Об’ємний резонатор
Об'ємний резонатор - це коливальна надвисокочастотна система. Об'ємний резонатор аналогічний коливальному контуру. Об'ємний резонатор має вигляд об'єму, заповненого повітрям або будь-яким іншим діелектриком. Подібний обсяг обмежений або простором з певними електромагнітними властивостями, або провідною поверхнею. Порожнисті об'ємні резонатори вважаються найпоширенішими. Вони є порожнинами, які обмежені металевими стінками. Поверхня, що обмежує об'ємний резонатор, зазвичай довільної форми. За рахунок простоти конфігурації електричного та магнітного полів, нескладності розрахунку та виготовлення форми поверхні, тобто за своїм практичним поширенням обмежує поверхню резонатора може бути циліндричної, прямокутної, паралелепіпедної, сферичної та ін форм. Багато об'ємних резонаторів виступають відрізками діелектричних або порожнистих хвилеводів, які обмежені паралельними площинами.
Завдання коливань електромагнітного поля об'ємного резонатора вирішується виведенням рівнянь Максвелла. Для вирішення рівнянь мають бути граничні умови, що відповідають обчисленню.
Дві паралельні площини, що відбивають, збуджують плоску хвилю, перпендикулярну їм. Хвиля, досягаючи однієї з паралельних площин, відбивається від неї іншу площину. При такому багаторазовому відображенні утворюються хвилі, що інтерферують, тобто посилюються або послаблюються, і поширюються у протилежних один одному напрямках. За певної відстані між паралельними площинами інтерференція хвиль закінчується формуванням стоячої хвилі. Амплітуда стоячої хвилі зростає при багаторазовому відображенні від площин. Подібно до того, як у коливальному контурі при резонансі накопичуєтьсяелектромагнітна енергія, в об'ємному резонаторі електромагнітна енергія накопичується в просторі між паралельними площинами, що відбивають. Теоретично, якщо в об'ємному резонаторі енергія не втрачається, вільні коливання можуть існувати довгий час. Але на практиці існування коливань необмежений час неможливе, оскільки втрати енергії в об'ємному резонаторі неминучі. Втрати енергії виникають за рахунок нагрівання електричними струмами, які індукує змінне магнітне поле внутрішніх стінок резонатора. За наявності у стінках об'ємного резонатора отворів, що перетинають лінію струму, поза резонатором збуджується нове електромагнітне поле. Це нове поле викликає втрату енергії у резонаторі. Крім цього, втрати енергії виникають через зв'язок із зовнішніми ланцюгами, або здійснюються в діелектриках. В об'ємному резонаторі існує добротність, що є відношенням енергії всього резонатора до тих втрат, які відбуваються протягом періоду коливань. Якість об'ємного резонатора помітно покращується, якщо його добротність знаходиться на високому рівні.
Об'ємні резонатори використовуються в техніці як коливальні системи магнетронів, генераторів, клістронів тощо, як еталони частоти, фільтри, вимірювальні контури, що досліджують пристрої рідких, твердих та газоподібних речовин.
Коливання об'ємного резонатора мають власну класифікацію. Групи формуються за такими ознаками: за компонентами, які входять до складу просторового розподілу електромагнітного поля. Компоненти можуть бути поперечними (радіальними) та осьовими. У коливаннях резонатора типу ТЕ, а також Н, магнітне поле має осьову компоненту. У коливаннях типу ТМ, а також Е вже електричне поле має осьову компоненту. У коливаннях типу ТЕМмагнітне, ні електричне поля немає осьових компонентів. Такі коливання збуджуються в порожнині між коаксіальними циліндрами, обмеженою плоскими провідними стінками, які перпендикулярні до осі циліндра.
Одним із найпоширеніших об'ємних резонаторів є циліндричний резонатор. Коливання в такому резонаторі характеризуються трьома індексами, які відповідають числу напівхвиль магнітного або електричного поля.
Індекси укладаються відповідно до діаметра, довжини і кола резонатора. Деякі типи коливання в об'ємному резонаторі циліндричному не сприймають контакт торцевих і циліндричних стінок. Це відбувається за рахунок того, що магнітні лінії коливань рухаються у певному напрямку, при якому збуджуються лише струми кола циліндра. Щілини в торцевих і бічних стінках, завдяки спрямованості магнітних силових ліній, стають невипромінюючими.
Прямокутні об'ємні резонатори часто використовують у лабораторних умовах. У коливальній системі клістрона застосовуються резонатори тороїдальної форми.
Коливання у подібному резонаторі відбуваються при розподілі у просторі магнітного та електричного полів. Магнітне поле локалізується в тороїдальній порожнині, а електричне концентрується в ємнісному зазорі.
Необхідною частотою, коли він може працювати об'ємний генератор, вважається частота від 10 9 до 10 11 Гц. Високочастотні хвилі призводять до розсіювання електромагнітної енергії, що можна усунути лише за допомогою дзеркал відкритих резонаторів.
На початку XX ст. вчений О. Хевісайд назвав іоносферу Землі об'ємним резонатором. Порожнина резонатора містить у собі людину, впливає функціонування його організму. Електромагнітний об'ємний резонатор, на йоготвердженням, сформувався завдяки електричній провідності поверхні Землі та так званого низького шару Хевісайду. В об'ємному резонаторі існують хвилі, які збуджуються магнітними процесами на Сонці та блискавками.