Методы измерения параметров полых резонаторов

Для измерения параметров резонатор включают в измерительную цепь с помощью специальных устройств (элементов связи), предназначенных для возбуждения поля того или иного вида колебаний. К таким устройствам возбуждения относятся, в частности, петли (возбуждающие магнитное поле) и штыри (возбуждающие электрическое пол е), образованные центральным проводником подводящей коаксиальной линии и расположенные соответственно перпендикулярно магнитным или параллельно электрическим силовым линиям поля возбуждаемого вида колебаний резонатора. Элементы связи могут выполняться также в виде отверстий (щелей) в общей стенке, разделяющей резонатор и линию передачи. В соответствии с теоремой взаимности такие же устройства используются и для отбора энергии из резонатора. На рис. 4.4 схематично показаны способы возбуждения магнитного и электрического полей соответственно с помощью петли (а) и штыря (б).

Добротность резонатора с учетом потерь во внешних цепях называют нагруженной добротностью (ср. с формулой):

Из (4.12) с учетом (4.5) следует, что

где

– внешняя добротность, определяемая как отношение энергии, запасенной в резонаторе, к мощности потерь во внешних цепях.

Отношение внешних потерь к собственным потерям называется коэффициентом связи резонатора с внешними цепями:

.

Связь может быть слабой (если внешние потери меньше собственных, ), критической (внешние потери равны собственным, ) и сильной ( внешние потери больше собственных, ).

В случае включения резонатора по схеме четырехполюсника (или «на проход», т. е. с двумя элементами связи – рис. 4.5, а) имеет место соотношение

где и – коэффициенты связи входного и выходного элементов.

Из (4.13) видно, что при и , близких к нулю, нагруженная добротность стремится к . Величину обычно измеряют по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резонатора, которая для схемы «на проход» имеет вид, аналогичный резонансной кривой (см. рис. 4.3, а), и показана на рис. 4.6:

где – резонансная частота, соответствующая максимуму мощности, проходящей в нагрузку; – ширина полосы пропускания на уровне «половинной» мощности. Такой метод определения добротности называется методом передачи. Измерение параметров резонатора, включенного по схеме двухполюсника (рис. 4.5, б), основывается на измерении зависимости коэффициента отражения (коэффициента стоячей волны) в линии передачи, на конце которой находится резонатор, от частоты задающего генератора. Обычно для измерения волнового сопротивления используют метод малых возмущений (прил. 1).

Из определения волнового сопротивления следует, что если электрическое поле в области, где проводится измерение, однородно, то пропорционально отношению , а из формулы (П1) видно, что если в месте расположения возмущающего тела магнитное поле равно нулю, то смещение резонансной частоты также пропорционально . Следовательно, волновое сопротивление оказывается пропорционально величине смещению резонансной частоты , а последняя может быть измерена экспериментально. Если при поле в резонаторе стремится к своему невозмущенному состоянию, калибровочный коэффициент в формуле (П4) можно положить равной 1. Этому условию удовлетворяет, в частности, тонкая диэлектрическая пленка, расположенная по внутреннему краю зазора резонатора. В этом случае при известной относительной диэлектрической проницаемости пленки волновое сопротивление определяется по формуле

где – ширина зазора, мм; – площадь поперечного сечения пленки, мм². Единицы измерения других величин следующие: , МГц; , ГГц; , Ом. На практике используют также возмущающие тела в виде тонких металлических и диэлектрических игл, дисков, шариков и т. д. Калибровочные коэффициенты для этих тел определяются экспериментально.

Рассмотренное явление смещения частоты находит два других важных применения.

Первое связано с определением диэлектрических и магнитных параметров вещества по смещению частоты и изменению добротности эталонного резонатора с известной структурой поля (см., в частности, лаб. раб. 1).

Второе заключается в определении поля для идентификации видов колебаний. Так, на рис. 4.4, б видно, что тонкая металлическая игла, ориентированная параллельно силовым линиям электрического поля , вызывает сильное его искажение (возмущение – ср. с рис. 4.4, а), что приводит к соответствующему сильному изменению (смещению) частоты . Наоборот, игла, ориентированная перпендикулярно силовым линиям электрического поля, не искажает поля в резонаторе и, следовательно, его резонансная частота также не изменяется. Таким образом, зная ориентацию иглы и измеренную величину соответствующего смещения частоты, можно качественно определить зависимость направления и относительной величины вектора электрического поля в местах возмущения, т. е. зависимость от соответствующих координат пространства. Полученные зависимости являются необходимыми и достаточными для построения картины силовых линий электрического поля в объеме резонатора и, таким образом, для идентификации исследуемого вида колебаний.