РЕЗОНАТОРЫ ДИАПАЗОНА ДЕЦИМЕТРОВЫХ ВОЛН
Р. МАЛИНИН
В диапазоне ДМВ обычные конструкции колебательных контуров с сосредоточенными постоянными непригодны, так как размеры катушек оказываются настолько малыми, что становится затруднительным их физическое выполнение, а главное резко уменьшаются добротность и эквивалентное сопротивление контуров. Поэтому роль резонансных систем в аппаратуре ДМВ обычно выполняют отрезки двухпроводных линий - резонаторы.
Входное сопротивление короткозамкнутого на одном конце отрезка двухпроводной линии, то есть сопротивление со стороны другого, разомкнутого ее конца, имеет индуктивный характер, если длина волны находится в определенном соотношении с длиной отрезка. Поэтому, подключив к разомкнутому концу сосредоточенную емкость, мы получим электрическую колебательную систему - резонатор.
Конструкции резонаторов. В коаксиальном резонаторе (рис. 1, а, б) применяется отрезок экранированной линии, состоящей из полого металлического цилиндра 1 и расположенного по его оси цилиндрического (трубчатого или сплошного) проводника 2. В диапазоне волн l>30 см обычно применяют отрезки линии длиной l<l/4. При волнах короче 30 см чаще применяют отрезки длиной l/2<l<Зl/4.
Рис. 1. Конструкции резонаторов и элементов связи:
а) коаксиальный резонатор с кондуктивной связью;
б) коаксиальный резонатор с индуктивной связью;
в) резонатор с открытой линией.
В диапазоне волн К>50 см применяют также резонаторы с открытой (симметричной) линией из двух проводников одинакового сечения (рис. 1, в).
Резонаторы коаксиальной конструкции удобно использовать в ламповых генераторах на триодах с дисковыми выводами электродов. Конструкция подобного генератора схематично показана на рис. 2, а. Внутренний проводник 2, находящийся под положительным потенциалом, должен быть изолирован от внешнего цилиндра 1. Внутренний проводник у короткозамкнутого конца линии отделен от дна внешнего цилиндра тонкой изоляционной прокладкой (обычно из слюды). Полученный таким образом конденсатор 4 замыкает накоротко (для токов СВЧ) внешний и внутренний проводники резонатора.
На рис. 2,б, в показаны варианты генератора с открытой линией.
Рис. 2. Конструкции ламповых генераторов:
а) на коаксиальном резонаторе;
6} на резонаторе с открытой линией и триоде с дисковыми выводами;
в) на резонаторе с открытой линией и двойном триоде
В приемной аппаратуре, в частности в качестве входных контуров конвертеров к телевизионным приемникам, применяют резонаторы в виде отрезков линии с внешними проводниками 1 прямоугольного сечения и внутренними 2 круглого сечения (рис. 3).
Рис. 3. Конструкции входных резонаторов приемных устройств:
а) с индуктивной связью;
б) со связью при помощи щели в общей стенке.
Настройка резонаторов. В широких пределах частоту резонатора можно менять изменением длины отрезка линии путем перемещения короткозамыкающей перемычки или поршня в коаксиальном резонаторе. При этом изменяется индуктивность линии в точках подключения к ней сосредоточенной емкости.
В ламповом генераторе (рис. 2) сосредоточенная емкость образуется, в основном, междуэлектродной емкостью лампы, а для установки частоты в конструкцию резонатора вводят подстроечный конденсатор 3, обычно выполненный в виде двух дисков, расстояние между которыми можно изменять. Конденсатор может быть включен параллельно емкости лампы (рис. 2, а и в) либо последовательно с ней (рис. 2, б).
Входные резонаторы приемников настраивают малогабаритными конденсаторами переменной емкости S, расположенными внутри резонаторов (рис. 3). При этом для «укладки» диапазона в заданные границы также применяют подстроечные конденсаторы 3.
Заметим, что подстроечный конденсатор можно включать и на некотором расстоянии от разомкнутого конца линии.
Связь резонатора с другими контурами и цепями часто осуществляют индуктивным способом - с помощью витка (петли) связи, расположенного у короткозамкнутого конца резонатора. В полосовых фильтрах приемников резонаторы можно связывать между собой при помощи витка 4 (рис. 3, а) либо щели 7 в общей стенке (рис. 3, б). Связь усиливается с увеличением размеров витка и щели.
С коаксиальным кабелем резонатор можно связать кондуктивно, соединив жилу кабеля (5 на рис. 3, а) с внутренним проводником резонатора 2, а оплетку - с внешним проводником резонатора 1 (рис. 1, а; 3, а). В последнем случае связь усиливается, а полоса пропускания резонатора расширяется при увеличении расстояния между местом подключения кабеля и короткозамкнутым концом резонатора (а на рис. 1, а). Изменяя величину связи, можно осуществить согласование резонатора с кабелем или иной нагрузкой. Следовательно, резонатор может служить трансформатором сопротивления.
В генераторе изменением связи устанавливают эквивалентное сопротивление резонатора, при котором получается наибольшая колебательная мощность.
Основные параметры резонаторов
Рабочая частота f или длина волны, К (или диапазон частот, волн) задается при расчете резонатора.
Волновое сопротивление ZB отрезка линии, образующего резонатор, зависит от геометрических размеров отрезка. Значение ZB может быть определено по графикам рис. 4 и 5.
Добротность Q, эквивалентное резонансное сопротивление Roe и полоса пропускания df резонатора, как и одноименные параметры контура с сосредоточенными постоянными, взаимосвязаны. В экранированном коаксиальном резонаторе собственные потери невелики, поэтому он обладает высокой добротностью. В большинстве случаев можно считать, что Roe и Q резонатора определяются потерями, вносимыми в него извне связями с электронной лампой, полупроводниковым прибором или нагрузкой. Повышению добротности резонатора способствует полировка его внутренних поверхностей с последующим гальваническим серебрением и вторичной полировкой до зеркального блеска.
Коэффициент трансформации п определяется как
где Zн - сопротивление нагрузки.
Если связь с резонатором осуществляется коаксиальным кабелем, то величину Zн принимают равной волновому сопротивлению кабеля.
Расчет резонатора производят в следующем порядке. Выбрав конструкцию и основные размеры резонатора, определяют его волновое сопротивление ZB по графику рис. 4 или 5.
Рис. 4
Рис. 5
Далее, по заданной длине волны l. (или частоте f) с помощью графика рис. 6 определяют произведение CZв, где С - емкость, необходимая для настройки резонатора на заданную частоту. Разделив это произведение на ZB, находят требуемую емкость С. Если по расчету величина С получается настолько большой, что подстроечный конденсатор окажется конструктивно невыполнимым, нужно задаться другим значением длины l.
Рис. 6
В случае генератора, показанного на рис. 2, а или в емкость подстроечного конденсатора определится как разность между расчетной емкостью и междуэлектродной емкостью лампы. В случае же схемы по рис. 2, б, резонансная емкость определяется последовательным соединением между электродной емкости лампы и подстроечного конденсатора.
Кондуктивную связь можно рассчитать следующим образом. Определив коэффициент трансформации и, находят по графику рис. 7, отношение а/l.
Рис. 7
Умножив его на длину волны, получают расстояние а от короткозамкнутого конца линии до места подключения нагрузки. Если l<l/8, то размер а можно определить по формуле
a=l/n
Точный расчет индуктивной связи с резонатором практически невозможен. В случае коаксиального резонатора размер витка связи 6 (рис. 1, б) равен обычно 0,4-0,7 величину зазора между внутренним и внешним проводниками, а в случае резонатора с открытой линией (рис. 1, в) размер Ь выбирают в пределах 0,6-0,9 расстояния между параллельными проводниками. Длина витка связи а составляет 0,1 - 0,2 длины резонатора l. Оптимальную связь подбирают практически, изменяя размеры витка, поворачивая его внутри коаксиального резонатора или удаляя (приближая) виток к короткозамкнутому концу резонатора с открытой линией.
Требуемая емкость подстроечного конденсатора в пф получается при расстоянии h между дисками в мм, определяемом по формуле:
h = 0.07Dк2/C
где Dк - диаметр дисков (в мм).
Пример расчета.
Рассчитать резонатор для приемного телевизионного устройства (длины волн 48-63,7 см, частоты 620-470 Мгц).
Выбираем конструкцию коаксиального резонатора квадратного сечения AxA=20x20 мм. В качестве внутреннего проводника резонатора удобно использовать латунный стержень от шариковой авторучки (d=3,2 мм).
Принимаем длину внутреннего проводника резонатора в 12 раз короче наиболее короткой волны заданного диапазона: l=4 см=40 мм. Отношение A/d=6,25 и согласно графику рис. 7 резонатор будет иметь волновое сопротивление Zв=115 ом.
По графику рис.6 для частоты 620 Мгц имеем: CZв=440 и для частоты 470 Мгц - CZв=800. Следовательно, для настройки на частоту 620 Мгц нужно иметь емкость Смин = 440 : 115=3,8 пф и для настройки на частоту 470 Мгц - 800 : 115=7 пф.
Если применить конденсатор из двух дисков диаметром 10 мм, то требуемая максимальная емкость Смакс=7 пф получится при расстоянии между дисками h=l мм.
Схема рассчитанного резонатора (в разрезе) с основными размерами показана на рис. 8.
Рис. 8. Схема резонатора с основными размерами (пример).
Здесь: 1 - внешний проводник резонатора; 2 - внутренний проводник; 3 - неподвижная обкладка подстроечного конденсатора; 4 - подвижный диск подстроечного конденсатора; 5 - винт установки емкости конденсатора; 6 - проводник кондуктивной связи с коаксиальным кабелем; 7 - виток индуктивной связи.
Радио 2-1972, с.31-32
.