Что такое объемный резонатор?
Объемный резонатор представляет собой колебательную систему, предназначенную для работы в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. По своему функциональному назначению он аналогичен обычному колебательному контуру, но работает на значительно более высоких частотах. Конструктивно резонатор представляет собой замкнутый объем, заполненный воздухом или иным диэлектриком. Этот объем ограничен проводящей поверхностью или пространством с особыми электромагнитными свойствами. Наиболее распространенный тип — полые резонаторы, представляющие собой металлические полости.
Конструкция и формы
Форма ограничивающей поверхности может быть самой разнообразной. На практике чаще всего встречаются резонаторы цилиндрической, прямоугольной, сферической формы или в виде параллелепипеда. Выбор формы обусловлен простотой конфигурации электромагнитных полей внутри, легкостью расчета и изготовления. Многие объемные резонаторы фактически являются отрезками полых или диэлектрических волноводов, замкнутых с двух сторон параллельными металлическими плоскостями.
Принцип действия и образование стоячих волн
Работа объемного резонатора основана на решении уравнений Максвелла с учетом заданных граничных условий. Проще всего принцип можно понять на примере двух параллельных отражающих плоскостей. Плоская волна, перпендикулярная этим плоскостям, многократно отражается между ними. При определенном расстоянии между стенками, кратно полуволне, отраженные волны интерферируют, усиливая друг друга и образуя стоячую волну. Амплитуда колебаний в таком режиме резко возрастает.
Аналогично тому, как в контуре при резонансе накапливается энергия, в объемном резонаторе электромагнитная энергия концентрируется в пространстве между стенками. В идеальной системе без потерь свободные колебания могли бы существовать бесконечно долго. Однако на практике потери энергии неизбежны.
Добротность и потери энергии
Основные причины потерь в реальном резонаторе:
1. Нагрев стенок токами, индуцированными переменным магнитным полем.
2. Излучение энергии через отверстия в стенках, пересекающих линии тока.
3. Потери на связь с внешними цепями.
4. Поглощение энергии в диэлектрике, заполняющем объем.
Важнейшей характеристикой, определяющей качество резонатора, является его добротность (Q). Она численно равна отношению энергии, запасенной в резонаторе, к энергии, теряемой за один период колебаний. Чем выше добротность, тем эффективнее резонатор накапливает энергию и уже его полоса пропускания.
Классификация типов колебаний
Колебания в объемных резонаторах классифицируются по структуре электромагнитного поля, а именно по наличию или отсутствию продольных (осевых) компонент:
- Тип ТЕ (или Н): Магнитное поле имеет осевую компоненту, электрическое поле — чисто поперечное.
- Тип ТМ (или Е): Электрическое поле имеет осевую компоненту, магнитное поле — поперечное.
- Тип ТЕМ: Ни электрическое, ни магнитное поля не имеют продольных компонент. Такие колебания возможны, например, в полости между коаксиальными цилиндрами с торцевыми стенками.
Распространенные типы резонаторов и их применение
Цилиндрический резонатор — один из самых распространенных. Тип колебаний в нем описывается тремя индексами, соответствующими числу полуволн, укладывающихся по диаметру, длине и окружности. Некоторые типы колебаний в таком резонаторе позволяют делать щели в стенках без излучения энергии, если эти щели не пересекают линии тока.
Прямоугольные резонаторы широко используются в лабораторной практике благодаря простоте расчета и изготовления.
Тороидальные резонаторы применяются, например, в клистронах. В них происходит пространственное разделение полей: электрическое поле сосредоточено в узком емкостном зазоре, а магнитное — в тороидальной полости.
Объемные резонаторы нашли широкое применение в технике СВЧ. Они используются в качестве колебательных систем в магнетронах, клистронах, генераторах, а также как эталоны частоты, фильтры, измерительные контуры и элементы исследовательских установок для изучения свойств веществ.
Особенности высокочастотного диапазона и природные аналоги
Оптимальный рабочий диапазон объемных резонаторов лежит в пределах от 109 до 1011 Гц. На более высоких частотах потери на излучение через стенки становятся слишком велики, и приходится использовать открытые резонаторные системы, например, системы зеркал.
Интересно, что природным аналогом объемного резонатора является сама Земля. В начале XX века ученый Оливер Хевисайд предположил, что слой ионосферы и поверхность Земли образуют гигантский сферический резонатор (позже названный резонатором Шумана). В этой полости существуют электромагнитные волны, возбуждаемые солнечной активностью и разрядами молний. Некоторые исследования указывают на возможное влияние естественных резонансных частот Земли на биологические организмы.