автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Расчет и исследование СВЧ резонаторов на основе цилиндрических ступенчатых структур

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Два подхода к расчету круглого волноводного резонатора, перестраиваемого аксиальным металлическим стержнем.

Введение.

1.1. Постановка краевой задачи на основе МЧО.

1.2. Ортогональность собственных функций краевых задач для выделенных частичных областей.

1.3. Составление характеристического уравнения.

1.4. Составление характеристического уравнения круглого волноводного резонатора на основе квазистационарной модели.

1.5. Сравнение результатов расчетов, выполненных двумя методами .

Выводы.

ГЛАВА 2. Исследование диапазонных свойств и добротности полуволнового коаксиального ступенчатого резонатора.

Введение.

2.1. Расчет резонансных частот резонатора без учета краевых емкостей

2.2. Расчет резонансных частот резонатора с учетом краевых емкостей

2.3. Расчет добротности резонатора.

2.4. Экспериментальные исследования. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов.

Выводы.

ГЛАВА 3. Исследование диапазонных и энергетических свойств полуволнового коаксиального резонатора с поршневой перестройкой частоты .

Введение .

3.1. Эквивалентная схема резонатора. Вывод нормированного уравнения резонанса.

3.2. Численное решение уравнения резонанса .

3.3. Исследование энергетических свойств резонатора.

3.4. Результаты расчета диапазона частот и добротности.

Выводы.

ГЛАВА 4. Исследование диапазонных свойств коаксиальных ступенчатых резонаторов с перестройкой частоты бесконтактным поршнем . Введение. Описание конструкций резонаторов.

4.1. Составление эквивалентной схемы.

4.2. Нормированное уравнение резонанса.

4.3. Решение нормированного уравнения резонанса, обсуждение полученных результатов.

4.4. Экспериментальные результаты, их сравнение с результатами расчета .

Выводы.

СВЧ резонаторы используются в качестве колебательных систем широкого круга радиотехнических устройств (автогенераторов, усилителей, волномеров, частотных дискриминаторов, приемников и др.) и во многом определяют их основные характеристики: диапазон частот, избирательность, стабильность качественных показателей, уровень шумов, надежность, габариты и т.д. Поэтому вопросы совершенствования радиоэлектронных устройств СВЧ тесно связаны с вопросами создания высококачественных колебательных систем.

На частотах 1ч-10 ГГц в качестве диапазонных колебательных систем чаще всего применяются коаксиальные резонаторы, перестраиваемые контактными плунжерами и различного рода бесконтактными поршнями, работа которых основана на принципе трансформации контактного сопротивления [1]. Наибольшее распространение в указанном диапазоне частот получил коаксиальный резонатор с перестройкой частоты Z-образным поршнем [2], образованным двумя короткозамкнутыми на противоположных концах стаканами П-образной формы, соединенными между собой конусообразной перемычкой. Поршень Z-образного типа представляет собой эффективный корот-козамыкатель для волн типа Т в коаксиальной линии при работе на втором обертоне (колебание типа (5/4)А,). Несомненное достоинство резонаторов с перестройкой частоты Z-образным поршнем - значительный коэффициент перекрытия по частоте (около октавы и чуть более), высокая добротность (1-г2)-103, возможность использования этих резонаторов в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Однако, резонатор с перестройкой частоты Z-образным поршнем технологически изготовить весьма сложно. Во-первых, для получения в плоскости переднего торца поршня короткого замыкания в рабочем диапазоне частот требуется обеспечить очень малые зазоры между радиальными поверхностями поршня и радиальными поверхностями коаксиального резонатора. Для этого необходимо изготовление деталей резонатора по высокому классу точности (2-й класс), что значительно удорожает стоимость серийного производства конструкции. Во-вторых, Z-образный поршень имеет очень сложный профиль, а его детали соединяются между собой методом пайки, что ухудшает технологичность колебательной системы.

В диапазоне частот выше 1 ГГц вплоть до частот 12ч-13 ГГц применяются коаксиальные резонаторы с перестройкой частоты перемещающимся внутренним проводником [3]-[8]. Такие резонаторы используются как в отечественных [5], [6], так и в зарубежных [9], [10] СВЧ устройствах. Их основной недостаток - изменение структуры электромагнитного поля при перемещении внутреннего проводника, из-за чего затруднено оптимальное включение полупроводниковых приборов (транзисторов, диодов Ганна и др.) и создание широкополосных элементов связи с нагрузкой.

К колебательным системам, работающим в современных радиоэлектронных устройствах, предъявляются следующие основные требования:

1. Обеспечение заданного диапазона перекрываемых частот. На практике коэффициент перекрытия по диапазону частот порядка октавы считается вполне удовлетворительным.

2. Колебательная система должна иметь высокую добротность. В некоторой радиоаппаратуре (например, в радиоизмерительных устройствах) большое значение имеет достижение малого изменения величины добротности в широком диапазоне частот.

3. Колебательная система должна иметь хорошие фильтрующие свойства. Это имеет большое значение при ее использовании в автогенераторах и усилителях.

4. Колебательная система должна иметь высокую надежность при длительном сроке работы ее в различных условиях эксплуатации. Наиболее надежными следует считать колебательные системы с бесконтактной перестройкой частоты.

5. Конструкция колебательной системы должна быть малогабаритной, самоэкранированной и технологичной, допускать удобное сочленение с современными активными приборами (транзисторы, диоды Ганна и т.п.), а также с элементами подстройки частоты и нагрузкой.

Для применения колебательной системы в современной аппаратуре важно выполнить весь перечисленный комплекс требований в одной конструкции, что является весьма сложной задачей. Известные колебательные системы, работающие в диапазоне частот 1ч-10 ГГц, как правило, не обеспечивают выполнения всего комплекса требований.

Таким образом, вопросы создания колебательных систем (резонаторов) в диапазоне частот 1ч-10 ГГц и чуть выше, удовлетворяющих указанному выше комплексу требований, оставаясь открытыми, составляют актуальную задачу.

Цель настоящей работы - предложение оригинальных конструкций резонаторов дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, обладающих комплексом перечисленных свойств, построение их математических моделей и создание эффективных алгоритмов расчета их характеристик.

Ставится задача по разработке оперативных методов расчета основных характеристик таких резонаторов, созданию системы их машинного проектирования с целью обеспечения заданных технических характеристик без экспериментальной доводки и сокращения временных и материальных затрат на их производство.

В работе показывается, что решению поставленной задачи наиболее полно удовлетворяют СВЧ резонаторы, построенные на основе цилиндрических ступенчатых структур, с перестройкой частоты либо бесконтактными металлическими поршнями, либо перемещающимся внутренним проводником.

Наиболее важные свойства ступенчатых резонансных структур - некратность собственных резонансных частот и простота конструкции - делают их перспективными для применения в диапазонных колебательных системах. Наиболее перспективными для использования следует считать резонаторы на отрезках коаксиальных ступенчатых линий, т.к. они обеспечивают простоту конструкции при ее полной самоэкранированности. Несмотря на внешнюю простоту коаксиальных ступенчатых резонаторов, расчет их электрических характеристик довольно сложен. Дело в том, что в местах соединения отрезков линий с разными волновыми сопротивлениями возбуждаются волны высших типов, что эквивалентно (при расчете резонаторов в квази-Т-приближении) включению в плоскостях неоднородностей сосредоточенных проводимостей емкостного характера [11], [12]-[14]. Наличие в ступенчатой структуре резонатора краевых емкостей, не поддающихся строгому расчету, усложняет анализ такой резонансной системы.

Вопросам анализа и методам инженерного расчета колебательных систем СВЧ посвящено большое количество работ. Значительный вклад внесен Плодухиным Б.В. [1], Мегла Г. [15], Орловым С.И. [14], Нейманом М.С. [16], Козловским В.В. [17], [18], Павловским О.П. [19], [20], [21] и другими.

Однако в перечисленных работах недостаточно внимания уделяется вопросам создания колебательных систем, удовлетворяющих вышеперечисленному комплексу требований во всем диапазоне частот 1ч-10 ГГц. Кроме того, в опубликованных работах почти не исследованы вопросы влияния краевых емкостей на основные параметры колебательной системы. Остались неисследованными свойства ступенчатой линии, разомкнутой на противоположных концах.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Выводы

В главе 4 приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований диапазонных свойств оригинальной конструкции коаксиального ступенчатого резонатора, у которого секция с меньшим диаметром расположена около короткозамыкателя. Получены следующие основные результаты.

1. На основе составленной эквивалентной схемы в Т-приближении получено нормированное трансцендентное уравнение резонанса колебательной системы.

2. Установлена связь между волновыми сопротивлениями четырех секций резонатора, что позволило сократить число безразмерных параметров, от которых зависит нормированная длина волны.

3. На основе уравнения резонанса рассчитаны настроечные кривые резонатора, работающего на основном тоне колебаний и обертонах; пользуясь построенным графиками, можно рассчитать геометрические размеры резонатора с заданным коэффициентом перекрытия по частоте.

4. Теоретически показано, что рассматриваемый коаксиальный ступенчатый резонатор при определенных (оптимальных) значениях безразмерных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены два подхода к расчету настроечных характеристик коаксиальных ступенчатых резонаторов на примере резонатора, перестраиваемого аксиальным металлическим стрежнем - электродинамический (МЧО) и квазистационарный. На основе сравнения настроечных характеристик, полученных с помощью указанных подходов, сделан вывод о целесообразности использования для оперативных расчетов настроечных характеристик резонаторов на основе отрезков нерегулярных коаксиальных линий сравнительно простого подхода, использующего аппарат теории электрических СВЧ цепей и обеспечивающего достаточную для инженерной практики точность.

2. Исследованы диапазонные свойства полу волнового резонатора, выполненного на основе двухступенчатой коаксиальной линии, разомкнутой на противоположных концах, и предназначенного для использования в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн (1-г10 ГГц); рассмотрены конструктивные варианты такого резонатора, рассчитаны настроечные нормированные характеристики как с учетом, так и без учета краевых емкостей. Показано, что настроечные характеристики резонатора имеют две экстремальные точки, а максимальный коэффициент перекрытия по частоте составляет чуть более октавы. Разработан макет резонатора и проведен эксперимент, подтверждающий основные теоретические выводы.

3. Исследованы диапазонные и энергетические свойства оригинальной конструкции коаксиального резонатора, разомкнутого на противоположных концах, перестраиваемого либо бесконтактным поршнем, либо перемещающимся внутренним проводником. Определены оптимальные размеры бесконтактного поршня, обеспечивающие максимальное перекрытие по частоте на основном тоне колебаний, первом и втором обертонах. Показано, что резонатор имеет коэффициент перекрытия по частоте порядка двух и обладает повышенной величиной добротности порядка 5 • 103, мало изменяющейся в

1. Плодухин Б.В. Коаксиальные диапазонные резонаторы. - М., Советское радио, 1956.

2. Хаггинс У.Х. Широкополосные бесконтактные поршни для коаксиальных линий. PIRE, 1947, № 9.

3. Баринова В.Ф., Раевский С.Б., Рудоясова Л.Г. Расчет волноводного резонатора, перестраиваемого металлическим стержнем. Радиотехника и электроника. Т.20, № 12, 1975. С.2621-2625.

4. Раевский С.Б., Рудоясова Л.Г. Расчет волноводного резонатора, перестраиваемого металлическим стержнем на основе метода частичных областей. Изв вузов. Радиофизика. Т. 19, № 9, 1976. С. 1391-1394.

5. Рудоясова Л.Г., Булатов Е.И. Расчет диапазонного волноводного резонатора для генератора на диоде Ганна. Техника средств связи. Серия РИТ. Вып.5, 1976. С.32-38.

6. Мальтер Т.З., Железнякова Т.Н., Масловский В.В. Широкодиапазонные механически перестраиваемые транзисторные генераторы с электронной подстройкой частоты. Техника средств связи. Серия РИТ. Вып.4, 1988. С.47-56.

7. Jaworski М. On the resonant frequency of a reentrant cylindrical cavity. IEEE Transactions on microwave theory and technique, volume MTT-26, no.4, april, 1978, p.256-260.

8. Радионов A.A., Рудоясова Л.Г. Резонаторы на основе отрезков продольно-нерегулярных волноводов. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, №2, 1996. С.58.

9. Joly R. Wide band cavity tuned G a As FET oscillators. IEEE MTT-S International microwave symposium. Digest, Los Angeles, june 1981, p.70-78.

10. Joly R. Broadband cavity-tuned transistor oscillator Hewlett-Packard Co.. Патент США, № 4097822, 1978.1 l.Whinnery J.R., Jamieson H.W. Equivalent circuits for discontinuities in transmission lines, PIRE, vol.32, february, 1944, p.98-114.

11. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. -М., Сов. радио, 1956.

12. Whinnery J.R, Jamieson H.W., Robbins J.E. Coaxial-line discontinuities Proc. IRE, vol.32, november, 1944, p.695-709.14.0рлов С.И. Расчет и конструирование коаксиальных резонаторов. -М., Сов. радио, 1970.

13. Мегла Г. Техника дециметровых волн. Перевод с немецкого под редакцией Н.К.Свистова. М., Советское радио, 1958.

14. Нейман М.С. Обобщение теории цепей на волновые системы. М.-JL: Госэнергоиздат. 1955.

15. Козловский В.В. Оценка коэффициента перекрытия колебательных систем. Радиотехника и электроника. Т.20, № 12, 1975.

16. Козловский В.В. Схемы резонаторов на отрезках неоднородных линий, имеющих одинаковые резонансные частоты. Радиотехника и электроника. Т.20, № 2, 1975.

17. Недоростков А.Н., Павловский О.П. Цилиндрический резонатор, а.с. 1205210, СССР, опубл. в Б. И., 1986, № 2.

18. Павловский О.П., Расторгуев В.И. Коаксиальный резонатор, а.с. 406249, СССР, опубл. в Б. И., 1974, № 2.

19. Алехин Ю.И., Павловский О.П. Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи. Всесоюзная научно-техническая конференция, Горький, 1-3 июня. 1988. Тезисы докладов. М., 1988, с. 107108.

20. Дегтярева В.П. Исследование и разработка различных модификаций метода частичных областей для сложных краевых задач радиофизики. Кандидатская диссертация, 1975.

21. Кравчук С. А., Нарытник Т.Н., Якименко Ю.И. Частотно-перестраиваемые резонаторы для функциональных устройств СВЧ. Обзорыпо электронной технике. Серия: Электроника СВЧ. Вып.З (1247). М.: ЦНИИ «Электроника», 1987, с.76.

22. Рудоясова Л.Г., Рыжакова Т.С. О расчете коаксиальных диапазонных резонаторов. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1999. Т.7, № 2, С.146.

23. Рудоясова Л.Г., Рыжакова Т.С. О двух подходах к расчету СВЧ резонаторов. Научно-техническая конференция факультета информационных систем и технологий ФИСТ-2000. Тезисы докладов. Н.Новгород, НГТУ 2000.

24. Рудоясова Л.Г., Рыжакова Т.С. О расчете коаксиально-волноводных резонаторов. Тезисы докладов и сообщений 1-ой международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Т.1. Самара, 2001. С.219.

25. Неганов В.А., Раевский С.Б., Яровой Г.П. Линейная макроскопическая электродинамика. М., Радио и связь. Т.1, 2000.

26. Никольский В.В. К обоснованию метода Трефтца для задач дифракции. Труды МИРЭА, вцп.70, 1974.

27. Миттра Р., Ли С. Аналитические методы теории волноводов. М.: Мир, 1974.

28. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. -М.: Наука, 1967.

29. Никольский В.В. Проекционные методы в электродинамике (экранированные и открытые системы). Сб. Прикладная электродинамика, М.: Высшая школа, 1977.

30. Бейтмен Г., Эрдейн А. Высшие трансцендентные функции. М.: Наука. Т.И, 1974.

31. Рыжаков С.М. Анализ распределенных электрических цепей в частотной области. Учеб. пособие. Н.Новгород, Нижегородский государственный университет им.Н.И.Лобачевского, 1998.

32. Somlo P.I. The computation of coaxial line step capacitances. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, volume MTT-15, no.l, january, 1967.

33. Илларионова Г.А. Две ступенчатые нерегулярности в коаксиальной линии. Радиотехника и электроника. Т. 17, № 7, 1972. С.1509-1512.

34. Илларионова Г.А. Емкость ступенчатой нерегулярности коаксиальной линии. Радиотехника и электроника. Т. 19, № 2, 1974.

35. Илларионова Г.А. Исследование ступенчатых нерегулярностей в коаксиальных линиях с учетом волн высших типов. Известия вузов. Радиоэлектроника. Т. 15, № 6, 1972.

36. Stracca G.B., Panzeri A. Unloaded Q-factor of stepped-impedance resonators. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, volume MTT-34, no.l 1, november, 1986.

37. Lembke J.R. Short-cut to spliced resonators by using a graphical design approach. Electron. Design, 1966, 14, № 20, p.62-63.

38. Kuchler Gundoff. Coaxial ceramic resonators for UHF and microwaves. Siemens Components, v.26, № 6, 1989, p.223-227.

39. Черников A.C. Коаксиальные резонаторы для частотомеров. Измерительная техника, № 11. 1973. С.63-65.

40. Yamashita Sadahiko, Makimoto Mitsuo. The Q-factor of coaxial resonators partially loaded with high dielectric constant microwave ceramics. IEEE Transaction microwave theory and techniques, volume 31, №.6, 1983, p.485-488.

41. Бородаев В.А. и др. Инженерный расчет ступенчатых коаксиальных резонаторов. Радиотехника, № 12, 1990. С.89-91.

42. Рыжаков С.М., Рыжакова Т.С. Ступенчатый резонатор. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1999. Т.7, № 2. С. 181-182.

43. Рыжаков С.М., Рыжакова Т.С. Настроечные характеристики полуволновых коаксиальных ступенчатых резонаторов. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Т.2, № 1, 1999. С.40-43.

44. Рудоясова Л.Г., Рыжакова Т.С., Рыжаков С.М. О расчете резонаторов СВЧ на основе нерегулярных коаксиальных линий. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2002». Н.Новгород, 2002. С.54-55.

45. Недоростков А.Н. Исследование и разработка широкодиапазонных источников сигналов на диодах Ганна с объемными механически перестраиваемыми резонаторами, кандидатская диссертация, ГНИЛИ, 1986.

46. Афанасов С.Г., Булатов Е.И., Павловский О.П., Недоростков А.Н. Генераторы сигналов высокочастотные ГЧ-112 и ГЧ-135. Техника средств связи. Серия РИТ, 1976. Вып.5, с.105-108.

47. Smith, Auchterlonic L., Phill D. Unable microwave TM mode cavity of simple construction with improved performance for gas breakdown and materials investigation. IEEE Proc., 1982, v.129, № 1, p.32-36.

48. Недоростков A.H., Рудоясова Л.Г. Применение вариационного метода для расчета колебательной системы СВЧ генератора на диоде Ганна. Техника средств связи. Серия РИТ. 1984, вып.6, с. 11 -16.

49. Раевский С.Б., Рудоясова Л.Г. Применение дифракционного приближения метода возмущений для расчета колебательной системы генератора СВЧ на диоде Ганна. Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1979. Т.22. № 11, с.70-73.

50. Бирюков В.В., Раевский С.Б. Расчет колебательной системы для транзисторного СВЧ генератора. Радиотехника. № 9, 1990.

51. Воинов Б.С. Широкодиапазонные колебательные системы СВЧ. М.: Сов. радио. 1973.

52. Захаров А.В. Входные функции отрезков неоднородных линий. Радиотехника и электроника. Т.ЗО, 1985, № 7, с.1373-1380.57.3ахаров А.В. Расчет диапазонных ступенчатых резонаторов методом теории чувствительности. Радиотехника, 1984, № 10, с.74-76.

53. Козловский В.В., Сошников В.И. Устройства на неоднородных линиях. Киев, Техника, 1987.

54. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонансные замедляющие системы СВЧ. М. «Радио и связь», 1984.

55. Натег G. Glass cavity resonators for low microwave frequencies. Electron. Lett, 1995, 31, № 10, p.811-812.

56. Шилов А.Ф., Воинов Б.С., Рыжаков C.M., Белов Г.И. Коаксиальный ступенчатый резонатор, а.с. СССР 196131. Опубл. БИ, 1967, №11.

57. Рыжаков С.М. Нормированные настроечные кривые коаксиальных ступенчатых резонаторов. Радиотехника. Т.ЗО. № 4. 1975. С.43-48.

58. Рыжаков С.М., Рыжакова Т.С. Ступенчатый резонатор СВЧ диапазона. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Т.1. № 2-3, 1998, с.49-51.

59. Рыжаков С.М., Рыжакова Т.С. Широкодиапазонный ступенчатый резонатор дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн. Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1999. Т.7, № 2. С.145.