ОБЪЁМНЫЙ РЕЗОНАТОР

ОБЪЁМНЫЙ РЕЗОНАТОР колебательная
система сверхвысоких частот, аналог колебательного контура, представляет
собой объём, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом)
и ограниченный проводящей поверхностью либо пространством с иными электрич.
и магнитными свойствами. Наибольшее распространение имеют полые О. р. -
полости, ограниченные металлич. стенками. Форма ограничивающей поверхности
О. р. в общем случае может быть произвольной, однако практич. распространение
(в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта
и изготовления) получили О. р. нек-рых простейших форм. К ним относятся
круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др. Нек-рые
типы О. р. удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрич. волноводов
(см. Радиоволновод), ограниченные двумя параллельными плоскостями.

Задача о собственных колебаниях электромагнитного
поля в О. р. сводится к решению Максвелла уравнений
с соответствующими
граничными условиями. Процесс накопления электромагнитной энергии в О.
р. можно пояснить на след. примере: если между двумя параллельными отражающими
плоскостями к.-л. образом возбуждается плоская волна, распространяющаяся
перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью
отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к
образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих
друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = пЛ/2 (Л - длина
волны, а га - целое число), то интерференция волн приводит к образованию
стоячей волны (рис. 1), амплитуда к-рой при многократном отражении сильно
возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная
энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном
контуре.
Рис. 1. Образование стоячей волны
в пространстве между двумя параллельными плоскостями в результате интерференции
прямой и отражённых волн.

Свободные колебания в О. р. при отсутствии
потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в
действительности потери энергии в О. р. неизбежны. Переменное магнитное
поле индуцирует на внутр. стенках О. р. электрич. токи, к-рые нагревают
стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме
того, если в стенках О. р. есть отверстия, к-рые пересекают линии тока,
то вне О. р. возбуждается электромагнитное поле, что вызывает потери энергии
на излучение. Помимо этого, есть потери энергии в диэлектрике (см.
Диэлектрические
потери) и потери за счёт связи с внешними цепями. Отношение
энергии, запасённой в О. р., к суммарным потерям в нём за период колебаний
наз. добротностью О. р. Чем выше добротность, тем лучше качество О. р.

По аналогии с волноводами типы колебаний
в О. р. классифицируются по группам в зависимости от того, имеет ли пространственное
распределение электромагнитного поля осевые или радиальные (поперечные)
компоненты. Колебания типа Н (или ТЕ)
имеют осевую компоненту
лишь магнитного поля; колебания типа Е (или
ТМ) обладают
осевой компонентой только электрич. поля. Наконец, у колебаний типа ТЕМ
ни
электрическое, ни магнитное поля не имеют осевых компонент. Примером О.
р., в к-ром могут возбуждаться колебания
ТЕМ-типа, может служить
полость между двумя коаксиальными проводящими цилиндрами, ограниченная
с торнов плоскими проводящими стенками, перпендикулярными оси цилиндров.

Наиболее распространённым является цилиндрич.
О. р. Типы колебаний в цилиндрич. О. р. характеризуют 3 индексами т,
п, р, соответствующими числу полуволн электрического или магнитного
поля, укладывающихся по его диаметру, окружности и длине (напр., Еили
НТип колебания
(Е или Н)
и его индексы определяют структуру
электрического и магнитного полей в О. р. (рис. 2). Колебание Нон цилиндрич.
О. р. обладает особым свойством: оно безразлично к наличию контакта цилиндрических
и торцовых стенок. Магнитные силовые линии этого колебания направлены так
(рис. 2,
в), что в стенках О. р. возбуждаются только токи, текущие
по окружностям цилиндра. Это позволяет делать неизлучающие щели в боковых
и торцовых стенках О. р.

Кроме цилиндрич. О. р., применяются О.
р. другой формы, напр, в лабораторных устройствах - прямоугольные О. р.
(рис. 3,а). Важен О. р. тороидальной формы с ёмкостным зазором (рис.
3,6),
применяемый
в качестве колебательной системы клистрона.
Особенностью осн. типа
колебаний такого О. р. является пространственное разделение электрич. и
магнитного полей. Электрич. поле локализуется гл. обр. в ёмкостном зазоре,
а магнитное - в тороидальной полости. Распределение поля в диэлектрич.
О. р. при существенном различии в диэлектрической проницаемости диэлектрика
и окружающего пространства близко к распределению поля в металлич. полых
резонаторах той же формы. В отличие от полых О. р., поле диэлектрич. резонаторов
проникает в окружающее пространство, однако быстро затухает при удалении
от поверхности диэлектрика.

Металлич. полые О. р. изготавливают обычно
из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Си н их сплавы) или покрывают
полость изнутри слоем Ag или Аи. О. р. с чрезвычайно высокой добротностью
получают из сверхпроводящих металлов (см. Криоэлектроника).
Настройка
О. р. на определённую часто-
Рис. 2. Простейшие виды колебаний
в круглом цилиндрическом полом резонаторе: а - Еою, 6 - Нщ, в - Нои. Сплошными
линиями обозначены силовые линии электрического поля, пунктиром - силовые
линии магнитного поля. Плотность силовых линий характеризует напряжённость
поля. Для колебаний Бою и Нщ плотность линий у оси цилиндра максимальна
(пучность), а у его стенок равна нулю (узел). Силовые линии магнитного
поля - замкнутые кривые.
Рис. 3: а - прямоугольный полый объёмный
резонатор, в котором возбуждён основной тип колебаний Есплошные линии - силовые линии электрического поля, пунктир - магнитного
поля; б - тороидальный резонатор клистрона; в - резонаторная система магнетрона.

ту производится изменением его объёма путём
перемещения стенок или введения в полость О. р. металлич. поршней, пластин
и др. настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно
через отверстия в стенках О. р., с помощью петель, штырей и др. элементов
связи. Для диэлектрич. О. р. используются диэлектрики с высокой диэлектрич.
проницаемостью (рутил, титанат стронция и др.), имеющие малые диэлектрические
потери.

О. р. широко применяются в технике в качестве
колебательных систем генераторов (клистронов, магнетронов
и др.),
фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а также различных устройств
для исследования твёрдых, жидких и газообразных веществ. О. р. применимы
для частот 10⁹-10¹¹гц. Для более высоких частот
длина волны возбуждаемых в О. р. колебаний становится сравнимой с размерами
неизбежных шероховатостей и отверстий в стенках О. р., что приводит к рассеянию
электромагнитной энергии. Эти недостатки устраняются в открытых резонаторах,
представляющих
собой систему зеркал.

Лит.: Б р о и л ь Л., Электромагнитные
волны в волноводах и полых резонаторах, пер. с франц., М., 1948; Вайнштейн
Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957. И. В. Иванов, В. И. Зубков.