Dielektrinen resonaattori

Abstract

Resonaattorit ovat niiden luonnollisilla taajuuksilla värähteleviä rakenteita. Rakenne voi olla mekaaninen tai elektroninen. Tässä työssä keskitytään elektronisiin resonaattoreihin, tarkemmin häviöllisiin LC-resonaattoreihin ja dielektrisiin resonaattoreihin. Tämän työn motivaationa ovat erilaiset sovellukset, joissa dielektristä resonaattoria käytetään. Dielektrisiä resonaattoreita käytetään esimerkiksi oskillaattoreissa, jolloin puhutaan DRO:sta (engl. dielectric resonator oscillator). Tässä työssä sovelluksista kuitenkin annetaan lähinnä vain maininta, koska työssä keskitytään dielektriseen resonaattoriin komponenttina.

Työn tavoitteena oli tutustua dielektrisiin resonaattoreihin ja tarkastella niiden ominaisuuksia. Työ rajattiin dielektriseen resonaattoriin elektroniikan komponenttina, joten sen kytkemistä ulkoiseen piiriin ei käsitelty tässä työssä. Myöskään laboratoriototeutusta ei tehty, joten rakentelun ja mittausten sijaan keskityttiin simulointeihin ja niiden analysointiin.

Aluksi työssä esiteltiin resonaattoreita sekä niihin liittyviä tunnuslukuja ja piiritoteutuksia. Tämä tehtiin perehtymällä kirjallisuuteen, datalehtiin ja nettisivuihin. Tämän jälkeen syvennyttiin itse dielektrisiin resonaattoreihin ja vertailtiin niitä perinteisiin häviöllisiin LC-resonaattoreihin. Työssä mallinnettiin sekä häviöllisten LC- että dielektristen resonaattoreiden sijaiskytkentöjä ja simuloitiin kaistanleveyttä ja resonanssitaajuutta Q-arvon laskemista varten Multisim-ohjelmiston avulla.

Työssä havaitaan, että dielektrisen resonaattorin kaistanleveys ja Q-arvo ovat häviöllistä LC-sarjaresonaattoria huomattavasti parempia. Dielektrisen resonaattorin simulointitulokset ja teoreettiset arvot ovat käytännöllisesti katsoen samat. LC-sarjaresonaattorin osalta simulointitulokset vastaavat laskennallisia arvoja pääosin hyvin. Minimi- ja maksimitoleransseilla resonanssitaajuus jää hieman laskennallisen alle, mikä vaikuttaa niiden Q-arvoon. Tärkeimmät tunnusluvut on taulukoitu työn yhteenvetoon vertailun helpottamiseksi. Lisäksi simulointipiirikaaviot ja laskuissa käytetty MATLAB-koodi on annettu liitteenä.

Jatkokehitysideoina tälle työlle olisi selvittää, kuinka dielektrinen resonaattori saadaan kytkettyä osaksi muuta piiriä, esimerkiksi siirtolinjan avulla. Lisäksi testipiiristä voisi tehdä laboratoriototeutuksen ja mitata tarvittavat suureet Q-arvon ja kaistanleveyden laskemista varten sekä piiri- että spektrianalysaattorilla. Näitä tuloksia voisi verrata sekä teoriaan että simulointeihin.