Un resonador dieléctrico es una pieza de material dieléctrico ( no conductor pero polarizable ), generalmente cerámica , que está diseñado para funcionar como resonador de ondas de radio , generalmente en las bandas de microondas y ondas milimétricas . Las microondas están confinadas dentro del material del resonador por el cambio abrupto en la permitividad en la superficie y rebotan hacia adelante y hacia atrás entre los lados. A ciertas frecuencias , las frecuencias de resonancia , las microondas forman ondas estacionarias.en el resonador, oscilando con grandes amplitudes. Los resonadores dieléctricos generalmente consisten en un "disco" de cerámica que tiene una constante dieléctrica grande y un factor de disipación bajo . La frecuencia de resonancia está determinada por las dimensiones físicas generales del resonador y la constante dieléctrica del material.
Los resonadores dieléctricos funcionan de manera similar a los resonadores de cavidad , cajas metálicas huecas que también se utilizan ampliamente como resonadores en frecuencias de microondas, excepto que las ondas de radio se reflejan por el gran cambio en la permitividad en lugar de por la conductividad del metal. A frecuencias de ondas milimétricas , las superficies metálicas se convierten en reflectores con pérdidas, por lo que se utilizan resonadores dieléctricos en estas frecuencias. El uso principal de los resonadores dieléctricos es en osciladores electrónicos de ondas milimétricas ( oscilador de resonador dieléctrico , DRO ) para controlar la frecuencia de las ondas de radio generadas. También se utilizan como filtros de paso de banda y como antenas .
Panorama historico
A finales del siglo XIX, Lord Rayleigh demostró que una varilla cilíndrica infinitamente larga hecha de material dieléctrico podría servir como guía de ondas. [1] Trabajos teóricos [2] y experimentales [3 ] adicionales realizados en Alemania a principios del siglo XX ofrecieron más información sobre el comportamiento de las ondas electromagnéticas en guías de ondas de varillas dieléctricas. Dado que un resonador dieléctrico puede considerarse como una guía de ondas de varilla dieléctrica truncada, esta investigación fue esencial para la comprensión científica de los fenómenos electromagnéticos en resonadores dieléctricos. En 1939, Robert D. Richtmyer publicó un estudio [4] en el que demostró que las estructuras dieléctricas pueden actuar como resonadores de cavidades metálicas. Él nombró apropiadamente a estas estructuras resonadores dieléctricos . Richtmyer también demostró que, si se exponen al espacio libre, los resonadores dieléctricos deben irradiar debido a las condiciones de contorno en la interfaz dieléctrico-aire. Estos resultados se utilizaron más tarde en el desarrollo de DRA ( Antena de resonador dieléctrico ). Debido a la Segunda Guerra Mundial , la falta de materiales avanzados y técnicas de fabricación adecuadas, los resonadores dieléctricos cayeron en relativa oscuridad durante otras dos décadas después de la publicación del estudio de Richtmyer. Sin embargo, en la década de 1960, cuando la electrónica de alta frecuencia y la industria de las comunicaciones modernas comenzaron a despegar, los resonadores dieléctricos cobraron importancia. Ofrecieron una alternativa de diseño de reducción de tamaño a los filtros de guía de ondas voluminosos y alternativas de menor costo para el oscilador electrónico , [5] limitador selectivo de frecuencia [6] y circuitos de onda lenta [6] . Además del costo y el tamaño, otras ventajas que tienen los resonadores dieléctricos sobre los resonadores de cavidad metálica convencionales son el menor peso, la disponibilidad de material y la facilidad de fabricación. Existe una amplia disponibilidad de diferentes resonadores dieléctricos en el mercado hoy en día con factor Q descargado del orden de 10000 s.
Teoría de operación
Aunque los resonadores dieléctricos muestran muchas similitudes con las cavidades metálicas resonantes, hay una diferencia importante entre los dos: mientras que los campos eléctricos y magnéticos son cero fuera de las paredes de la cavidad metálica (es decir, las condiciones de contorno de circuito abierto se satisfacen completamente), estos campos no son cero fuera de las paredes dieléctricas del resonador (es decir, se satisfacen aproximadamente las condiciones de contorno de circuito abierto ). Aun así, los campos eléctricos y magnéticos decaen de sus valores máximos considerablemente cuando están lejos de las paredes del resonador. La mayor parte de la energía se almacena en el resonador a una frecuencia resonante dada para una constante dieléctrica suficientemente alta. . Los resonadores dieléctricos pueden exhibir un factor Q extremadamente alto que es comparable a una cavidad con paredes metálicas. [7]
Hay tres tipos de modos resonantes que pueden excitarse en resonadores dieléctricos: modos eléctrico transversal (TE), magnético transversal (TM) o electromagnético híbrido (HEM). En teoría, hay un número infinito de modos en cada uno de los tres grupos, y el modo deseado generalmente se selecciona en función de los requisitos de la aplicación. Generalmente,El modo se utiliza en la mayoría de las aplicaciones no radiantes, pero otros modos pueden tener ciertas ventajas para aplicaciones específicas. [5]
Frecuencia de resonancia aproximada deEl modo para un resonador dieléctrico cilíndrico aislado se puede calcular como: [5]
Dónde es el radio del resonador cilíndrico y es su longitud. Ambas cosas y están en milímetros. Frecuencia de resonanciaestá en gigahercios . Esta fórmula tiene una precisión de aproximadamente el 2% en el rango:
Sin embargo, dado que un resonador dieléctrico generalmente está encerrado en una cavidad conductora para la mayoría de las aplicaciones, las frecuencias de resonancia reales son diferentes de la calculada anteriormente. A medida que las paredes conductoras de la cavidad circundante se acercan al resonador, el cambio en las condiciones de contorno y la contención del campo comienzan a afectar las frecuencias resonantes. El tamaño y tipo de material que encapsula la cavidad puede afectar drásticamente el rendimiento del circuito resonante. Este fenómeno se puede explicar utilizando la teoría de la perturbación de la cavidad . Si un resonador está encerrado en una cavidad metálica, las frecuencias de resonancia cambian de la siguiente manera: [5]
- si la energía almacenada del campo desplazado es principalmente eléctrica, su frecuencia de resonancia disminuirá;
- si la energía almacenada del campo desplazado es principalmente magnética, su frecuencia de resonancia aumentará. Este es el caso de modo.
El problema más común que presentan los circuitos resonadores dieléctricos es su sensibilidad a las variaciones de temperatura y las vibraciones mecánicas. [8] A pesar de que las recientes mejoras en la ciencia de los materiales y la fabricación mitigaron algunos de estos problemas, es posible que aún se requieran técnicas de compensación para estabilizar el rendimiento del circuito sobre la temperatura y la frecuencia.
Aplicaciones habituales
Las aplicaciones más comunes, [5] [9] de los resonadores dieléctricos son:
- Aplicaciones de filtrado (las más comunes son los filtros de paso de banda y de detención de banda ),
- Osciladores ( diodo , feedback-, reflexión-, transmisión- y de tipo de reacción osciladores ),
- Limitadores selectivos de frecuencia,
- Elementos de antena de resonador dieléctrico (DRA).
Ver también
- Esfera YIG
Notas
- ^ Lord Rayleigh, "Sobre el paso de ondas a través de tubos o la vibración de cilindros dieléctricos", Revista filosófica, vol. 43, págs. 125-132, febrero de 1897.
- ^ D. Hondros, "Ueber elektromagnetische Drahtwelle", Annalen der Physik, vol. 30, págs. 905–949, 1909.
- ^ H. Zahn, "Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten", Annalen der Physik, vol. 37, págs. 907–933, 1916.
- ^ RD Richtmyer, "Resonadores dieléctricos", J.Appl. Phys., Vol. 10, págs. 391–398, junio de 1939.
- ^ a b c d e Darko Kajfez y Piere Guillon, Resonadores dieléctricos, Artech House, Dedham, MA, 1986.
- ^ a b Marian W. Pospieszalski, "Resonadores dieléctricos cilíndricos y sus aplicaciones en circuitos de microondas de línea TEM", IEEE Trans. Tecnología de teoría de microondas, vol. MTT-27, págs. 233-238, marzo de 1979.
- ^ A. Okaya y LF Barash, "El resonador dieléctrico de microondas", Proc. IRE, vol. 50, págs. 2081-2092, octubre de 1962.
- ^ MJ Loboda, TE Parker y GK Montress, "Sensibilidad a la temperatura de resonadores dieléctricos y osciladores de resonador dieléctrico", Proc. de la 42a frecuencia anual. Cont. Symp., Págs. 263-271, junio de 1988.
- ^ JK Plourde y C. Ren, "Aplicación de resonadores dieléctricos en componentes de microondas", IEEE Trans. Tecnología de teoría de microondas, vol. MTT-29, págs. 754–769, agosto de 1981.
Referencias
- Lord Rayleigh, "Sobre el paso de ondas a través de tubos o la vibración de cilindros dieléctricos", Revista filosófica, vol. 43, págs. 125-132, febrero de 1897.
- D. Hondros, “Ueber elektromagnetische Drahtwelle”, Annalen der Physik, vol. 30, págs. 905–949, 1909.
- H. Zahn, "Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten", Annalen der Physik, vol. 37, págs. 907–933, 1916.
- RD Richtmyer, "Resonadores dieléctricos", J.Appl. Phys., Vol. 10, págs. 391–398, junio de 1939.
- Darko Kajfez y Piere Guillon, resonadores dieléctricos, Artech House, Dedham, MA, 1986.
- Marian W. Pospieszalski, “Resonadores dieléctricos cilíndricos y sus aplicaciones en circuitos de microondas de línea TEM”, IEEE Trans. Tecnología de teoría de microondas, vol. MTT-27, págs. 233-238, marzo de 1979.
- A. Okaya y LF Barash, "El resonador dieléctrico de microondas", Proc. IRE, vol. 50, págs. 2081-2092, octubre de 1962.
- MJ Loboda, TE Parker y GK Montress, "Sensibilidad a la temperatura de resonadores dieléctricos y osciladores de resonadores dieléctricos", Proc. de la 42a frecuencia anual. Cont. Symp., Págs. 263-271, junio de 1988.
- JK Plourde y C. Ren, “Aplicación de resonadores dieléctricos en componentes de microondas”, IEEE Trans. Tecnología de teoría de microondas, vol. MTT-29, págs. 754–769, agosto de 1981.