Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника
Исследованы особенности перестройки частоты цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со скачкообразным изменением диаметра внутреннего проводника и определены границы изменения геометрических размеров, обеспечивающие одномодовый режим его работы на типе колебаний H011. Показана целесообразность...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8442 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 104-110. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8442 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. 2010-05-28T13:31:12Z 2010-05-28T13:31:12Z 2009 Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 104-110. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8442 621.371 Исследованы особенности перестройки частоты цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со скачкообразным изменением диаметра внутреннего проводника и определены границы изменения геометрических размеров, обеспечивающие одномодовый режим его работы на типе колебаний H011. Показана целесообразность практического применения внутреннего проводника со скачкообразным изменением диаметра для перестройки частоты цилиндрического резонатора в измерителях продольных перемещений. Досліджено особливості перестроєння частоти циліндричного коаксіального НВЧ резонатора зі стрибкоподібною зміною діаметра внутрішнього провідника та визначено межі зміни геометричних розмірів, що забезпечують одномодовый режим його роботи на типі коливань H011. Показано доцільність практичного застосування внутрішнього провідника зі стрибкоподібною зміною діаметра для перестроєння частоти циліндричного резонатора у вимірювачах поздовжніх переміщень. Variations of resonance frequencies of a cylindrical coaxial resonator with the inner conductor diameter jump are investigated. The change limits for geometrical dimension of the microwave resonator providing its single-mode oscillation of type H011 are determined. The expediency of practical application of the cylindrical microwave resonator with the aforementioned inner conductor shape for frequency tuning in displacement meters is shown. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Прикладные аспекты радиофизики и электроники Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника Резонансні властивості датчика переміщень на основі циліндричного коаксіального НВЧ резонатора зі східчастою формою внутрішнього провідника Resonance Properties of Displacement Sensor Using a Cylindrical Coaxial Microwave Resonator with the Inner Conductor Jump Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| spellingShingle |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. Прикладные аспекты радиофизики и электроники |
| title_short |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| title_full |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| title_fullStr |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| title_full_unstemmed |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| title_sort |
резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального свч резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника |
| author |
Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. |
| author_facet |
Дробахин, О.О. Заболотный, П.И. Привалов, Е.Н. |
| topic |
Прикладные аспекты радиофизики и электроники |
| topic_facet |
Прикладные аспекты радиофизики и электроники |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Радіоастрономічний інститут НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Резонансні властивості датчика переміщень на основі циліндричного коаксіального НВЧ резонатора зі східчастою формою внутрішнього провідника Resonance Properties of Displacement Sensor Using a Cylindrical Coaxial Microwave Resonator with the Inner Conductor Jump |
| description |
Исследованы особенности перестройки частоты цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со скачкообразным изменением диаметра внутреннего проводника и определены границы изменения геометрических размеров, обеспечивающие одномодовый режим его работы на типе колебаний H011. Показана целесообразность практического применения внутреннего проводника со скачкообразным изменением диаметра для перестройки частоты цилиндрического резонатора в измерителях продольных перемещений.
Досліджено особливості перестроєння частоти циліндричного коаксіального НВЧ резонатора зі стрибкоподібною зміною діаметра внутрішнього провідника та визначено межі зміни геометричних розмірів, що забезпечують одномодовый режим його роботи на типі коливань H011. Показано доцільність практичного застосування внутрішнього провідника зі стрибкоподібною зміною діаметра для перестроєння частоти циліндричного резонатора у вимірювачах поздовжніх переміщень.
Variations of resonance frequencies of a cylindrical coaxial resonator with the inner conductor diameter jump are investigated. The change limits for geometrical dimension of the microwave resonator providing its single-mode oscillation of type H011 are determined. The expediency of practical application of the cylindrical microwave resonator with the aforementioned inner conductor shape for frequency tuning in displacement meters is shown.
|
| issn |
1027-9636 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8442 |
| citation_txt |
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора со ступенчатой формой внутреннего проводника / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 1. — С. 104-110. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT drobahinoo rezonansnyesvoistvadatčikaperemeŝeniinaosnovecilindričeskogokoaksialʹnogosvčrezonatorasostupenčatoiformoivnutrennegoprovodnika AT zabolotnyipi rezonansnyesvoistvadatčikaperemeŝeniinaosnovecilindričeskogokoaksialʹnogosvčrezonatorasostupenčatoiformoivnutrennegoprovodnika AT privaloven rezonansnyesvoistvadatčikaperemeŝeniinaosnovecilindričeskogokoaksialʹnogosvčrezonatorasostupenčatoiformoivnutrennegoprovodnika AT drobahinoo rezonansnívlastivostídatčikaperemíŝenʹnaosnovícilíndričnogokoaksíalʹnogonvčrezonatorazíshídčastoûformoûvnutríšnʹogoprovídnika AT zabolotnyipi rezonansnívlastivostídatčikaperemíŝenʹnaosnovícilíndričnogokoaksíalʹnogonvčrezonatorazíshídčastoûformoûvnutríšnʹogoprovídnika AT privaloven rezonansnívlastivostídatčikaperemíŝenʹnaosnovícilíndričnogokoaksíalʹnogonvčrezonatorazíshídčastoûformoûvnutríšnʹogoprovídnika AT drobahinoo resonancepropertiesofdisplacementsensorusingacylindricalcoaxialmicrowaveresonatorwiththeinnerconductorjump AT zabolotnyipi resonancepropertiesofdisplacementsensorusingacylindricalcoaxialmicrowaveresonatorwiththeinnerconductorjump AT privaloven resonancepropertiesofdisplacementsensorusingacylindricalcoaxialmicrowaveresonatorwiththeinnerconductorjump |
| first_indexed |
2025-11-25T21:12:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:12:27Z |
| _version_ |
1850553740552044544 |
| fulltext |
Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1, с. 104-110
© О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов, 2009
УДК 621.371
Резонансные свойства датчика перемещений
на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора
со ступенчатой формой внутреннего проводника
О. О. Дробахин, П. И. Заболотный1, Е. Н. Привалов1
Днепропетровский национальный университет,
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 18 июня 2008 г.
Исследованы особенности перестройки частоты цилиндрического коаксиального СВЧ резо-
натора со скачкообразным изменением диаметра внутреннего проводника и определены границы
изменения геометрических размеров, обеспечивающие одномодовый режим его работы на типе
колебаний 011.H Показана целесообразность практического применения внутреннего проводника
со скачкообразным изменением диаметра для перестройки частоты цилиндрического резонато-
ра в измерителях продольных перемещений.
1. Введение
Возможность построения датчиков продоль-
ных перемещений, в частности вибраций, на
основе СВЧ резонаторов базируется на явле-
нии зависимости резонансной частоты СВЧ
резонатора от изменения объема внутренней
полости. Наиболее очевидным способом пере-
стройки частоты является продольное переме-
щение торцевых поверхностей цилиндрических
резонаторов [1, 2]. Такой способ обеспечивает
максимальную крутизну и широкий динами-
ческий диапазон перестройки частоты, но его
практическое применение возможно при усло-
вии однозначного соответствия резонансной
частоты резонатора продольной координате
его торцевой стенки, что возможно только при
одномодовом режиме работы резонатора.
Однако если продольные перемещения торце-
вых стенок составляют величину более
10 15 %÷ от длины резонатора, то могут воз-
никать другие виды колебаний, попадающие
в тот же диапазон перестройки, что и у основ-
ного рабочего типа. Обеспечить одномодо-
вый режим в таких случаях сложно, поскольку
необходимы непростые технические решения,
в том числе и по организации селективного
возбуждения [3]. Вследствие этого использо-
вание продольных перемещений торцевых
стенок резонатора в случае, когда длина резо-
натора изменяется в широких пределах, не це-
лесообразно. Кроме того, несмотря на несом-
ненное преимущество систем с широким ди-
намическим диапазоном изменения резонанс-
ных частот, их практическое использование
требует применения соответствующих доро-
гостоящих широкополосных генераторов.
С учетом этих обстоятельств резонаторные
измерители с продольным перемещением тор-
цевой стенки используют преимущественно
тогда, когда необходимо осуществлять высо-
коточные измерения параметров при микро-
перемещениях [1, 2, 4, 5].
В случаях, когда сужение динамического
диапазона перестройки резонансных частот
объемных резонаторных СВЧ измерителей
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора...
105Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
мая подшипниками с диаметрами, равными
соответствующим диаметрам внутреннего
проводника, обеспечивает строго соосное пе-
ремещение плоскости скачкообразного изме-
нения диаметра стержня.
Целью настоящей работы является иссле-
дование особенностей перестройки частоты и
определение границ изменения геометричес-
ких размеров цилиндрического коаксиального
СВЧ резонатора со скачкообразным измене-
нием диаметра внутреннего стержня, при ко-
торых обеспечивается одномодовый режим
его работы и согласование с частотным диа-
пазоном перестройки недорогих портативных
СВЧ генераторов.
3. Основные расчетные соотношения.
Обсуждение результатов расчетов
В качестве рабочего типа колебаний был
выбран азимутально-симметричный магнит-
ный тип колебания 011.H Это объясняется
тем, что, во-первых, для данного типа доб-
ротность колебательной системы максималь-
на, во-вторых, отсутствие радиальных токов
позволяет бесконтактным способом беспре-
пятственно вводить в полость резонатора
металлические стержни, в-третьих, продоль-
ное магнитное поле на поверхности внутрен-
него металлического проводника достигает
Рис. 1. Продольное сечение цилиндрического
коаксиального резонатора со скачкообразным
изменением диаметра стержня: 1 – поглотитель;
2 – корпус СВЧ резонатора; 3 – подшипники-по-
глотители; 4 – подвижный стержень
не является основным препятствием для их
применения, изменение их объема (соответ-
ственно и резонансной частоты) осуществля-
ют за счет частичного заполнения объема ре-
зонатора металлическими или диэлектричес-
кими стержнями, т. е. путем перехода к ис-
пользованию коаксиальных резонаторов. Из-
вестно, что, изменяя соотношение между ди-
аметром полости резонатора и диаметром
коаксиального проводника, можно в широких
пределах менять динамический диапазон пе-
рестройки резонансной частоты [6]. Один из
вариантов подобного подхода реализован в [7].
В этой работе рассмотрены особенности пе-
рестройки резонансной частоты резонатора при
изменении положения торца металлического
стержня постоянного диаметра вдоль продоль-
ной оси. При этом металлический стержень
соединен c перемещающимся контролируе-
мым объектом. Такой вариант предполагает
применение конструкций с консольным закреп-
лением вводимого в резонатор стержня. Не-
достаток такой односторонней фиксации про-
дольных стержней заключается в сложности
обеспечения строго соосного перемещения
внутреннего проводника коаксиального резо-
натора. Этот фактор является дополнитель-
ным неконтролируемым источником погреш-
ностей измерения величин продольных пере-
мещений, особенно при наличии поперечных
динамических нагрузок. Для его устранения
предлагается вариант перестройки цилиндри-
ческого СВЧ резонатора осевым перемеще-
нием внутреннего проводника ступенчатой
формы, который контактирует с объектом, со-
вершающим продольные колебания. Направ-
ляющими опорами этого стержня являются
два подшипника скольжения (рис. 1).
2. Постановка задачи
Скачкообразное изменение диаметра внут-
реннего проводника при продольном переме-
щении вдоль оси резонатора является источ-
ником возмущения электромагнитного поля ре-
зонатора и, следовательно, ведет к измене-
нию его резонансной частоты. Двухсторонняя
фиксация внутреннего стержня, осуществляе-
О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов
106 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
максимума, что повышает чувствительность
резонансной частоты к изменениям геомет-
рии внутреннего проводника.
Для расчета резонансных частот было
получено выражение на основе классической
схемы метода частичных областей (МЧО) [7],
суть которой заключается в разбиении всей
области определения электромагнитного поля
на простые частичные соприкасающиеся об-
ласти, в которых электрическое и магнитное
поля представляются в виде разложения в ряд
по наборам собственных волн выделенных
регулярных участков.
Геометрия рассматриваемой резонансной
системы была разбита на две области (рис. 1.):
1 1 2 1 2 2 3I. 0 , ; II. ; .z l a r a l z l a r a≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤
Для каждой из областей можно записать
решение волнового уравнения относительно
электрического Е и магнитного Н полей в виде
комбинаций цилиндрических и тригонометри-
ческих функций.
Наложение граничных условий на танген-
циальные составляющие электрического и
магнитного полей на проводящих поверхнос-
тях и на границах частичных областей –
1 0Eϕ = при 1z l= и 1 2 ,a r a≤ ≤
1 2 ,E Eϕ ϕ= 1 2r rH H= при 1z l= и 2 3,a r a≤ ≤
а также интегрирование по поперечному
сечению с использованием ортогональности
цилиндрических функций в условиях возбуж-
дения только волны типа 01H дает следую-
щее выражение для расчета резонансных
частот:
22 2 2 2
3 0 1 3 1 0 1 1 1 2 2
1 1 2 2
0 2 2 1 1 2 2 1 2
( ) ( ) 2tg( )
( ) ( )
a Z a a Z a al
Z a Z a
⎛ ⎞χ − χ γ χγ = ×⎜ ⎟χ χ γ χ − χ⎝ ⎠
( )0 2 2 1 1 2
2 1 22 2 2 2
3 0 2 3 2 0 2 2
( ) ( ) tg ( ) .
( ) ( )
Z a Z a l l
a Z a a Z a
χ χ× γ −
χ − χ
Здесь функции 0Z и 1Z находятся из следую-
щего выражения [8]:
1 3 1 3( ) ( ) ( ) ( ) ( ),m i j m i j i i m i jZ a J a N a J a N aχ = χ χ − χ χ
где 0, 1;m = 1, 2i = – номер соответствую-
щей частичной области; 1, 2, 3j = – индексы
соответствующего диаметра ;ja 1,J 1N –
функции Бесселя и Неймана 1-го порядка;
2 2
1 2 ,kγ = − χ 2 2
2 2 ,kγ = − χ 2 ,k f c= π с –
скорость света в вакууме, а 1χ и 2χ находят-
ся из соответствующих уравнений [8, 9]:
1 1 1 1 1 3 1 1 3 1 1 1( ) ( ) ( ) ( ) 0,J a N a J a N aχ χ − χ χ =
1 2 2 1 2 3 1 2 3 1 2 2( ) ( ) ( ) ( ) 0.J a N a J a N aχ χ − χ χ =
На рис. 2 представлена полученная в ре-
зультате расчетов зависимость нормирован-
ных резонансных частот 0 3k a для цилиндри-
ческого коаксиального резонатора с типом
колебаний 011H от координаты скачка диамет-
ра внутреннего проводника при 1 3 0.1.a a =
Анализ результатов показывает, что в слу-
чае отношения 2 3 0.5a a = имеет место изме-
нение резонансной частоты примерно в 1.5 раза.
Такой диапазон перестройки обеспечивает вы-
сокую чувствительность к продольным переме-
щениям положения скачка диаметра внутрен-
него проводника.
Был проведен сопоставительный анализ
результатов, полученных МЧО и методом ко-
Рис. 2. Зависимость нормированных резонансных
частот резонатора от координаты скачка диа-
метра внутреннего проводника при 1 3a a 0.1 :=
– – – – 2 3a a 0.5;= – · – – 2 3a a 0.4;=
– · · – – 2 3a a 0.3;= —— – 2 3a a 0.2=
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора...
107Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
нечных элементов (МКЭ). Относительное от-
клонение результатов, полученных МЧО, от ре-
зультатов, полученных МКЭ, для рассмотрен-
ных в статье случаев не превысило 1.5 %. При
этом максимальное отклонение наблюдается при
положении скачка диаметра внутреннего про-
водника посередине резонатора для 2 3 0.5.a a =
Расчеты, проведенные для других отноше-
ний 2 3 ,a a показали, что в этих случаях также
можно найти оптимальное соотношение между
2a и 3,a обеспечивающее высокую чувстви-
тельность резонансной системы к изменению
координаты скачка диаметра внутреннего про-
водника.
Однако резонатор преобразователя во всем
рабочем диапазоне продольных перемещений
должен иметь лишь один резонанс и возбуж-
даться лишь на одном типе колебаний. Так
как азимутально-симметричные колебания
типа 011H не являются основным типом коле-
баний коаксиального цилиндрического резона-
тора, то не всегда при большом динамичес-
ком диапазоне перестройки резонансной час-
тоты удается обеспечить возбуждение только
этого типа колебаний без существенного ус-
ложнения системы возбуждения резонатора.
Соответственно возникает необходимость оп-
ределения допустимого коридора изменения
значений диаметров внутрен-него ступенчато-
го проводника, при которых выбранный тип ко-
лебаний был бы гарантированно единственным
рабочим типом.
Для определения границ этого коридора были
проведены расчеты собственных нормирован-
ных резонансных частот разных типов колеба-
ний цилиндрического коаксиального резонато-
ра радиуса 3a в зависимости от нормированно-
го радиуса коаксиального металлического стер-
жня 1 3.a a Особое внимание обращалось на
колебания, резонансные частоты которых близ-
ки по своим значениям к резонансным часто-
там рабочего типа колебаний 011.H
Нормированные резонансные частоты для
типов колебаний nmpE и nmpH определяются
выражением:
, 2 2
, , 3 , 3 3 2( ) ( ) .e h
n m p n mk a a p a l= χ + π
Здесь ,
,
e h
n mχ – поперечное волновое число, опре-
деляемое из соответствующих уравнений [8, 9]:
3 1 1 3( ) ( ) ( ) ( ) 0,e e e e
n m n m n m n mJ a N a J a N aχ χ − χ χ =
3 1 1 3( ) ( ) ( ) ( ) 0.h h h h
n m n m n m n mJ a N a J a N a′ ′ ′ ′χ χ − χ χ =
Индекс e относится к колебаниям ;nmpE
индекс h – к ;nmpH ,nJ nN – функции Бесселя
и Неймана n-го порядка; ,nJ ′ nN ′ – первые
производные функций Бесселя и Неймана n-
го порядка; n, m, p – целые числа, характери-
зующие распределение электромагнитного
поля вдоль угловой, радиальной и продольной
координат соответственно.
Резонансные частоты соответствующих
типов колебаний , ,n m pf определялись из выра-
жения , , , ,2 .n m p n m pk f c= π
Поскольку предварительные оценки шири-
ны динамического диапазона перестройки ре-
зонансных частот резонатора с значениями
отношения 1 3 0.3a a > показали, что он сопо-
ставим с динамическим диапазоном, наблю-
даемым у резонатора с подвижной торцевой
стенкой, мы рассматривали только значения
отношения 1 3 0.2.a a <
На рис. 3–5 приводятся рассчитанные но-
мограммы нормированных резонансных частот,
ближайших по своим значениям к рабочему
типу колебаний 011,H для различных отноше-
ний 3 2.a l
Как видно из представленных рисунков,
путем подбора отношения радиуса резонатора
к его длине можно обеспечить возбуждение
только одного рабочего типа колебаний 011H
в определенном интервале изменения значе-
ний отношения 1 3.a a
Из рис. 3–5 следует, что самый широкий
допустимый диапазон изменения 1 3a a (со-
ответствует ширине заштрихованной области),
обеспечивающий условия отсутствия других
типов колебаний, наблюдается для резонатора
с отношением его радиуса к длине 3 2 0.6.a l =
Диапазон изменения 1 3a a для него находится
в интервале от 0.02 до 0.19. Более узкий допу-
стимый диапазон изменения 1 3a a наблюдает-
ся для резонатора с отношением 3 2 0.5a l =
и наименьший – для 3 2 0.4.a l =
О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов
108 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
Таким образом, в рассмотренном диапазоне
изменения отношения 3 2a l хорошо просмат-
ривается тенденция: с уменьшением величины
3 2a l уменьшается диапазон допустимого из-
менения диаметра внутреннего проводника. При
этом наблюдается смещение этого допустимо-
го коридора в область более высоких резонанс-
ных частот и значений отношения 1 3.a a
Количественные оценки данных, полученных
для цилиндрического резонатора со скачкооб-
разным изменением диаметра внутреннего
проводника, показали, что динамический диа-
пазон перестройки его резонансной частоты
близок к динамическим диапазонам недорогих
и портативных СВЧ генераторов. Как правило
ширина полосы перестройки частоты колеба-
ний в них не превышает 10 % от минимального
значения генерируемой частоты [10, 11]. Таким
образом, рассматриваемый датчик позволяет
контролировать перемещения в два и более раз
большие, чем датчик на основе резонаторов с
подвижными торцевыми стенками.
В частности, количественная оценка воз-
можностей цилиндрического коаксиального
резонатора диаметром 40 мм при 1 3 0.2a a =
показала, что он позволяет контролировать
продольные перемещения до 20 мм. Резо-
нансная частота этого резонатора при типе
колебаний 011H изменяется в интервале от
10779 до 10110 МГц. Таким образом, динами-
ческий диапазон перестройки резонансной
частоты резонатора не превышает 70 МГц.
Следует заметить, что при устранении
ненужных типов колебаний путем правиль-
ного выбора соотношений геометрических
размеров основных элементов резонатора
остается паразитный тип колебаний 111,E
у которого резонансные частоты совпадают
с резонансными частотами рабочего типа
колебаний 011.H
Рис. 5. Зависимость нормированных резонансных
частот цилиндрического коаксиального резона-
тора от отношения его внутреннего и внешнего
диаметров при 3 2a l 0.4 := – 012E ; – 212H ;
– 011H ; – 112H ; – 011E ; × – 003TEM ;
– – – – 113H
Рис. 3. Зависимость нормированных резонансных
частот цилиндрического коаксиального резонато-
ра от отношения его внутреннего и внешнего диа-
метров при 3 2a l 0.6 := – 012E ; – 212H ; –
011H ; – 112H ; – 011E ; – 002TEM ; – 211H
Рис. 4. Зависимость нормированных резонансных
частот цилиндрического коаксиального резона-
тора от отношения его внутреннего и внешнего
диаметров при 3 2a l 0.5 := – 012E ; – 212H ;
– 011H ; – 112H ; – 011E ; – 002TEM ;
– 211H ; – – – – 113H
Резонансные свойства датчика перемещений на основе цилиндрического коаксиального СВЧ резонатора...
109Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
Это обстоятельство также необходимо учи-
тывать при практической реализации измери-
теля продольных перемещений, так как пере-
мещение скачка диаметров внутреннего про-
водника может приводить к расщеплению ре-
зонансных частот 011H и 111E типов колеба-
ний, что влечет за собой неоднозначность оп-
ределения продольного положения скачка ди-
аметров внутреннего проводника, а следова-
тельно, к погрешностям определения значе-
ний продольных перемещений.
Для подавления этих нежелательных типов
колебаний можно использовать тот факт, что
при рабочем типе колебаний 011H в торцевых
стенках резонатора отсутствуют радиальные
токи, которые имеются при паразитном типе
колебаний 111.E Благодаря этому торцевые
стенки могут быть изготовлены с кольцевы-
ми канавками, заполненными поглощающим
материалом. Такие канавки могут быть вы-
полнены в областях, сопредельных с внешним
радиусом резонатора. Кроме того, для подав-
ления возможного возбуждения электромаг-
нитных колебаний ТЕМ, а также улучшения
скольжения внутреннего проводника и его цен-
тровки могут быть использованы диэлектри-
ческие втулки, например, из капролона с гра-
фитовым наполнителем.
Пример реализации подобного решения
схематически показан выше на рис. 1.
Выводы
В результате проведенных исследований
резонансных свойств датчика перемещений на
основе цилиндрического коаксиального СВЧ
резонатора со ступенчатой формой внутрен-
него проводника в рассмотренном диапазоне
изменения геометрических размеров резона-
тора установлено:
– путем подбора отношения радиуса резо-
натора к его длине можно обеспечить одно-
модовый режим его работы на рабочем типе
колебаний 011H в определенном интервале
изменения значений отношения 1 3.a a
– с уменьшением величины 3 2a l наблю-
дается уменьшение ширины коридора допус-
тимого изменения диаметра внутреннего про-
водника, при котором гарантируется одномо-
довый режим его работы;
– наиболее широкий коридор изменения
1 3 ,a a обеспечивающий одномодовый режим
работы на типе колебаний 011,H наблюдает-
ся для резонатора с отношением его радиуса
к длине 3 2 0.6;a l =
– для однозначного соответствия значений
резонансных частот продольным перемещени-
ям и обеспечения одномодового режима рабо-
ты резонатора при рабочем типе колебаний
011H целесообразно ограничиться значениями
отношения 2 3a a не более 0.2 и 3 2 0.6.a l =
Литература
1. Billeter T. R., Brown D. P., Spear W. G. Pressure mea-
surement instrument for liquid metal reactors // IEEE
Trans. Nucl. Sci. – 1970. – Vol. NS-17. – P. 495-500.
2. Nitka E. F., Ishii T. K. Microwave ferrite acceleration
sensor // IEEE Trans. Electron Devices. – 1969. –
Vol. ED-16, No. 10. – P. 845-849.
3. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких
частотах. – М.: Физматгиз, 1963. – 368 с.
4. Панченко А. Ю. Определение сдвигов частот
объемных резонаторов при акустическом воз-
мущении заполняющей среды // Радиотехника.
Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. – Харьков:
ХНУРЭ. – 2001. – Вып. 118. – С. 109-112.
5. Polivka J. An Overview of Microwave Sensor
Technology // High Frequency Electronics. – 2007. –
April. – P. 32-42.
6. Дробахин О. О., Заболотный П. И. Датчики наруж-
ного диаметра на основе СВЧ-резонаторов // Вест-
ник Днепропетровского университета. Серия
Физика. Радиоэлектроника. – Днепропетровск:
ДНУ. – 2008. – Т. 16, №2/1. – С. 143-150.
7. Пилипенко О. В., Заболотний П. І, Запольській Л. Г.
НВЧ – щуп для локальних вимірювачів параметрів
вібрацій з низькою частотою // Автоматизація ви-
робничих процесів у машинобудуванні та прила-
добудуванні: Український міжвідомчий науково –
технічний збірник. – Львів: Видавництво Національ-
ного університету “Львівська політехніка”, 2006. –
Вип. 40. – С. 177-183.
8. Григорьев А. Д, Янкевич В. Б. Резонаторы и резо-
наторные замедляющие системы СВЧ. Численные
методы расчета и проектирования. – М.: Радио
и связь, 1984. – 248 с.
9. Гольдштейн Л. Д. Электромагнитные поля и
волны. – М.: Советское радио, 1971. – 325 с.
10. http://hittite.com/products/index.html/category/59
11. http://www.minicircuit.com
О. О. Дробахин, П. И. Заболотный, Е. Н. Привалов
110 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №1
Резонансні властивості датчика
переміщень на основі циліндричного
коаксіального НВЧ резонатора
зі східчастою формою внутрішнього
провідника
О. О. Дробахін, П. І. Заболотний,
Е. М. Привалов
Досліджено особливості перестроєння час-
тоти циліндричного коаксіального НВЧ резона-
тора зі стрибкоподібною зміною діаметра внут-
рішнього провідника та визначено межі зміни
геометричних розмірів, що забезпечують одно-
модовый режим його роботи на типі коливань
011.H Показано доцільність практичного зас-
тосування внутрішнього провідника зі стрибко-
подібною зміною діаметра для перестроєння
частоти циліндричного резонатора у вимірюва-
чах поздовжніх переміщень.
Resonance Properties of Displacement
Sensor Using a Cylindrical
Coaxial Microwave Resonator
with the Inner Conductor Jump
O. O. Drobakhin, P. I. Zabolotny,
and E. N. Privalov
Variations of resonance frequencies of a cy-
lindrical coaxial resonator with the inner conduc-
tor diameter jump are investigated. The change
limits for geometrical dimension of the microwave
resonator providing its single-mode oscillation of
type 011H are determined. The expediency of
practical application of the cylindrical microwave
resonator with the aforementioned inner conduc-
tor shape for frequency tuning in displacement
meters is shown.
|