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 электрическими и магнитными свойствами. Наибольшее распространение имеют полые Объёмный резонатор — полости, ограниченные металлическими стенками. Форма ограничивающей поверхности Объёмный резонатор в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили Объёмный резонатор некоторых простейших форм. К ним относятся круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и др. Некоторые типы Объёмный резонатор удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов (см. Радиоволновод), ограниченные двумя параллельными плоскостями.

  Задача о собственных колебаниях электромагнитного поля в Объёмный резонатор сводится к решению Максвелла уравнений с соответствующими граничными условиями. Процесс накопления электромагнитной энергии в Объёмный резонатор можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо 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 = nl/2 (l — длина волны, а n — целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны (рис. 1), амплитуда которой 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 Объёмный резонатор при отсутствии потерь энергии могут существовать неограниченно долгое время. Однако в действительности потери энергии в Объёмный резонатор неизбежны. Переменное магнитное поле индуцирует на внутренних стенках Объёмный резонатор электрические токи, которые нагревают стенки, что и приводит к потерям энергии (потери на проводимость). Кроме того, если в стенках Объёмный резонатор есть отверстия, которые пересекают линии тока, то вне Объёмный резонатор 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 Объёмный резонатор, к суммарным потерям в нём за период колебаний, называется добротностью Объёмный резонатор Чем выше добротность, тем лучше качество Объёмный резонатор

  По аналогии с волноводами типы колебаний в Объёмный резонатор 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 электрического цоля. Наконец, у колебаний типа ТЕМ ни электрическое, ни магнитное поля не имеют осевых компонентов. Примером Объёмный резонатор, в котором могут возбуждаться колебания ТЕМ-типа, может служить полость между двумя коаксиальными проводящими цилиндрами, ограниченная с торцов плоскими проводящими стенками, перпендикулярными оси цилиндров.

  Наиболее распространённым является цилиндрический Объёмный резонатор Типы колебаний в цилиндрический Объёмный резонатор характеризуют 3 индексами т, n, р, соответствующими числу полуволн электрического или магнитного поля, укладывающихся по его диаметру, окружности и длине (например, Е_тприли Н_тпр). Тип колебания (Е или Н) и его индексы определяют структуру электрического и магнитного полей в Объёмный резонатор (рис. 2). Колебание Н₀₁₁ цилиндрич. Объёмный резонатор 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 Объёмный резонатор возбуждаются только токи, текущие по окружностям цилиндра. Это позволяет делать неизлучающие щели в боковых и торцовых стенках Объёмный резонатор

Рис. 2. Простейшие виды колебаний в круглом цилиндрическом полом резонаторе: а — E₀₁₀, б — H₁₁₁, в — H₀₁₁. Сплошными линиями обозначены силовые линии электрического поля, пунктиром — силовые линии магнитного поля. Плотность силовых линий характеризует напряжённость поля. Для колебаний E₀₁₀ и H₁₁₁ плотность линий у оси цилиндра максимальна (пучность), а у его стенок равна нулю (узел). Силовые линии магнитного поля — замкнутые кривые.

  Кроме цилиндрических Объёмный резонатор, применяются Объёмный резонатор другой формы, например в лабораторных устройствах — прямоугольные Объёмный резонатор (рис. 3, а). Важен Объёмный резонатор тороидальной формы с ёмкостным зазором (рис. 3, б), применяемый в качестве колебательной системы клистрона. Особенностью основного типа колебаний такого Объёмный резонатор является пространственное разделение электрического и магнитного полей. Электрическое поле локализуется главным образом в ёмкостном зазоре, а магнитное — в тороидальной полости. Распределение поля в диэлектрическом Объёмный резонатор при существенном различии в диэлектрической проницаемости диэлектрика и окружающего пространства близко к распределению поля в металлических полых резонаторах той же формы. В отличие от полых Объёмный резонатор, поле диэлектрических резонаторов проникает в окружающее пространство, однако быстро затухает при удалении от поверхности диэлектрика.

Рис. 3. а — прямоугольный полый объёмный резонатор, в котором возбуждён основной тип колебаний E₁₁₀; сплошные линии — силовые линии электрического поля, пунктир — магнитного поля; б — тороидальный резонатор клистрона; в — резонаторная система магнетрона.

  Металлические полые Объёмный резонатор изготавливают обычно из металлов с высокой электропроводностью (Ag, Cu и их сплавы) или покрывают полость изнутри слоем Ag или Au. Объёмный резонатор с чрезвычайно высокой добротностью получают из сверхпроводящих металлов (см. Криоэлектроника). Настройка Объёмный резонатор на определённую частоту производится изменением его объёма путём перемещения стенок или введения в полость Объёмный резонатор металлических поршней, пластин и др. настроечных элементов. Связь с внешними цепями осуществляется обычно через отверстия в стенках Объёмный резонатор, с помощью петель, штырей и др. элементов связи. Для диэлектрических Объёмный резонатор используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (рутил, тиганат стронция и др.), имеющие малые диэлектрические потери.

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

 

  Лит.: Бройль 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.