Mikrovågsugn - Microwave cavity

Två mikrovågshåligheter (vänster) från 1955, vardera fästa med vågledare till en reflexklystron (höger), ett vakuumrör som används för att generera mikrovågor. Hålrummen fungerar som resonatorer ( tankkretsar ) för att bestämma oscillatorernas frekvens

En mikrovågskavitet eller radiofrekvenshålighet (RF) är en speciell typ av resonator , som består av en sluten (eller i stort sett sluten) metallkonstruktion som begränsar elektromagnetiska fält i spektrumets mikrovågsregion . Strukturen är antingen ihålig eller fylld med dielektriskt material. Mikrovågorna studsar fram och tillbaka mellan hålrummet. Vid kavitetens resonansfrekvenser förstärks de för att bilda stående vågor i kaviteten. Därför fungerar hålrummet på samma sätt som ett orgelrör eller ljudlåda i ett musikinstrument och oscillerar företrädesvis vid en serie frekvenser, dess resonansfrekvenser . Således kan det fungera som ett bandpassfilter , vilket gör att mikrovågor med en viss frekvens kan passera medan de blockerar mikrovågor vid närliggande frekvenser.

En mikrovågshålighet fungerar på samma sätt som en resonanskrets med extremt låg förlust vid dess frekvens , vilket resulterar i kvalitetsfaktorer (Q-faktorer) upp till storleksordningen 10 ⁶ , jämfört med 10 ² för kretsar gjorda med separata induktorer och kondensatorer samtidigt frekvens. De används istället för resonanskretsar vid mikrovågsfrekvenser, eftersom diskreta resonanskretsar vid dessa frekvenser inte kan byggas eftersom värdena på induktans och kapacitans som behövs är för låga. De används i oscillatorer och sändare för att skapa mikrovågssignaler och som filter för att separera en signal vid en given frekvens från andra signaler, i utrustning som radarutrustning , mikrovågsrelästationer , satellitkommunikation och mikrovågsugnar .

RF-håligheter kan också manipulera laddade partiklar som passerar genom dem genom applicering av accelerationsspänning och används således i partikelacceleratorer och mikrovågs vakuumrör såsom klystroner och magnetroner .

Teori om drift

Insidan av en hålighet från en rysk militär radarsändare , med höljet borttaget. Hålrummet fungerar som resonanskretsen för en oscillator med hjälp av triodens vakuumrör inuti. Delar: (1) En ställskruv trimmer kondensator används för att justera frekvensen (2) Den övre delen av GS13-1 triod som genererar mikrovågorna (3) En trådkopplingsslinga från vilken uteffekten tas

De flesta resonanshåligheter är tillverkade av slutna (eller kortslutna) sektioner av vågledare eller dielektriskt material med hög permittivitet (se dielektrisk resonator ). Elektrisk och magnetisk energi lagras i kaviteten och de enda förluster beror på ändlig ledningsförmåga av hålighetens väggar och dielektriska förluster av material fyllning kaviteten. Varje kavitet har många resonansfrekvenser som motsvarar elektromagnetiska fältlägen som uppfyller nödvändiga gränsförhållanden på kavitetens väggar. På grund av dessa gränsförhållanden som måste uppfyllas vid resonans (tangentiella elektriska fält måste vara noll vid kavitetsväggar) följer att kavitetslängden måste vara ett heltal multipel av halvvåglängden vid resonans. Följaktligen kan en resonanskavitet tänkas som en vågledare ekvivalent av kortslutna halv-våglängdstransmissionsledning resonator. Q-faktorn för en resonanskavitet kan beräknas med hjälp av kavitetsstörningsteori och uttryck för lagrad elektrisk och magnetisk energi.

De elektromagnetiska fälten i håligheten exciteras via extern koppling. En extern strömkälla är vanligtvis kopplad till håligheten med en liten bländare , en liten trådsond eller en slinga. Extern kopplingsstruktur påverkar kavitetsprestanda och måste beaktas i den övergripande analysen.

Resonansfrekvenser

Resonansfrekvenserna i ett hålrum kan beräknas utifrån dess dimensioner.

Rektangulärt hålrum

Resonansfrekvenser i ett rektangulärt mikrovågsrum för något eller resonansläge kan hittas genom att införa gränsförhållanden för elektromagnetiska fältuttryck. Denna frekvens ges av ${\ displaystyle \ scriptstyle TE_ {mnl}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle TM_ {mnl}}$

{\ displaystyle {\ begin {align} f_ {mnl} & = {\ frac {c} {2 \ pi {\ sqrt {\ mu _ {r} \ epsilon _ {r}}}}} \ cdot k_ {mnl } \\ & = {\ frac {c} {2 \ pi {\ sqrt {\ mu _ {r} \ epsilon _ {r}}}}} {\ sqrt {\ left ({\ frac {m \ pi} {a}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {n \ pi} {b}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {l \ pi} {d}} \ höger) ^ {2}}} \\ & = {\ frac {c} {2 {\ sqrt {\ mu _ {r} \ epsilon _ {r}}}}} {\ sqrt {\ left ({\ frac {m} {a}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {n} {b}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {l} {d}} \ höger) ^ {2}}} \ slut {justerad}}}

( 1 )

där är vågtalet , med , , som är lägesnummer och , , är de motsvarande dimensioner; c är ljusets hastighet i vakuum; och och är relativ permeabilitet respektive permittivitet hos kavitetsfyllningen. ${\ displaystyle \ scriptstyle k_ {mnl}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle m}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle n}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle l}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle a}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle b}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle d}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ mu _ {r}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ epsilon _ {r}}$

Cylindrisk hålighet

Fältlösningarna i ett cylindriskt hålrum med längd och radie följer av lösningarna på en cylindrisk vågledare med ytterligare elektriska gränsförhållanden vid positionen för de inneslutande plattorna. Resonansfrekvenserna är olika för TE- och TM-lägen. ${\ displaystyle \ scriptstyle L}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle R}$

TM-lägen: ${\ displaystyle f_ {mnp} = {\ frac {c} {2 \ pi {\ sqrt {\ mu _ {r} \ epsilon _ {r}}}}} {\ sqrt {\ left ({\ frac {X_ {mn}} {R}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {p \ pi} {L}} \ höger) ^ {2}}}}$

TE-lägen: ${\ displaystyle f_ {mnp} = {\ frac {c} {2 \ pi {\ sqrt {\ mu _ {r} \ epsilon _ {r}}}}} {\ sqrt {\ left ({\ frac {X '_ {mn}} {R}} \ höger) ^ {2} + \ vänster ({\ frac {p \ pi} {L}} \ höger) ^ {2}}}}$

Här betecknar -th noll av -th Bessel-funktionen , och betecknar -th noll för derivatet av -th Bessel-funktionen. ${\ displaystyle \ scriptstyle X_ {mn}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle n}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle m}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle X '_ {mn}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle n}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle m}$

Kvalitetsfaktor

Den kvalitetsfaktorn av en kavitet kan delas upp i tre delar, som representerar olika mekanismer effektförlust. ${\ displaystyle \ scriptstyle Q}$

${\ displaystyle \ scriptstyle Q_ {c}}$ , som härrör från strömförlusten i väggarna som har ändlig ledningsförmåga

{\ displaystyle Q_ {c} = {\ frac {(kad) ^ {3} b \ eta} {2 \ pi ^ {2} R_ {s}}} \ cdot {\ frac {1} {l ^ {2 } a ^ {3} \ vänster (2b + d \ höger) + \ vänster (2b + a \ höger) d ^ {3}}} \,}

( 3 )

${\ displaystyle \ scriptstyle Q_ {d}}$ , resulterande från effektförlusten i det förlustfria dielektriska materialet som fyller håligheten.

{\ displaystyle Q_ {d} = {\ frac {1} {\ tan \ delta}} \,}

( 4 )

${\ displaystyle \ scriptstyle Q_ {ext}}$ , som härrör från effektförlust genom otillslutna ytor (hål) i hålrumsgeometrin.

Hålighetens totala Q-faktor kan hittas som

{\ displaystyle Q = \ left ({\ frac {1} {Q_ {c}}} + {\ frac {1} {Q_ {d}}} \ right) ^ {- 1} \,}

( 2 )

där k är vågnummer , är den inneboende impedansen hos dielektrikumet, är ytmotståndet hos hålrumsväggarna och är relativ permeabilitet respektive permittivitet och är förlusttangenten för dielektriket. ${\ displaystyle \ scriptstyle \ eta}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle R_ {s}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ mu _ {r}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ epsilon _ {r}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ tan \ delta}$

Jämförelse med LC-kretsar

LC-kretsekvivalent för mikrovågsresonanshålighet

Mikrovågsresonanshåligheter kan representeras och betraktas som enkla LC-kretsar . För ett mikrovågshålrum är den lagrade elektriska energin lika med den lagrade magnetiska energin vid resonans, vilket är fallet för en resonans LC-krets . När det gäller induktans och kapacitans kan resonansfrekvensen för ett visst läge skrivas som ${\ displaystyle \ scriptstyle mnl}$

{\ displaystyle L_ {mnl} = \ mu k_ {mnl} ^ {2} V \,}

( 6 )

{\ displaystyle C_ {mnl} = {\ frac {\ epsilon} {k_ {mnl} ^ {4} V}} \,}

( 7 )

{\ displaystyle {\ begin {align} f_ {mnl} & = {\ frac {1} {2 \ pi {\ sqrt {L_ {mnl} C_ {mnl}}}}} \\ & = {\ frac {1 } {2 \ pi {\ sqrt {{\ frac {1} {k_ {mnl} ^ {2}}} \ mu \ epsilon}}}} \ slut {justerad}}}

( 5 )

där V är kavitetsvolymen, är läget vågnummer och och är permittivitet respektive permeabilitet. ${\ displaystyle \ scriptstyle k_ {mnl}}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ epsilon}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ mu}$

För att bättre förstå nyttan av resonanshåligheter vid mikrovågsfrekvenser är det användbart att notera att förlusterna hos konventionella induktorer och kondensatorer börjar öka med frekvensen i VHF- området. På samma sätt, för frekvenser över en gigahertz börjar Q-faktorvärden för transmissionslinjeresonatorer minska med frekvensen. På grund av deras låga förluster och höga Q-faktorer föredras kavitetsresonatorer framför konventionella LC- och transmissionsledningsresonatorer vid höga frekvenser.

Förluster i LC-resonanskretsar

En absorption wavemeter . Den består av ett justerbart hålrum kalibrerat i frekvens. När kavitetsresonansfrekvensen når frekvensen för de applicerade mikrovågorna absorberar den energi och orsakar ett dopp i uteffekten. Då kan frekvensen avläsas från skalan.

Konventionella induktorer lindas vanligtvis från tråd i form av en spiral utan kärna. Hudeffekt gör att induktorernas högfrekvensmotstånd blir många gånger deras likströmsmotstånd . Dessutom orsakar kapacitans mellan varv dielektriska förluster i isoleringen som täcker ledningarna. Dessa effekter gör högfrekvensmotståndet större och minskar Q-faktorn.

Konventionella kondensatorer använder luft , glimmer , keramik eller kanske teflon för dielektrikum. Även med lågförlustdielektrikum utsätts kondensatorer också för hudeffektförluster i sina ledningar och plattor . Båda effekterna ökar deras motsvarande seriemotstånd och minskar deras Q.

Även om Q-faktorn för VHF-induktorer och kondensatorer är tillräckligt hög för att vara användbar, kan deras parasitiska egenskaper påverka deras prestanda i detta frekvensområde avsevärt. Shuntkapacitansen hos en induktor kan vara mer signifikant än dess önskvärda serieinduktans. Serieinduktansen för en kondensator kan vara mer signifikant än dess önskvärda shuntkapacitans. Som ett resultat, i VHF- eller mikrovågsregionerna kan en kondensator verka som en induktor och en induktor kan tyckas vara en kondensator. Dessa fenomen är bättre kända som parasitisk induktans och parasitisk kapacitans .

Förluster i kavitetsresonatorer

Dielektrisk förlust av luft är extremt låg för högfrekventa elektriska eller magnetiska fält. Luftfyllda mikrovågshålor begränsar elektriska och magnetiska fält till luftrummen mellan väggarna. Elektriska förluster i sådana håligheter beror nästan uteslutande på strömmar som flyter i hålväggar. Medan förluster från väggströmmar är små pläteras håligheter ofta med silver för att öka deras elektriska ledningsförmåga och minska dessa förluster ytterligare. Koppar hålrum ofta oxidera , vilket ökar deras förlust. Silver eller guld plating förhindrar oxidering och minskar elektriska förluster i kavitetsväggarna. Även om guld inte är en lika bra ledare som koppar, förhindrar det fortfarande oxidation och den resulterande försämringen av Q-faktorn över tiden. På grund av dess höga kostnad används den dock bara i de mest krävande applikationerna.

Vissa satellitresonatorer är silverpläterade och täckta med ett guldblixtlager . Strömmen flödar sedan mest i silverskiktet med hög ledningsförmåga, medan guldblixtskiktet skyddar silverskiktet från att oxidera.

Languages

In other projects