Диэлектрический резонатор

Диэлектрический резонатор — это кусок диэлектрического ( непроводящего , но поляризуемого ) материала, обычно керамического , который предназначен для работы в качестве резонатора для радиоволн , обычно в микроволновом и миллиметровом диапазонах волн. Микроволны удерживаются внутри материала резонатора из-за резкого изменения диэлектрической проницаемости на поверхности и отражаются вперед и назад между сторонами. На определенных частотах , резонансных частотах , микроволны образуют стоячие волны в резонаторе , колеблющиеся с большими амплитудами. Диэлектрические резонаторы обычно состоят из «шайбы» керамики, имеющей большую диэлектрическую проницаемость и низкий коэффициент рассеяния . Резонансная частота определяется габаритными физическими размерами резонатора и диэлектрической проницаемостью материала.

Диэлектрические резонаторы действуют аналогично полым резонаторам , полым металлическим ящикам, которые также широко используются в качестве резонаторов на микроволновых частотах, за исключением того, что радиоволны отражаются за счет большого изменения диэлектрической проницаемости, а не за счет проводимости металла. На частотах миллиметровых волн металлические поверхности становятся отражателями с потерями, поэтому на этих частотах используются диэлектрические резонаторы. Диэлектрические резонаторы в основном используются в электронных генераторах миллиметровых волн ( диэлектрический резонаторный генератор , DRO ) для управления частотой генерируемых радиоволн. Они также используются в качестве полосовых фильтров и антенн .

Исторический обзор

В конце XIX века лорд Рэлей продемонстрировал, что волноводом может служить бесконечно длинный цилиндрический стержень, сделанный из диэлектрика. ^[1] Дополнительные теоретические ^[2] и экспериментальный ^[3] работа, проделанная в Германии в начале 20 века, дала дальнейшее понимание поведения электромагнитных волн в волноводах с диэлектрическими стержнями. Поскольку диэлектрический резонатор можно представить как волновод с усеченным диэлектрическим стержнем, это исследование имело важное значение для научного понимания электромагнитных явлений в диэлектрических резонаторах. В 1939 году Роберт Д. Рихтмайер опубликовал исследование. ^[4] в котором он показал, что диэлектрические структуры могут действовать как резонаторы с металлической полостью. Он соответственно назвал эти структуры диэлектрическими резонаторами . Рихтмайер также продемонстрировал, что в свободном пространстве диэлектрические резонаторы должны излучать из-за граничных условий на границе раздела диэлектрик-воздух. Эти результаты позже были использованы при разработке DRA ( Dielectric Resonator Antenna ). Из-за Второй мировой войны , отсутствия современных материалов и адекватных технологий производства диэлектрические резонаторы оставались в относительной безвестности еще на два десятилетия после публикации исследования Рихтмайера. Однако в 1960-х годах, когда начала развиваться индустрия высокочастотной электроники и современной связи, диэлектрические резонаторы приобрели все большее значение. Они предложили уменьшенную по размеру конструкцию, альтернативу громоздким волноводным фильтрам и более дешевым альтернативам электронному генератору . ^[5] частотно-селективный ограничитель ^[6] и медленноволновая ^[6] схемы. Помимо стоимости и размера, другими преимуществами диэлектрических резонаторов по сравнению с обычными резонаторами с металлической полостью являются меньший вес, доступность материалов и простота изготовления. Сегодня на рынке имеется огромное количество различных диэлектрических резонаторов с ненагруженной добротностью порядка 10 000 с.

Теория работы

Хотя диэлектрические резонаторы имеют много общего с резонансными металлическими полостями, между ними есть одно важное различие: хотя электрические и магнитные поля равны нулю вне стенок металлической полости (т. е. полностью удовлетворяются граничные условия разомкнутой цепи ), эти поля не ноль вне диэлектрических стенок резонатора (т.е. граничные условия разомкнутой цепи приблизительно выполняются). Несмотря на это, электрические и магнитные поля значительно затухают от своих максимальных значений, когда они находятся вдали от стенок резонатора. Большая часть энергии сохраняется в резонаторе на заданной резонансной частоте при достаточно высокой диэлектрической проницаемости. $\varepsilon _{r}$ . Диэлектрические резонаторы могут иметь чрезвычайно высокую добротность , сравнимую с резонатором с металлическими стенками. ^[7]

В диэлектрических резонаторах могут возбуждаться три типа резонансных мод: поперечные электрические (TE), поперечные магнитные (TM) или гибридные электромагнитные (HEM) моды. Теоретически в каждой из трех групп имеется бесконечное количество режимов, и нужный режим обычно выбирается исходя из требований приложения. В целом, $TE_{01n}$ Режим используется в большинстве неизлучающих приложений, но другие режимы могут иметь определенные преимущества для конкретных приложений. ^[5]

Приблизительная резонансная частота $TE_{01n}$ мода для изолированного цилиндрического диэлектрического резонатора может быть рассчитана как: ^[5]

$f_{GHz}={\frac {34}{a{\sqrt {\varepsilon _{r}}}}}\left({\frac {a}{L}}+3.45\right)$

Где $a$ - радиус цилиндрического резонатора и какой $L$ его длина? Оба $a$ и $L$ они в миллиметрах. Резонансная частота $f_{GHz}$ это в гигагерцах . Эта формула имеет точность около 2% в диапазоне:

$0.5<{\frac {a}{L}}<2$

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

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

если запасенная энергия смещенного поля в основном электрическая, его резонансная частота уменьшится;
если запасенная энергия смещенного поля в основном магнитная, его резонансная частота увеличится. Это случается для $TE_{01n}$ режим.

Наиболее распространенной проблемой, с которой сталкиваются схемы диэлектрических резонаторов, является их чувствительность к изменению температуры и механическим вибрациям. ^[8] Несмотря на то, что недавние достижения в области материаловедения и производства смягчили некоторые из этих проблем, для стабилизации характеристик схемы по температуре и частоте все еще могут потребоваться методы компенсации.

Общие приложения

Наиболее распространенные приложения, ^[5]^[9] диэлектрических резонаторов:

Приложения для фильтрации (наиболее распространенными являются полосовые и полосовые фильтры ),
Генераторы ( диодные с обратной связью, отражения, передачи и реакции , генераторы ),
Частотно-селективные ограничители,
Элементы антенны с диэлектрическим резонатором (ДРА).

См. также

сфера ЮИГ

Примечания

^ Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубы или о вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.
^ Д. Хондрос, «Об электромагнитных проводных волнах», Annals of Physics, Vol. 30, стр. 905–949, 1909.
^ Х. Зан, «Об обнаружении электромагнитных волн на диэлектрических проводах», Annals of Physics, vol. 37, стр. 907–933, 1916.
^ Р. Д. Рихтмайер, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Физ., Том. 10, стр. 391–398, июнь 1939 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.
^ Jump up to: ^а ^б Мариан В. Поспесальски, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в микроволновых цепях линий TEM», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.
^ А. Окая и Л. Ф. Бараш, «Диэлектрический микроволновый резонатор», Proc. ИРЭ, Том. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.
^ М. Дж. Лобода, Т. Э. Паркер и Г. К. Монтресс, «Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и диэлектрических резонаторных генераторов», Proc. 42-й ежегодной частоты. Продолжение Symp., стр. 263–271, июнь 1988 г.
^ Дж. К. Плурд и К. Рен, «Применение диэлектрических резонаторов в микроволновых компонентах», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.

Ссылки

Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубы или о вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.
Д. Хондрос, «Об электромагнитных проводных волнах», Annals of Physics, Vol. 30, стр. 905–949, 1909.
Х. Зан, «Об обнаружении электромагнитных волн на диэлектрических проводах», Анналы физики, вып. 37, стр. 907–933, 1916.
Р.Д. Рихтмайер, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Физ., Том. 10, стр. 391–398, июнь 1939 г.
Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.
Мариан В. Поспесальски, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в микроволновых цепях линий TEM», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.
Окая А., Бараш Л. Ф. Диэлектрический СВЧ-резонатор // Труды. ИРЭ, Том. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.
Лобода М.Дж., Паркер Т.Е., Монтресс Г.К. Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и диэлектрических резонаторных генераторов // Труды. 42-й ежегодной частоты. Продолжение Symp., стр. 263–271, июнь 1988 г.
Дж. К. Плурд и К. Рен, «Применение диэлектрических резонаторов в микроволновых компонентах», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.

[1] Лорд Рэлей, «О прохождении волн через трубы или о вибрации диэлектрических цилиндров», Philosophical Magazine, Vol. 43, стр. 125–132, февраль 1897 г.

[2] Д. Хондрос, «Об электромагнитных проводных волнах», Annals of Physics, Vol. 30, стр. 905–949, 1909.

[3] Х. Зан, «Об обнаружении электромагнитных волн на диэлектрических проводах», Annals of Physics, vol. 37, стр. 907–933, 1916.

[4] Р. Д. Рихтмайер, «Диэлектрические резонаторы», J.Appl. Физ., Том. 10, стр. 391–398, июнь 1939 г.

[auto-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дарко Кайфез и Пьер Гийон, Диэлектрические резонаторы, Artech House, Дедхэм, Массачусетс, 1986.

[auto1-6] Jump up to: ^а ^б Мариан В. Поспесальски, «Цилиндрические диэлектрические резонаторы и их применение в микроволновых цепях линий TEM», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-27, стр. 233–238, март 1979 г.

[7] А. Окая и Л. Ф. Бараш, «Диэлектрический микроволновый резонатор», Proc. ИРЭ, Том. 50, стр. 2081–2092, октябрь 1962 г.

[8] М. Дж. Лобода, Т. Э. Паркер и Г. К. Монтресс, «Температурная чувствительность диэлектрических резонаторов и диэлектрических резонаторных генераторов», Proc. 42-й ежегодной частоты. Продолжение Symp., стр. 263–271, июнь 1988 г.

[9] Дж. К. Плурд и К. Рен, «Применение диэлектрических резонаторов в микроволновых компонентах», IEEE Trans. Теория микроволнового излучения., Том. МТТ-29, стр. 754–769, август 1981 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]