Расчет и исследование СВЧ резонаторов на основе цилиндрических ступенчатых структур

• Автор: Рыжакова, Татьяна Станиславовна
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 129 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
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 1-ь10 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 /-образным поршнем [2], образованным двумя короткозамкнутыми на противоположных концах стаканами П-образной формы, соединенными между собой конусообразной перемычкой. Поршень /-образного типа представляет собой эффективный корот-козамыкатель для волн типа Т в коаксиальной линии при работе на втором обертоне (колебание типа (5/4)Х). Несомненное достоинство резонаторов с перестройкой частоты /-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 /-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 дета-
лей резонатора по высокому классу точности (2-й класс), что значительно удорожает стоимость серийного производства конструкции. Во-вторых, 2-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 - не-кратность собственных резонансных частот и простота конструкции - делают их перспективными для применения в диапазонных колебательных системах. Наиболее перспективными для использования следует считать резонаторы на
а і Ъх с і
СОэР, /, У Р| БІПР,
— у БІПр, /, СОэР, /, 1Р|

_©л/ё[ „ _ <аУё7.
созР2/2 у'р2втр 2/
78ІПр2/2 созР2/

где р, = —р2 = ——; со - круговая частота; с - 3 • Ю10 скорость
с с с
Рі і Ё|

Р: Ь ё

Рис.2.

Чтобы получить уравнения относительно резонансных частот рассматриваемых резонаторов, заменим каскадное соединение двух четырехполюсников одним эквивалентным четырехполюсником с матрицей цепных параметров М. которая, как известно из теории электрических цепей, определяется путем умножения матриц цепных параметров соединяемых четырехполюсников, т.е.
а о Ь о а ь] а, Ь а ха 2+ Ь хс 2 а Ь 2+Ь {СІ
с0 сі0_ - [°] 1 Ы 2= .с1 1 о 1 “ С С1 ^ С 2 СХЬ 2+СІ хй
Матрица [а] связывает напряжение Ц и ток 1 на входе (рис.2.3) с напряжением Ц„ и током /„ = 0 на выходе каскадного соединения четырехполюсников
«0 ъо ■иг ач Ьо~ л;
Л. со сі 0 А. _с0 (1 о _ 0 _