Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Диэлектрический материал, предназначенный для работы в качестве резонатора для радиоволн
Dielectric material designed to act as a resonator for radio waves
Диэлектрический резонатор – это элемент из диэлектрического (непроводящего, но поляризуемого) материала, обычно керамики, разработанный для функционирования в качестве резонатора для радиоволн, как правило, в микроволновом и миллиметровом диапазонах. Микроволны удерживаются внутри материала резонатора за счет резкого изменения диэлектрической проницаемости на поверхности и отражаются между его стенками. На определенных частотах, называемых резонансными, микроволны формируют стоячие волны в резонаторе, колеблющиеся с большой амплитудой. Диэлектрические резонаторы обычно представляют собой керамический диск с высокой диэлектрической проницаемостью и низким коэффициентом потерь. Резонансная частота определяется общими физическими размерами резонатора и диэлектрической проницаемостью материала. Диэлектрические резонаторы функционируют аналогично волноводным резонаторам – полым металлическим конструкциям, которые также широко используются в качестве резонаторов на микроволновых частотах, но в диэлектрических резонаторах отражение радиоволн происходит за счет резкого изменения диэлектрической проницаемости, а не за счет проводимости металла. На миллиметровых частотах металлические поверхности становятся сильно поглощающими, поэтому для этих частот используются диэлектрические резонаторы. Основное применение диэлектрических резонаторов – в электронных генераторах миллиметрового диапазона (диэлектрический резонаторный генератор, ДРО) для управления частотой генерируемых радиоволн. Они также используются в качестве полосно-пропускных фильтров и антенн.
A dielectric resonator is a piece of dielectric (nonconductive but polarizable) material, usually ceramic, that is designed to function as a resonator for radio waves, generally in the microwave and millimeter wave bands. The microwaves are confined inside the resonator material by the abrupt change in permittivity at the surface, and bounce back and forth between the sides. At certain frequencies, the resonant frequencies, the microwaves form standing waves in the resonator, oscillating with large amplitudes. Dielectric resonators generally consist of a "puck" of ceramic that has a large dielectric constant and a low dissipation factor. The resonant frequency is determined by the overall physical dimensions of the resonator and the dielectric constant of the material. Dielectric resonators function similarly to cavity resonators, hollow metal boxes that are also widely used as resonators at microwave frequencies, except that the radio waves are reflected by the large change in permittivity rather than by the conductivity of metal. At millimeter wave frequencies, metal surfaces become lossy reflectors, so dielectric resonators are used at these frequencies. Dielectric resonators' main use is in millimeter wave electronic oscillators (dielectric resonator oscillator, DRO) to control the frequency of the radio waves generated. They are also used as bandpass filters as well as antennas.
Исторический обзор
В конце 19 века лорд Рэлей продемонстрировал, что бесконечно длинный цилиндрический стержень из диэлектрического материала может служить волноводом. Дополнительные теоретические и экспериментальные работы, проведенные в Германии в начале 20 века, дали более глубокое понимание поведения электромагнитных волн в диэлектрических волноводах. Поскольку диэлектрический резонатор можно рассматривать как укороченный диэлектрический волновод, это исследование было фундаментальным для научного понимания электромагнитных явлений в диэлектрических резонаторах. В 1939 году Роберт Д. Рихтмайер опубликовал исследование, в котором показал, что диэлектрические структуры могут функционировать аналогично металлическим резонаторам. Он назвал эти структуры диэлектрическими резонаторами. Рихтмайер также продемонстрировал, что диэлектрические резонаторы, находящиеся в свободном пространстве, должны излучать вследствие граничных условий на границе раздела диэлектрика и воздуха. Эти результаты впоследствии были использованы при разработке ДРА (диэлектрической резонаторной антенны). Из-за Второй мировой войны, недостатка передовых материалов и адекватных технологий производства, диэлектрические резонаторы на два десятилетия после публикации исследования Рихтмайера остались относительно незамеченными. Однако в 1960-х годах, с развитием высокочастотной электроники и современной индустрии связи, диэлектрические резонаторы приобрели значимость. Они предложили конструктивное решение, уменьшающее габариты по сравнению с громоздкими волноводными фильтрами, и более экономичные альтернативы для электронных генераторов, селективных частотных ограничителей и линий замедленного распространения волн.
In the late 19th century, Lord Rayleigh demonstrated that an infinitely long cylindrical rod made up of dielectric material could serve as a waveguide. Additional theoretical and experimental work done in Germany in early 20th century, offered further insight into the behavior of electromagnetic waves in dielectric rod waveguides. Since a dielectric resonator can be thought of as a truncated dielectric rod waveguide, this research was essential for scientific understanding of electromagnetic phenomena in dielectric resonators. In 1939 Robert D. Richtmyer published a study in which he showed that dielectric structures can act just as metallic cavity resonators. He appropriately named these structures dielectric resonators. Richtmyer also demonstrated that, if exposed to free space, dielectric resonators must radiate because of the boundary conditions at the dielectric to air interface. These results were later used in development of DRA (Dielectric Resonator Antenna). Due to World War II, lack of advanced materials and adequate manufacturing techniques, dielectric resonators fell in relative obscurity for another two decades after Richtmyer's study was published. However, in the 1960s, as high frequency electronics and modern communications industry started to take off, dielectric resonators gained in significance. They offered a size reducing design alternative to bulky waveguide filters and lower cost alternatives for electronic oscillator, frequency selective limiter and slow wave
В диэлектрических резонаторах могут быть возбуждены три типа резонансных мод: поперечные электрические (TE), поперечные магнитные (TM) или гибридные электромагнитные (HEM) моды. Теоретически, в каждой из этих трех групп существует бесконечное число мод, и требуемая мода обычно выбирается исходя из требований конкретного применения. Как правило, мода используется в большинстве не излучающих приложений, но другие моды могут иметь определенные преимущества для специфических задач. Несмотря на то, что недавние достижения в материаловедении и технологиях производства смягчили некоторые из этих проблем, для стабилизации рабочих характеристик схемы в зависимости от температуры и частоты все еще могут потребоваться компенсационные методы.
There are three types of resonant modes that can be excited in dielectric resonators: transverse electric (TE), transverse magnetic (TM) or hybrid electromagnetic (HEM) modes. Theoretically, there is an infinite number of modes in each of the three groups, and desired mode is usually selected based on the application requirements. Generally, mode is used in most non radiating applications, but other modes can have certain advantages for specific applications. Even though recent improvements in materials science and manufacturing mitigated some of these issues, compensating techniques still may be required to stabilize the circuit performance over temperature and frequency.