Некоторые другие типы объемных резонаторов

Помимо уже рассмотренных прямоугольных и круглых объемных резонаторов в технике СВЧ находит применение ряд резонаторов других конструкций. В первую очередь сюда следует отнести коаксиальный объемный резонатор, получаемый путем закорачивания отрезка коаксиальной линии передачи с обоих концов. Резонатор данной конструкции, как правило, работает на волнах типа ТЕМ, и поэтому его поперечные размеры не имеют ограничения снизу. Данное свойство благоприятствует использованию коаксиального объемного резонатора на волнах дециметрового диапазона. Типы колебаний в коаксиальном резонаторе можно обозначать как (первые два индекса характеризуют отсутствие стоячих волн по цилиндрическим координатам и , последний индекс указывает на число стоячих полуволн вдоль координаты ). Так, на рисунке 69 изображена структура поля, относящаяся к колебанию типа .

Рисунок 69 − Структура поля в коаксиальном объемном резонаторе

Наличие внутреннего проводника увеличивает поверхность стенок резонатора. По этой причине добротность коаксиального резонатора несколько ниже, чем добротность резонаторов, рассмотренных выше.

Наилучшее соотношение между объемом и поверхностью можно получить в сферическом объемном резонаторе, представляющем собой полую сферу с металлическими стенками, радиус которой порядка резонансной длины волны. Однако ввиду трудностей перестройки сферические объемные резонаторы находят на практике лишь ограниченное применение.

Интересным типом резонатора является так называемый диэлектрический резонатор, схематически изображенный на рисунке 70. Он представляет собой некоторое тело, обычно цилиндрической формы, изготовленное из вещества с высокой диэлектрической проницаемостью (специальная керамика), которое помещается внутри прямоугольного волновода. При этом отпадает надобность в каких-либо устройствах возбуждения. Подобный резонатор работает за счет использования полного внутреннего отражения и может с успехом применяться для создания различных волноводных фильтров.

Рисунок 70 − Диэлектрический объемный резонатор

Остановимся, наконец, на одном весьма важном классе колебательных систем, носящем название открытых резонаторов. Появление открытых резонаторов было продиктован необходимостью создания высоко- добротных колебательных систем для лазеров светового и инфракрасного диапазонов. При этом рабочие частоты оказываются на много порядков выше, чем частоты диапазона СВЧ. Использование обычных принципов создания объемных резонаторов, подобных описанным, наталкивается на непреодолимые трудности.

Например, прямоугольный объемный резонатор для волн светового диапазона, работающий на типе колебаний с индексами порядка нескольких единиц, должен обладать размерами граней в несколько световых длин волн, что составляет всего лишь несколько тысячных долей миллиметра. Очевидно, что практическое выполнение такой конструкции не представляется возможным.

На первый взгляд может показаться, что разумно использовать объемные резонаторы с очень высокими, порядка тысячи и более, значениями индексов , и . Эта мера должна позволить значительно увеличить габариты конструкции и сделать их приемлемыми для изготовления. Однако нетрудно убедиться в том, что работа такого резонатора не может быть удовлетворительной по следующей причине. Согласно выражениям, при больших величинах индексов абсолютная величина разности резонансных длин волн между соседними типами колебаний (например, и ) непрерывно уменьшается с ростом индексов. Как следствие, рано или поздно частотный интервал между соседними типами колебаний становится меньше, чем ширина резонансной кривой. При этом резонатор перестает выполнять роль фильтрующей системы.

От указанного недостатка полностью свободна система, изображенная на рисунке 71 и носящая название открытого объемного резонатора конфокального типа. Данный резонатор представляет собой систему из двух металлических зеркал сферического профиля; фокусные расстояния зеркал равны половине длины системы. Принципиально важно, что все геометрические размеры системы (диаметр зеркал, фокусное расстояние) значительно превышают рабочую длину волны. Теоретически и экспериментально было показано, что в конфокальном резонаторе существует, вообще говоря, бесконечная последовательность отдельных типов колебаний, различающихся между собой как структурой электромагнитного поля, так и резонансными частотами. Общим для всех типов колебаний в конфокальном резонаторе является то, что поля этих типов колебаний локализованы в относительно узкой околоосевой области.

Рисунок 71 − Открытый объемный резонатор

Открытым колебательным системам присущ специфический механизм потерь, заключающийся в утечке части мощности за края зеркал. Данные потери носят название дифракционных потерь и связаны с конечностью поперечника зеркал. Для оценки величины дифракционных потерь принято вводить так называемый дифракционный параметр

где — радиус зеркала; — расстояние между зеркалами.

Было показано, что дифракционные потери чрезвычайно быстро падают с ростом параметра . На практике принято выбирать .