Результат интеллектуальной деятельности: КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ КОАКСИАЛЬНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано в составе полосно-пропускающих фильтров приемных и передающих устройств и транзисторных автогенераторах.

Известна колебательная система на основе четвертьволнового коаксиального керамического резонатора (прототип), используемая в полосно-пропускающих фильтрах и автогенераторах [1]. Конструктивно коаксиальный керамический резонатор представляет собой круглую втулку, все поверхности которой, кроме одного торца, покрыты серебром. Коаксиальные керамические резонаторы имеют малые габариты и массу, высокую механическую прочность и температурную стабильность. На их основе проектируются малогабаритные полосно-пропускающие фильтры и стабилизированные транзисторные автогенераторы СВЧ-диапазона [2]. Однако наличие эквидистантных собственных частот коаксиальных керамических резонаторов приводит к появлению в амплитудно-частотной характеристике полосно-пропускающих фильтров полос прозрачности вблизи нечетных гармоник основного сигнала на частотах (2n+1)f₀, а в автогенераторе - к паразитным автоколебаниям на нечетных гармониках основного сигнала.

Задача исключения этих недостатков в полосно-пропускающих фильтрах решается установкой фильтров низких частот или режекторных фильтров, настроенных на подавление полос прозрачности на частотах, кратных нечетным значениям центральной частоты АЧХ. Данный метод приводит к необходимости разработки дополнительных частотно-избирательных СВЧ-устройств, увеличивает габариты и массу приборов.

Задача исключения паразитных автоколебаний в транзисторных автогенераторах решается за счет создания условий самовозбуждения только на основной частоте. Данный метод обеспечивается, как правило, за счет введения частотно-избирательных цепей в обратную связь или связь с нагрузкой.

Известна колебательная система на основе воздушного резонатора, образованного коаксиальной линией со ступенчатой нерегулярностью в наружном или внутреннем проводнике с неэквидистантным расположением собственных частот [3]. Данные резонаторы имеют значительные габариты и массу, низкую механическую прочность и высокую трудоемкость изготовления. Построение на их основе полосно-пропускающих фильтров и транзисторных автогенераторов приводит к значительным по сравнению с полосно-пропускающими фильтрами и автогенераторами на коаксиальных керамических резонаторах габаритам и массе.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность построения малогабаритной колебательной системы с неэквидистантным расположением собственных частот для построения полосно-пропускающих фильтров без паразитных полос пропускания вблизи нечетных значений частот, кратных низшей собственной частоте резонатора, и транзисторных автогенераторов без паразитных сигналов на нечетных гармониках основного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в колебательной системе на основе коаксиального керамического резонатора для устранения эквидистантности собственных частот коаксиальный керамический резонатор выполнен составным из двух отрезков коаксиальных линий с равными диаметрами наружного и внутреннего проводников, причем отрезки изготовлены из керамических материалов с разными диэлектрическими проницаемостями и равными электрическими длинами, один из отрезков короткозамкнут на конце, а соединенные друг с другом открытые концы в области стыка гальванически связаны по внутренним и наружным проводникам.

Изобретение поясняется следующими рисунками:

Фигура 1. Колебательная система на основе коаксиального керамического резонатора.

Фигура 2. График расстановки собственных частот коаксиального керамического резонатора при основной частоте f₀=1 ГГц.

Фигура 3. Колебательная система на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью внутреннего (а) и внешнего (б) проводника.

Фигура 4. График расстановки собственных частот колебательной системы на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью.

Фигура 5. Предлагаемая колебательная система на основе составного коаксиального керамического резонатора.

Фигура 6. Графики зависимостей относительного отклонения второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора от отношения электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий для ε_а/ε_b=0.4 (а) и ε_а/ε_b=2.5 (б) при основной частоте f₀=1 ГГц.

Фигура 7. Графики расстановки собственных частот колебательных системы на основе составного коаксиального керамического резонатора для ε_a/ε_b=0.4 (а) и ε_а/ε_b=2.5 (б), при основной частоте f₀=1 ГГц.

На фигуре 1 показан внешний вид колебательной системы на основе коаксиального керамического резонатора. Геометрическая длина коаксиального керамического резонатора l определяет спектр собственных колебаний как

где ω - частота, µ₀ и ε₀ - магнитная и электрическая постоянные, ε - относительная диэлектрическая проницаемость керамического материала.

На фигуре 2 показана расстановка собственных частот коаксиального керамического резонатора, каждая из которых определяется как

На фигуре 3 показана колебательная система на основе коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью внутреннего (а) и внешнего (б) проводника. Геометрическая длина отрезков коаксиальных линий и параметр нерегулярности m определяют спектр собственных колебаний как [3]

где l_а и l_b - длины короткозамкнутого и разомкнутого отрезков коаксиальной линии, W_a и W_b - волновые сопротивления, m=W_a/W_b - параметр нерегулярности, с - скорость света.

На фигуре 4 показана расстановка собственных частот коаксиального воздушного резонатора со ступенчатой нерегулярностью, каждая из которых определяется при решении трансцендентного уравнения резонанса (3).

На фигуре 5 показана предлагаемая колебательная система на основе коаксиального керамического резонатора, выполненного составным из отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий. Геометрическая длина закороченного l_а и разомкнутого l_b отрезков коаксиальных линий и отношение их относительных диэлектрических проницаемостей ε_а и ε_b определяют спектр собственных колебаний как

На фигуре 6 показаны зависимости относительного отклонения второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора Δ=(3f₀-f₁)/f₀ от отношения электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий для ε_a/ε_b=0.4 (а) и ε_а/ε_b=2.5 (б) при основной частоте f₀=1 ГГц. Таким образом, можно видеть, что максимальное отклонение второй резонансной частоты составного коаксиального керамического резонатора достигается при равенстве электрических длин отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий, являющихся составными частями составного коаксиального керамического резонатора.

На фигуре 7 показаны расстановки собственных частот колебательных систем на основе составного коаксиального керамического резонатора, построенных из отрезков закороченной и разомкнутой коаксиальных линий равной электрической длины для ε_а/ε_b=0.4 (а) и ε_а/ε_b=2.5 (б), каждая из которых определяется как

где

Применение составного коаксиального керамического резонатора позволяет обеспечить неэквидистантную расстановку собственных частот колебательной системы, ее малые габариты и массу, высокую температурную стабильность и механическую прочность, удобство включения в микрополосковые схемы полосно-пропускающих фильтров и стабилизированных транзисторных автогенераторов, улучшение фильтрующих свойств существующих полосно-пропускающих фильтров и стабилизированных транзисторных автогенераторов на основе коаксиальных керамических резонаторов за счет замены коаксиальных керамических резонаторов на составные коаксиальные керамические резонаторы без изменения способов установки в схемы этих устройств при сохранении параметров устройств на основной частоте.

Литература

1. ВЧ- и СВЧ-керамические материалы и микроволновые элементы. Каталог продукции. Санкт-Петербург. ООО «Керамика». 2004.

2. В.А. Козлов, А.Л. Кунилов, Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков, Л.С. Ухватова, Д.Р. Шишкин. Применение коаксиальных керамических резонаторов в устройствах СВЧ-диапазона. Антенны и функциональные узлы СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Методы расчета и технология изготовления / под ред. А.Ю. Седакова. М., «Радиотехника», 2011. С. 98-103.

3. Б.С. Воинов. Широкодиапазонные колебательные системы СВЧ. М., Изд-во «Сов. радио», 1973.