Объёмный резонатор

колебательная система сверхвысоких частот, аналог колебательного контура (См. Колебательный контур). Представляет собой объём, заполненный диэлектриком (См. Диэлектрики) (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью либо пространством с иными электрическими и магнитными свойствами. Наибольшее распространение имеют полые О. Р. — полости, ограниченные металлическими стенками. Форма ограничивающей поверхности О. Р. В общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили О. Р. Некоторых простейших форм. К ним относятся круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др.

Некоторые типы О. Р. Удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов (см. Радиоволновод), ограниченные двумя параллельными плоскостями. Задача о собственных колебаниях электромагнитного поля в О. Р. Сводится к решению Максвелла уравнений (См. Максвелла уравнения) с соответствующими граничными условиями. Процесс накопления электромагнитной энергии в О. Р. 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 (рис. 1), 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 О. Р. При отсутствии потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в действительности потери энергии в О. Р. Неизбежны. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренних стенках О. Р. Электрические токи, которые нагревают стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме того, если в стенках О.

Р. Есть отверстия, которые пересекают линии тока, то вне О. Р. Возбуждается электромагнитное поле, что вызывает потери энергии на излучение. Помимо этого, есть потери энергии в диэлектрике (см. Диэлектрические потери) и потери за счёт связи с внешними цепями. Отношение энергии, запасённой в О. Р., к суммарным потерям в нём за период колебаний, называется добротностью О. Р. Чем выше добротность, тем лучше качество О. Р. По аналогии с волноводами типы колебаний в О. Р. Классифицируются по группам в зависимости от того, имеет ли пространственное распределение электромагнитного поля осевые или радиальные (поперечные) компоненты. Колебания типа Н (или ТЕ) имеют осевую компоненту лишь магнитного поля. Колебания типа Е (или ТМ) обладают осевой компонентой только электрического цоля.

Наконец, у колебаний типа ТЕМ ни электрическое, ни магнитное поля не имеют осевых компонентов. Примером О. Р., в котором могут возбуждаться колебания ТЕМ-типа, может служить полость между двумя коаксиальными проводящими цилиндрами, ограниченная с торцов плоскими проводящими стенками, перпендикулярными оси цилиндров. Наиболее распространённым является цилиндрический О. Р. Типы колебаний в цилиндрический О. Р. Характеризуют 3 индексами т, n, р, соответствующими числу полуволн электрического или магнитного поля, укладывающихся по его диаметру, окружности и длине (например, Етпр или Нтпр). Тип колебания (Е или Н) и его индексы определяют структуру электрического и магнитного полей в О. Р. (рис. 2). Колебание Н011 цилиндрич.

О. Р. Обладает особым свойством. Оно безразлично к наличию контакта цилиндрических и торцовых стенок. Магнитные силовые линии этого колебания направлены так (рис. 2, в), что в стенках О. Р. Возбуждаются только токи, текущие по окружностям цилиндра. Это позволяет делать неизлучающие щели в боковых и торцовых стенках О. Р. Кроме цилиндрических О. Р., применяются О. Р. Другой формы, например в лабораторных устройствах — прямоугольные О. Р. (рис. 3, а). Важен О. Р. Тороидальной формы с ёмкостным зазором (рис. 3, б), применяемый в качестве колебательной системы Клистрона. Особенностью основного типа колебаний такого О. Р. Является пространственное разделение электрического и магнитного полей. Электрическое поле локализуется главным образом в ёмкостном зазоре, а магнитное — в тороидальной полости.

Распределение поля в диэлектрическом О. Р. При существенном различии в диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость) диэлектрика и окружающего пространства близко к распределению поля в металлических полых резонаторах той же формы. В отличие от полых О. Р., поле диэлектрических резонаторов проникает в окружающее пространство, однако быстро затухает при удалении от поверхности диэлектрика. Металлические полые О. Р. Изготавливают обычно из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Cu и их сплавы) или покрывают полость изнутри слоем Ag или Au. О. Р. С чрезвычайно высокой добротностью получают из сверхпроводящих металлов (см. Криоэлектроника). Настройка О. Р. На определённую частоту производится изменением его объёма путём перемещения стенок или введения в полость О.

Р. Металлических поршней, пластин и др. Настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно через отверстия в стенках О. Р., с помощью петель, штырей и др. Элементов связи. Для диэлектрических О. Р. Используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (Рутил, тиганат стронция и др.), имеющие малые диэлектрические потери. О. Р. Широко применяются в технике в качестве колебательных систем генераторов (клистронов, Магнетронов и др.), фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а также различных устройств для исследования твердых, жидких и газообразных веществ. О. Р. Применимы для частот 109—1011 гц. Для более высоких частот длина волны возбуждаемых в О. Р. Колебаний становится сравнимой с размерами неизбежных шероховатостей и отверстий в стенках О.

Р., что приводит к рассеянию электромагнитной энергии. Эта недостатки устраняются в открытых резонаторах (См. Открытый резонатор), представляющих собой систему зеркал. Лит. Бройль Л., Электромагнитные волны в волноводах и полых резонаторах, пер. С франц., М., 1948. Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957. И. В. Иванов, В. И. Зубков. Рис. 1. Образование стоячей волны в пространстве между двумя параллельными плоскостями в результате интерференции прямой и отражённых волн. Рис. 2. Простейшие виды колебаний в круглом цилиндрическом полом резонаторе. А — E010, б — H111, в — H011. Сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, пунктиром — силовые линии магнитного поля. Плотность силовых линий характеризует напряжённость поля.

Для колебаний E010 и H111 плотность линий у оси цилиндра максимальна (пучность), а у его стенок равна нулю (узел). Силовые линии магнитного поля — замкнутые кривые. Рис. 3. А — прямоугольный полый объёмный резонатор, в котором возбуждён основной тип колебаний E110. Сплошные линии — силовые линии электрического поля, пунктир — магнитного поля. Б — тороидальный резонатор клистрона. В — резонаторная система магнетрона..