств биконичес- ких и цилиндрических микроволновых резона- торов от механической перестройки их пара- метров аксиальным проводником с коничес- ким участком установлено следующее: – возрастание величины угла конического участка на аксиальном стержне приводит к рас- ширению динамического диапазона перестрой- ки резонатора и возрастанию чувствительности резонансной частоты и добротности к продоль- ному перемещению аксиального стержня; – для биконического резонатора можно регулировать длину интервала механической перестройки резонаторов, ширину динамичес- кого диапазона перестройки резонансной час- тоты, изменяя соотношение углов 0α и 1α при постоянных диаметрах оснований конусов биконического резонатора и диаметре цилин- дрического участка стержня; – по сравнению с биконическими цилиндри- ческие резонаторы более чувствительны к ме- ханической перестройке аксиальным стержнем с коническим участком; – при равных геометрических размерах внутреннего перемещаемого аксиального стержня длина участка линейной перестройки резонансной частоты у биконического резона- тора больше, чем у цилиндрического; – продольное перемещение аксиального стержня с коническим элементом в цилиндри- ческом и биконическом резонаторах минимально деформирует структуру их электрических по- лей, что обеспечивает постоянство коэффи- циента передачи резонатора. Литература 1. Makimoto M., Yamashita S. Microwave resonators for wireless communication. Theory, design and ap- plication. – Berlin.: Springer – Verlag, 2001. – 162 p. 2. Дробахин О. О., Заболотный П. И., Привалов Е. Н. Датчики перемещений на основе круглых цилинд- рических СВЧ-резонаторов // Техника и приборы СВЧ. – 2008. – № 2. – С. 24-29. 3. Harrington R. F. Time–harmonic electromagnetic fields. – New York: Wiley, 2001. – 480 p. 4. Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ. Согласующие цепи и цепи связи. Том II. – М.: Связь, 1972. – 249 с. 5. Thal Herbert L. Cylindrical 011 111TE TM mode cont- rol by cavity shaping // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1979. – Vol. MTT-27, No. 12. – P. 982-986. 6. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных эле- ментов для радиоинженеров и инженеров-электри- ков: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 229 с. 7. Машковцев Б. М., Цибизов К. Н., Емелин Б. Ф. Теория волноводов. – М.: Наука, 1966. – 352 с. Рис. 6. Макет измерительного устройства (а) и биконический СВЧ резонатор (б) Рис. 7. Зависимость значений резонансных частот биконического резонатора с D 50= мм, 1 5.5α = ° от продольной координаты внутреннего аксиаль- ного стержня: – – – экспериментальные данные при 0 30α = °; ––– – расчетные при 0 30α = °; – – – – расчетные при 0 30,5α = ° Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами 441Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №4 Резонансні властивості аксиально- симетричних мікрохвильових резонаторів з конічними елементами О. О. Дробахін, П. І. Заболотний, Є. М. Привалов Досліджено особливості механічної пере- стройки параметрів циліндричних та біконіч- них мікрохвильових резонаторів поздовжнім переміщенням аксіального стержня з конічним профілем. Показано залежність між величи- ною кута конічної ділянки на аксіальному стержні і параметрами досліджених резона- торів. Відзначено мінімальний вплив поздовж- нього переміщення аксіального стержня з ко- нічним елементом на структуру електричних полів резонаторів. Експериментально перевіре- но розрахунки для біконічного резонатора. Отримано добрий збіг експериментальних та розрахункових даних. Resonance Properties of Axially Symmetrical Microwave Resonators with Conical Elements O. O. Drobakhin, P. I. Zabolotny, and E. N. Privalov Characteristic of cylindrical and biconical reso- nator parameter tuning by longitudinal mecha- nical shifting of axial rod with conical profile is investigated. The connection between the angle value of a conical part of the axial rod and the parameters of the resonators investigated is stu- died. Minimal influence of longitudinal mecha- nical shifting of the axial rod with a conical pro- file on the structure of resonator electrical fields is shown. The calculations are experimental- ly verified. The experiments have shown good agreement of the results.

Резонансные свойства аксиально-симметричных микроволновых резонаторов с коническими элементами

Репозитарії

Схожі ресурси