Диэлектрический резонатор - Dielectric resonator

А диэлектрический резонатор это часть диэлектрик (непроводящий) материал, обычно керамический, который предназначен для работы в качестве резонатор за радиоволны, как правило, в микроволновая печь и миллиметровая волна группы. Микроволны удерживаются внутри материала резонатора за счет резкого изменения диэлектрическая проницаемость на поверхности и подпрыгивайте взад и вперед между сторонами. На определенных частотах резонансные частоты микроволны образуют стоячие волны в резонаторе, колеблющиеся с большими амплитудами. Диэлектрические резонаторы обычно состоят из керамической «шайбы», имеющей большой диэлектрическая постоянная и низкий коэффициент рассеяния. В резонансная частота определяется габаритными физическими размерами резонатора и диэлектрической проницаемостью материала.

Диэлектрические резонаторы работают аналогично объемные резонаторы, полые металлические коробки, которые также широко используются в качестве резонаторов на микроволновых частотах, за исключением того, что радиоволны отражаются большим изменением диэлектрическая проницаемость а не проводимость металла. В миллиметровая волна На частотах металлические поверхности становятся отражателями с потерями, поэтому на этих частотах используются диэлектрические резонаторы. Диэлектрические резонаторы в основном используются в миллиметровом диапазоне. электронные генераторы (генератор с диэлектрическим резонатором, DRO) для управления частотой генерируемых радиоволн. Они также используются как полосовые фильтры а также антенны.

Исторический обзор

В конце 19 века Лорд Рэйли продемонстрировали, что бесконечно длинный цилиндрический стержень из диэлектрического материала может служить волноводом.^[1] Дополнительные теоретические ^[2] и экспериментальный ^[3] работа, выполненная в Германии в начале 20 века, позволила глубже понять поведение электромагнитных волн в диэлектрических стержневых волноводах. Поскольку диэлектрический резонатор можно рассматривать как волновод с усеченным диэлектрическим стержнем, это исследование было важным для научного понимания электромагнитных явлений в диэлектрических резонаторах. В 1939 г. Роберт Д. Рихтмайер опубликовал исследование ^[4] в котором он показал, что диэлектрические структуры могут действовать как металлические полые резонаторы. Он правильно назвал эти структуры диэлектрические резонаторы. Рихтмайер также продемонстрировал, что при воздействии на свободное пространство диэлектрические резонаторы должны излучать из-за граничных условий на границе раздела диэлектрик-воздух. Эти результаты позже были использованы при разработке ДРА (Антенна диэлектрического резонатора ). Из-за Вторая Мировая Война Из-за отсутствия современных материалов и соответствующих технологий производства диэлектрические резонаторы остались в относительной безвестности еще на два десятилетия после публикации исследования Рихтмайера. Однако в 1960-х годах, когда начали развиваться высокочастотная электроника и современная промышленность связи, значение диэлектрических резонаторов приобрело значение. Они предложили конструкцию, уменьшающую размер, альтернативу громоздкой волноводные фильтры и более дешевые альтернативы для электронный генератор,^[5] частотно-селективный ограничитель ^[6] и медленная волна ^[6] схемы. Помимо стоимости и размера, другие преимущества диэлектрических резонаторов по сравнению с обычными металлическими резонаторами заключаются в меньшем весе, доступности материалов и простоте изготовления. Сегодня на рынке имеется огромное количество различных диэлектрических резонаторов с ненагруженными Добротность порядка 10000 с.

Теория Операции

Диэлектрические резонаторы можно устанавливать в волноводы служить в качестве микроволновых фильтров. Это диэлектрический полосовой фильтр, состоящий из трех диэлектрических резонаторов, установленных в поперечном направлении.

Хотя диэлектрические резонаторы во многом похожи на резонансные металлические полости, между ними есть одно важное различие: в то время как электрические и магнитные поля равны нулю за пределами стенок металлической полости (т.е. граничные условия полностью удовлетворены), эти поля не равны нулю за пределами диэлектрических стенок резонатора (т.е. граничные условия разомкнутой цепи равны примерно довольный). Даже в этом случае электрические и магнитные поля значительно уменьшаются от своих максимальных значений, когда они находятся вдали от стенок резонатора. Большая часть энергии хранится в резонаторе на данной резонансной частоте для достаточно высокого диэлектрическая постоянная ${ displaystyle varepsilon _ {r}}$ . Диэлектрические резонаторы могут показывать чрезвычайно высокие Добротность это сравнимо с полостью с металлическими стенками.^[7]

В диэлектрических резонаторах могут возбуждаться три типа резонансных мод: поперечный электрический (TE), поперечный магнитный (TM) или гибридные электромагнитные (HEM) режимы. Теоретически существует бесконечное количество режимов в каждой из трех групп, и желаемый режим обычно выбирается в зависимости от требований приложения. В общем, ${ displaystyle TE_ {01n}}$ режим используется в большинстве неизлучающих приложений, но другие режимы могут иметь определенные преимущества для конкретных приложений.^[5]

Приблизительно резонансная частота из ${ displaystyle TE_ {01n}}$ Режим изолированного цилиндрического диэлектрического резонатора можно рассчитать как:^[5]

${ displaystyle f_ {ГГц} = { frac {34} {a { sqrt { varepsilon _ {r}}}}} left ({ frac {a} {L}} + 3,45 right)}$

Где ${ displaystyle a}$ - радиус цилиндрического резонатора и ${ displaystyle L}$ это его длина. Обе ${ displaystyle a}$ и ${ displaystyle L}$ в миллиметрах. Резонансная частота ${ displaystyle f_ {ГГц}}$ в гигагерц. Эта формула имеет точность примерно 2% в диапазоне:

${ displaystyle 0,5 <{ frac {a} {L}} <2}$

${ displaystyle 30 < varepsilon _ {r} <50}$

Однако, поскольку для большинства применений диэлектрический резонатор обычно заключен в проводящую полость, реальные резонансные частоты отличаются от рассчитанных выше. По мере приближения проводящих стенок окружающей полости к резонатору изменение граничных условий и сдерживания поля начинает влиять на резонансные частоты. Размер и тип материала, изолирующего полость, могут существенно повлиять на характеристики резонансного контура. Это явление можно объяснить с помощью теория возмущений резонатора. Если резонатор заключен в металлическую полость, резонансные частоты изменяются следующим образом:^[5]

если запасенная энергия смещенного поля в основном электрическая, его резонансная частота будет уменьшаться;
если запасенная энергия смещенного поля в основном магнитная, его резонансная частота увеличится. Так бывает ${ displaystyle TE_ {01n}}$ режим.

Наиболее распространенной проблемой диэлектрических резонаторных схем является их чувствительность к изменению температуры и механическим колебаниям.^[8] Несмотря на то, что недавние улучшения в материаловедении и производстве решили некоторые из этих проблем, все же могут потребоваться методы компенсации для стабилизации характеристик схемы при изменении температуры и частоты.

Общие приложения

Самые распространенные приложения,^[5]^[9] Из диэлектрических резонаторов бывают:

Приложения для фильтрации (наиболее распространены Bandpass и заглушка фильтры ),
Осцилляторы (диод, обратная связь, отражение, передача и реакция генераторы ),
Частотно-селективные ограничители,
Антенна диэлектрического резонатора (DRA) элементы.

Смотрите также

ЖИГ сфера

Примечания

^ Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубки или о вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.
^ Д. Хондрос, «Ueber elektromagnetische Drahtwelle», Annalen der Physik, Vol. 30. С. 905–949, 1909.
^ Х. Зан, «Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten», Annalen der Physik, vol. 37. С. 907–933, 1916.
^ Р. Д. Рихтмайер, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Phys., Vol. 10. С. 391–398, июнь 1939 г.
^ ^а ^б ^c ^d ^е Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.
^ ^а ^б Мариан В. Поспешальский, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в СВЧ-цепях линии ТЕМ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.
^ А. Окая, Л. Ф. Бараш, "Диэлектрический микроволновый резонатор", Proc. IRE, Vol. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.
^ М.Дж. Лобода, Т. Паркер и Г. Монтресс, "Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и генераторов диэлектрических резонаторов", Proc. 42-й ежегодной частоты. Продолж. Symp., Стр. 263–271, июнь 1988 г.
^ J.K. Плурде и К. Рен, «Применение диэлектрических резонаторов в компонентах СВЧ», IEEE Trans. Теория СВЧ, Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.