Гиперссылка 2.1 Объемные резонаторы

Объёмный резонатор — устройство, основанное на явлении резонанса, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определенных длинах волн добротных колебаний в виде бегущей или стоячей волны.

В соответствии с уравнениями Максвелла переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, и наоборот. Между электрическим и магнитным полями происходит непрерывный обмен энергией.

Если каким-либо образом ограничить некоторый объём пространства отражающими стенками, препятствующими потере энергии из этого объёма за счет излучения, то в этом объёме на некоторых длинах волн, определяемых размерами устройства, можно возбудить электромагнитные колебания. Если полый резонатор образован металлическими стенками, то он также часто называется закрытым резонатором.

Форма ограничивающей поверхности объемного резонатора в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили объемные резонаторы некоторых простейших форм (рис. 1, а) К ним относятся круглые цилиндры, прямоугольные (рис. 1, а) параллелепипеды, тороиды (рис. 1, б), сферы и др.

а)

б)

Рисунок 1

Процесс накопления электромагнитной энергии в объемном резонаторе можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается плоская волна, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ; — длина волны, а n — целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны, амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает. В пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.

Свободные колебания в объемном резонаторе при отсутствии потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в действительности потери энергии в нем неизбежны. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренних стенках резонатора электрические токи, которые нагревают стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме того, если в стенках объемного резонатора есть отверстия, которые пересекают линии тока, то вне резонатора возбуждается электромагнитное поле, что вызывает потери энергии на излучение. Помимо этого, есть потери энергии в диэлектрике

Потери энергии в среде, заполняющей полость, и поглощение в экранирующих стенках приводят к затуханию собственных колебаний. Добротность объемного резонатора определяется как отношение запасённой энергии к потерям энергии за период колебаний.

Металлические полые объемные резонаторы изготавливают обычно из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Cu и их сплавы) или покрывают полость изнутри слоем Ag или Au.

Настройка объемного резонатора на определённую частоту производится изменением его объёма путём перемещения стенок или введения в полость объемного резонатора металлических поршней, пластин и др. настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно через отверстия в стенках объемного резонатора с помощью петель, штырей и др. элементов связи.