miniatura|Un diplexor de RF desmuntat per a ~5 GHz amb dos filtres de passa-banda de guia d'ones ressonador dielèctric i nou etapes de ressonador transversal per filtre. S'utilitza per separar el senyal de RF receptor del senyal de RF transmissor, que utilitzen bandes de freqüència diferents. El connector SMA dret va a l'antena, els dos connectors del costat esquerre van al transmissor i al receptor respectivament. Un ressonador dielèctric és una peça de material dielèctric (no conductor però polaritzable), generalment ceràmic, que està dissenyat per funcionar com a ressonador d'ones de ràdio, generalment a les bandes de microones i ones mil·limètriques. Les microones estan confinades dins del material del ressonador pel canvi brusc de permitivitat a la superfície i reboten entre els costats. A certes freqüències, les freqüències ressonants, les microones formen ones estacionàries al ressonador, oscil·lant amb grans amplituds. Els ressonadors dielèctrics generalment consisteixen en un "disc" de ceràmica que té una constant dielèctrica gran i un factor de dissipació baix. La freqüència ressonant està determinada per les dimensions físiques globals del ressonador i la constant dielèctrica del material.
Els ressonadors dielèctrics funcionen de manera similar als ressonadors de cavitat, caixes metàl·liques buides que també s'utilitzen àmpliament com a ressonadors a freqüències de microones, excepte que les ones de ràdio es reflecteixen pel gran canvi de permitivitat en lloc de per la conductivitat del metall. A les freqüències d'ones mil·limètriques, les superfícies metàl·liques es converteixen en reflectors amb pèrdues, de manera que s'utilitzen ressonadors dielèctrics a aquestes freqüències. L'ús principal dels ressonadors dielèctrics és en oscil·ladors electrònics d'ones mil·limètriques (oscil·lador ressonador dielèctric, DRO) per controlar la freqüència de les ones de ràdio generades. També s'utilitzen com a filtres de pas de banda, així com com a antenes.
Visió històrica A finals del segle XIX, Lord Rayleigh va demostrar que una vareta cilíndrica infinitament llarga feta de material dielèctric podia servir com a guia d'ones.Lord Rayleigh, “On the Passage of Waves Through Tubes, or the Vibration of Dielectric Cylinders”, Philosophical Magazine, Vol. 43, p. 125–132, February 1897. Treballs teòricsD. Hondros, “Ueber elektromagnetische Drahtwelle,” Annalen der Physik, Vol. 30, p. 905–949, 1909. i experimentalsH. Zahn, “Ueber den Nachweis elektromagnetischer Wellen an dielektrischen Draehten,”, Annalen der Physik, vol. 37, p. 907–933, 1916. addicionals realitzats a Alemanya a principis del segle XX van oferir més informació sobre el comportament de les ones electromagnètiques en guies d'ones de vareta dielèctrica. Com que un ressonador dielèctric es pot considerar com una guia d'ones de vareta dielèctrica truncada, aquesta investigació va ser essencial per a la comprensió científica dels fenòmens electromagnètics en els ressonadors dielèctrics. El 1939, Robert D. Richtmyer va publicar un estudiR.D. Richtmyer, “Dielectric Resonators”, J.Appl. Phys., Vol. 10, p. 391–398, June 1939. en què demostrava que les estructures dielèctriques poden actuar igual que ressonadors de cavitat metàl·lica. Va anomenar aquestes estructures ressonadors dielèctrics . Richtmyer també va demostrar que, si s'exposen a l'espai lliure, els ressonadors dielèctrics han de radiar a causa de les condicions de contorn a la interfície dielèctric-aire. Aquests resultats es van utilitzar posteriorment en el desenvolupament de DRA (antena de ressonador dielèctric). A causa de la Segona Guerra Mundial, la manca de materials avançats i tècniques de fabricació adequades, els ressonadors dielèctrics van caure en un relatiu oblit durant dues dècades més després de la publicació de l'estudi de Richtmyer. Tanmateix, a la dècada de 1960, a mesura que l'electrònica d'alta freqüència i la indústria de les comunicacions modernes van començar a enlairar-se, els ressonadors dielèctrics van guanyar importància. Van oferir una alternativa de disseny de reducció de mida als filtres de guia d'ones voluminosos i alternatives de menor cost per a oscil·ladors electrònics,Darko Kajfez and Piere Guillon, Dielectric Resonators, Artech House, Dedham, MA, 1986. limitadors selectius de freqüènciaMarian W. Pospieszalski, “Cylindrical Dielectric Resonators and Their Applications in TEM Line Microwave Circuits”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-27, p. 233–238, March 1979. i circuits d'ona lenta. A més del cost i la mida, altres avantatges que tenen els ressonadors dielèctrics respecte als ressonadors de cavitat metàl·lica convencionals són el menor pes, la disponibilitat de materials i la facilitat de fabricació. Hi ha una àmplia disponibilitat de diferents ressonadors dielèctrics al mercat actual amb un factor Q descarregat de l'ordre de 10.000.
Teoria de funcionament miniatura|Els ressonadors dielèctrics es poden muntar en guies d'ones per servir com a filtres de microones. Es tracta d'un filtre passa-banda dielèctric que consta de tres ressonadors dielèctrics muntats en direcció transversal. Tot i que els ressonadors dielèctrics mostren moltes similituds amb les cavitats metàl·liques ressonants, hi ha una diferència important entre els dos: mentre que els camps elèctrics i magnètics són zero fora de les parets de la cavitat metàl·lica (és a dir, les condicions de contorn de circuit obert es compleixen completament), aquests camps no són zero fora de les parets dielèctriques del ressonador (és a dir, les condicions de contorn de circuit obert es compleixen aproximadament ). Tot i així, els camps elèctrics i magnètics decauen considerablement dels seus valors màxims quan estan lluny de les parets del ressonador. La major part de l'energia s'emmagatzema al ressonador a una freqüència ressonant determinada per a una constant dielèctrica prou alta. Els ressonadors dielèctrics poden presentar un factor Q extremadament alt, comparable al d'una cavitat amb paret metàl·lica.A. Okaya and L.F. Barash, “The Dielectric Microwave Resonator”, Proc. IRE, Vol. 50, p. 2081–2092, October 1962.
Hi ha tres tipus de modes ressonants que es poden excitar en ressonadors dielèctrics: modes elèctrics transversals (TE), magnètics transversals (TM) o electromagnètics híbrids (HEM). Teòricament, hi ha un nombre infinit de modes en cadascun dels tres grups, i el mode desitjat se sol seleccionar en funció dels requisits de l'aplicació. Generalment, El mode s'utilitza en la majoria d'aplicacions no radiants, però altres modes poden tenir certs avantatges per a aplicacions específiques.Darko Kajfez and Piere Guillon, Dielectric Resonators, Artech House, Dedham, MA, 1986.
Freqüència de ressonància aproximada de El mode per a un ressonador dielèctric cilíndric aïllat es pot calcular com:Darko Kajfez and Piere Guillon, Dielectric Resonators, Artech House, Dedham, MA, 1986.
On és el radi del ressonador cilíndric i és la seva longitud. Tots dos i són en mil·límetres. Freqüència de ressonància és en gigahertzs . Aquesta fórmula té una precisió aproximada del 2% en el rang:
Tanmateix, com que un ressonador dielèctric sol estar tancat en una cavitat conductora per a la majoria d'aplicacions, les freqüències ressonants reals són diferents de les calculades anteriorment. A mesura que les parets conductores de la cavitat que l'envolta s'acosten al ressonador, els canvis en les condicions de contorn i la contenció del camp comencen a afectar les freqüències ressonants. La mida i el tipus del material que encapsula la cavitat poden afectar dràsticament el rendiment del circuit ressonant. Aquest fenomen es pot explicar mitjançant la teoria de pertorbacions de la cavitat . Si un ressonador està tancat en una cavitat metàl·lica, les freqüències ressonants canvien de la manera següent:Darko Kajfez and Piere Guillon, Dielectric Resonators, Artech House, Dedham, MA, 1986.
si l'energia emmagatzemada del camp desplaçat és majoritàriament elèctrica, la seva freqüència ressonant disminuirà; si l'energia emmagatzemada del camp desplaçat és majoritàriament magnètica, la seva freqüència ressonant augmentarà. Això passa per ser el cas de mode.
El problema més comú que presenten els circuits ressonadors dielèctrics és la seva sensibilitat a la variació de temperatura i a les vibracions mecàniques.M.J. Loboda, T.E. Parker and G.K. Montress, "Temperature sensitivity of dielectric resonators and dielectric resonator oscillators," Proc. of the 42nd Annual Freq. Cont. Symp., p. 263–271, Jun 1988. Tot i que les millores recents en la ciència i la fabricació de materials han mitigat alguns d'aquests problemes, encara poden ser necessàries tècniques de compensació per estabilitzar el rendiment del circuit en funció de la temperatura i la freqüència.
Aplicacions comunes Les aplicacions més comunes,Darko Kajfez and Piere Guillon, Dielectric Resonators, Artech House, Dedham, MA, 1986.J.K. Plourde and C. Ren, “Application of Dielectric Resonators in Microwave Components”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-29, p. 754–769, August 1981. dels ressonadors dielèctrics són:
Aplicacions de filtratge (les més comunes són els filtres passa-banda i els filtres de tancament de banda), Oscil·ladors (oscil·ladors de díode, de retroalimentació, de reflexió, de transmissió i de reacció), limitadors selectius de freqüència, Elements d'antena ressonadora dielèctrica (DRA).
Referències
Categoria:Antenes Categoria:Oscil·ladors