СПИРАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 1996 года по МПК H01P7/08 

Изобретение относится к радиотехнике и технике СВЧ и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре.

Известен радиальный спиральный резонатор, содержащий логарифмическую спираль, расположенную между двумя металлическими экранами [1]
Недостатком известного устройства является относительно небольшая добротность из-за потерь в проводниках структуры.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является резонатор на связанных спиралях, нанесенных концентрично на обе поверхности диэлектрической пластины так, что углы наклона их витков равны и противоположны по направлению [2]
Недостатком данного устройства являются его относительно большие габариты.

Цель изобретения уменьшение габаритов спирального резонатора при сохранении высокой добротности.

Предлагаемый спиральный резонатор содержит две соосные параллельно расположенные радиальные одно- или многозаходные спирали, имеющие противоположное направление намотки. К внутренним концам спиралей подключены идентичные металлические круги, каждый из которых имеет по крайней мере одну радиальную щель.

Такое выполнение спирального резонатора позволяет уменьшить его габариты за счет разницы волновых сопротивлений спирали и металлического круга. При этом достигается заданная длина волны в структуре при уменьшении габаритов по сравнению с прототипом с сохранением высокой добротности.

На фиг. 1 и 2 изображена конструкция спирального резонатора на базе двух параллельно расположенных радиальных спиралей с противоположным направлением намотки 1, содержащего два параллельно расположенных идентичных металлических круга 2 с радиальными щелями 3. Зазор заполнен диэлектриком 4.

Волна в спиральном резонаторе возбуждается с помощью стандартного согласующего устройства (на чертеже не показано) с разомкнутого конца ВЧ-тракта (металлических кругов).

Для определения резонансной длины волны спирального резонатора рассмотрим два последовательно соединенных отрезка замедляющей системы длиной l₁ и l₂, причем первый из них (длиной l₁) замкнут на свободном конце, а второй разомкнут. Положим, что волновое сопротивление первого отрезка Z₁ существенно больше волнового сопротивления Z₂ второго отрезка. Если при этом электрическая длина каждого из отрезков меньше 0,3, то распределение поля по длине каждого из них почти однородно и резонансная длина волны λ_p определяется соотношением
(λ_p)² (2 π)² Z₁ n₁ n₂ l₁ l₂/Z₂, (1) где n₁, n₂ коэффициенты замедления волны в первом и втором отрезках соответст- венно, n где L_o погонная индуктивность; С_о погонная емкость структуры; ε_o,μ_o диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума. Выражая Z_1,2 377 n ε_o/C_o через n₁, n₂, C₁, C₂, где C₁, C₂ погонные емкости первого и второго отрезков, получим
λ_p= 2πn (2)
Из выражения (2) следует, что λ_p не зависит от замедления волны в отрезке с меньшим волновым сопротивлением и пропорциональна корню квадратному из отношения емкостей C₂/C₁. Дифференцируя выражение (2), находим, что при постоянной суммарной длине отрезков, резонансная длина волны максимальна при одинаковых длинах отрезков. Полагая l₁ l₂ l/2, получим вместо (2)
λ_p= πn (3) Известно, что резонансная длина волны отрезка замедляющей системы длиной l определяется соотношением:
λ_p 4nl. (4) Из сравнения формул (3) и (4) следует, что последовательное соединение отрезков замедляющей системы с разными волновыми сопротивлениями и отношением C₂/C₁ большим 8/π, приводит к увеличению резонансной длины волны по сравнению со случаем однородного отрезка замедляющей системы.

Проанализируем далее предлагаемый спиральный резонатор на связанных спиралях. Рассмотрим две радиальные логарифмические спирали с одинаковыми по величине, но противоположными по направлению углами намотки, расположенные параллельно на расстоянии b друг от друга (см. фиг. 1). В центрах обеих спиралей расположены металлические круги радиусом r₁, имеющие радиальные щели, необходимые для разрыва азимутальных токов. Закорачивая концы спиралей с внешним радиусом r₂, получаем четвертьволновый спиральный резонатор, считая r₂ 2r₁.

Погонная емкость участка резонатора между спиралями определяется выражением
C₁ ε_oεπrτ (cthb τ + 1), (5) где r текущий радиус. Погонная емкость второго участка, образованного металлическими кругами, рассчитывается по формуле
C₂ (2 ε_oεπr)/b. (6)
Замедление волны в связанных логарифмических спиралях определяется выражением
n tg (7) Используя выражения (5), (6), (7) и подставляя их в формулу (3), получаем
λ_p= πr₂tg (8) где Φ угол между направлением витков и радиусом спирали; τ поперечная постоянная.

Задаваясь в (8) значениями tg Φ 10, и b τ 0,01, находим λ_p 444,28 r₂.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что при заданной рабочей частоте геометрические размеры спирального резонатора могут быть существенно уменьшены по сравнению с прототипом с сохранением высокой добротности, что позволяет использовать его в качестве чувствительного элемента для измерения и контроля физических величин в технологических процессах.

Использование: радиоэлектронная аппаратура. Сущность изобретения: спиральный резонатор содержит две одно- или многозаходные спирали, имеющие противоположное направление намотки. К внутренним концам спиралей подключены металлические круги. Круги имеют по крайней мере одну радиальную щель. 2 ил.

СПИРАЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР, содержащий две соосные, параллельно расположенные радиальные одно- или многозаходные спирали, имеющие противоположное направление намотки, отличающийся тем, что к внутренним концам спиралей подключены идентичные металлические круги, каждый по крайней мере с одной радиальной щелью.