微波谐振器.pptx

第第4章章 微波谐振器微波谐振器 引言引言 一、定义一、定义:它是和低频它是和低频LC谐振回路相对应的微波电路谐振回路相对应的微波电路,其作用和低频其作用和低频LC谐振回路相似谐振回路相似.三、采用谐振腔而不采用低频谐振回路的原因三、采用谐振腔而不采用低频谐振回路的原因 在米波以上的微波波段，在米波以上的微波波段，集中参数集中参数的的LC 谐振电路谐振电路无法使用，经常使用相应波段的传输线形成谐振器件，无法使用，经常使用相应波段的传输线形成谐振器件，这种谐振器件称为这种谐振器件称为谐振腔谐振腔。二、用途二、用途:微波振荡电路微波振荡电路;微波放大器微波放大器;波长计波长计;滤波滤波器等器等,和低频谐振回路相同和低频谐振回路相同.因为随着频率升高，必须减小电感量和电容量，因为随着频率升高，必须减小电感量和电容量，但是当但是当LC 很小时，很小时，分布参数分布参数的影响不可忽略。电容的影响不可忽略。电容器的器的引线电感引线电感、线圈之间以及器件之间的、线圈之间以及器件之间的分布电容分布电容必须考虑。这就意味着，在米波以上波段，很难制必须考虑。这就意味着，在米波以上波段，很难制造造单纯单纯的电容及电感元件。的电容及电感元件。此外，随着频率升高，回路的此外，随着频率升高，回路的电磁辐射电磁辐射效应也较效应也较显著，电容器中的显著，电容器中的介质损耗介质损耗也随之增加，这些因素也随之增加，这些因素导致集中参数的谐振电路的品质因数导致集中参数的谐振电路的品质因数Q 值值(能量角度能量角度定义和低频相同定义和低频相同)显著下降。显著下降。四四、谐振腔的主要参数：谐振腔的主要参数：谐振波长谐振波长和和品质因数品质因数。4.1 4.1 谐振回路的基本性质谐振回路的基本性质 4.1.1 4.1.1 谐振回路中的储能谐振回路中的储能 一、串联与并联谐振回路一、串联与并联谐振回路二、谐振回路中的储能公式二、谐振回路中的储能公式(和是否谐振无关和是否谐振无关)4.1.2 4.1.2 品质因数与谐振频率品质因数与谐振频率 一、谐振电路的复阻抗一、谐振电路的复阻抗二、谐振频率二、谐振频率1.1.串串 2.2.并并 1.1.串串 1.1.串串 2.2.并并 2.2.并并 三、谐振电路的能量平均值及储能的特点三、谐振电路的能量平均值及储能的特点1.1.串联串联 2.2.并联并联 储能特点储能特点:集总参数谐振回路集总参数谐振回路(包括串联与并联包括串联与并联)谐振谐振时时,如电能最大如电能最大,则磁能最小则磁能最小,反之亦然反之亦然;电能或磁能的最大电能或磁能的最大值都等于总的平均储能值都等于总的平均储能,故谐振时虽然电储能与磁储能时故谐振时虽然电储能与磁储能时刻变化刻变化,但只是它们之间周期性的相互转化但只是它们之间周期性的相互转化(如无耗如无耗,则不则不需补充能量需补充能量,如有耗如有耗,还需周期性地补充其损耗还需周期性地补充其损耗);从能量的从能量的角度来说角度来说,集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与磁储能之间相互转化的过程磁储能之间相互转化的过程,谐振频率即为电储能与磁储谐振频率即为电储能与磁储能之间相互转换的频率能之间相互转换的频率.四、品质因数四、品质因数 (无载品质因数无载品质因数)1.1.能量定义能量定义 2.2.串、并联谐振时的形式串、并联谐振时的形式 为谐振时存储的总平均能量为谐振时存储的总平均能量 谐振回路谐振时总的损耗平均功率谐振回路谐振时总的损耗平均功率 4.1.3 4.1.3 有载品质因数有载品质因数 一、外观品质因数一、外观品质因数 谐振时损耗在由负载等效而来的电阻上的功率谐振时损耗在由负载等效而来的电阻上的功率 二、有载品质因数二、有载品质因数 三、三个品质因数之间的关系三、三个品质因数之间的关系4.2 4.2 微波谐振器的基本参数微波谐振器的基本参数 4.2.1 4.2.1 谐振波长谐振波长 一、谐振频率一、谐振频率 由前面的讨论可知由前面的讨论可知,集总参数谐振回路谐振时集总参数谐振回路谐振时,如电能如电能最大最大,则磁能最小则磁能最小,反之亦然反之亦然,并且电能或磁能的最大值都并且电能或磁能的最大值都等于总的平均储能等于总的平均储能,故谐振时虽然电储能与磁储能时刻变故谐振时虽然电储能与磁储能时刻变化化,但只是它们之间周期性的相互转化但只是它们之间周期性的相互转化(如无耗如无耗,则不需补则不需补充能量充能量,如有耗如有耗,还需周期性地补充其损耗还需周期性地补充其损耗).因此因此,从能量的从能量的角度来说角度来说,集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与磁储能之间相互转化的过程磁储能之间相互转化的过程,谐振频率即为电储能与磁储谐振频率即为电储能与磁储能之间相互转换的频率能之间相互转换的频率.在微波频段若某种元器件中也只在微波频段若某种元器件中也只进行电场能量和磁场能量之间的相互转换进行电场能量和磁场能量之间的相互转换(即形成纯驻波即形成纯驻波),则这种元器件即为微波谐振器则这种元器件即为微波谐振器.其谐振频率也为电场能其谐振频率也为电场能量和磁场能量之间转化的频率量和磁场能量之间转化的频率.二、谐振波长二、谐振波长 三、三、的计算公式的计算公式定义定义:谐振频率在无限大均匀理想介质空间所对应的波长谐振频率在无限大均匀理想介质空间所对应的波长.2.2.推导推导 3.3.注意事项注意事项 1.1.公式公式 a.此公式只对传输线型谐振器适用,因为它是从微波传输线理论得到的;b.谐振波长的多值性,由前面矩形波导截止波数的多值性及后面学习的传播常数的多值性可得到证明.4.2.2 4.2.2 微波谐振腔的品质因数微波谐振腔的品质因数 一、定义一、定义:和集总参数谐振回路相同和集总参数谐振回路相同二、计算公式二、计算公式三、多值性三、多值性 1.1.电储能电储能(最大值最大值)或磁储能或磁储能(最大值最大值)或总储或总储能公式能公式(4-17)(4-17)式式,其中的场量为最大值其中的场量为最大值 2.2.损耗公式和品质因数公式损耗公式和品质因数公式 因不同振荡模其场分布不同因不同振荡模其场分布不同,品质因数不同品质因数不同,故故谐振器的品质因数与谐振波长一样是对某一模式谐振器的品质因数与谐振波长一样是对某一模式而言的而言的,即品质因数具有多值性即品质因数具有多值性.前言前言 4.1 谐振回路的基本性质谐振回路的基本性质4.2 微波谐振器的基本参数微波谐振器的基本参数 重点内容重点内容一、重点物理量一、重点物理量(概念概念)1、微波谐振腔、微波谐振腔二、谐振波长的计算公式二、谐振波长的计算公式三、谐振器件谐振状态下能量具有的特征三、谐振器件谐振状态下能量具有的特征2、三个品质因数、三个品质因数3、谐振频率、谐振频率四、微波谐振器的谐振波长和品质因数具有多值性四、微波谐振器的谐振波长和品质因数具有多值性4、谐振波长、谐振波长五、了解微波谐振器采用腔结构的原因五、了解微波谐振器采用腔结构的原因4.3 4.3 矩形金属谐振腔矩形金属谐振腔 构成构成:由一段两端面封闭的矩形波导由一段两端面封闭的矩形波导(形成纯驻波形成纯驻波)加加上适当的激励与耦合装置上适当的激励与耦合装置,即成为一个实际的谐振器即成为一个实际的谐振器(本本节只讨论腔体本身节只讨论腔体本身)1.1.场分布见场分布见(4-27)(4-27)式式,给出推导给出推导 4.3.1 4.3.1 矩形谐振腔中的振荡模矩形谐振腔中的振荡模(名称类似于波导中的名称类似于波导中的传输模式传输模式)一、一、TE型振荡模型振荡模 确定振荡模过程的实质和方法确定振荡模过程的实质和方法:实质为求出腔内的实质为求出腔内的电磁场分布电磁场分布;方法为在利用矩形波导传输线结果的基础方法为在利用矩形波导传输线结果的基础上再加上另外两个端面的边界条件上再加上另外两个端面的边界条件.2.2.振荡模式的表示方法振荡模式的表示方法 3.3.振荡模式的多值性振荡模式的多值性 二、二、TM型振荡模型振荡模(模式的表示方法模式的表示方法)4.3.2 4.3.2 矩形谐振腔的谐振波长矩形谐振腔的谐振波长 4.3.3 4.3.3 矩形谐振腔的主模矩形谐振腔的主模TE101(TE101(满足满足lablab的条件的条件)1.1.主模主模:谐振波长最长谐振频率最低的模式谐振波长最长谐振频率最低的模式 2.2.谐振波长谐振波长、谐振频率谐振频率、场方程场方程、场结构图和只场结构图和只考虑导体损耗时的品质因数考虑导体损耗时的品质因数 谐振频率公式谐振频率公式:例例:设计一矩形谐振腔设计一矩形谐振腔(腔内介质为空气腔内介质为空气),),使谐振频使谐振频率率1GHz1GHz和和1.5GHz1.5GHz分别谐振于分别谐振于TE101TE101和和TE102TE102两个模式两个模式上上.（习题习题4-104-10）谐振频率公式谐振频率公式:作业作业:习题习题4-3 4-64.4 4.4 圆柱形谐振腔圆柱形谐振腔 构成构成:将一段圆波导的两端用导体板封闭起来将一段圆波导的两端用导体板封闭起来(形成形成纯驻波纯驻波)就构成圆柱型谐振腔就构成圆柱型谐振腔.4.4.1 4.4.1 圆柱形谐振腔的电磁场方程圆柱形谐振腔的电磁场方程 与圆波导对应与圆波导对应,圆柱形谐振腔可能存在圆柱形谐振腔可能存在TETE型振荡型振荡模和模和TMTM型振荡模型振荡模;从场方程可知从场方程可知,圆柱形谐振腔可能存在无穷多个圆柱形谐振腔可能存在无穷多个TETE模和模和TMTM模模,用用TEmnpTEmnp和和TMmnpTMmnp表示表示.TEmnp.TEmnp的的m=0,1,2m=0,1,2,n=1,2,n=1,2,p=1,2,p=1,2;TMmnp;TMmnp的的m=0,1,2m=0,1,2,n=1,2,n=1,2,p=0,1,2,p=0,1,2。4.4.2 4.4.2 圆柱形谐振腔的谐振波长和空载品质因数圆柱形谐振腔的谐振波长和空载品质因数 由圆波导的由圆波导的TETE模和模和TMTM模的截止传播常数模的截止传播常数 可得圆柱形谐振腔的可得圆柱形谐振腔的TETE模和模和TMTM模的谐振波长模的谐振波长.及及 4.4.3 4.4.3 圆柱形谐振腔常用的几种振荡模圆柱形谐振腔常用的几种振荡模（略）（略）和圆波导的和圆波导的TE01TE01模和模和TM01TM01模及模及TE11TE11模相对应模相对应 4.4.4 4.4.4 圆柱形谐振腔的模式图（略）圆柱形谐振腔的模式图（略）模式图是谐振频率与振荡模式和腔体几何尺寸模式图是谐振频率与振荡模式和腔体几何尺寸的关系的图形表示的关系的图形表示;由该图可以确定在什么频率范由该图可以确定在什么频率范围和围和2a/l2a/l尺寸下只有单个振荡模式尺寸下只有单个振荡模式.(.(结合教材习题结合教材习题4-174-17讨论讨论)4.5 4.5 同轴谐振腔同轴谐振腔 一一、构成构成:将一段同轴线的两端用导体板封闭起来将一段同轴线的两端用导体板封闭起来(形成纯驻波形成纯驻波)就形成同轴谐振腔就形成同轴谐振腔.二二、常用的同轴谐振腔常用的同轴谐振腔:1.1.同轴谐振腔同轴谐振腔 3.3.电容负载同轴腔电容负载同轴腔2.2.同轴谐振腔同轴谐振腔 为为了了抑抑制制同同轴轴谐谐振振腔腔中中的的非非TEM模模，工工作作波波长长 必须满足必须满足4.6 4.6 介质谐振器介质谐振器 一一、构成和分类构成和分类:介质谐振器是由一段介质波导构成介质谐振器是由一段介质波导构成;为了缩小谐振器的体积及集中尽可能多的电磁波能量为了缩小谐振器的体积及集中尽可能多的电磁波能量,而而采用高介电常数和低损耗的介质采用高介电常数和低损耗的介质;介质谐振器的介质块可介质谐振器的介质块可以是矩形的以是矩形的、圆形的或圆环形的圆形的或圆环形的.二二、介质谐振器的优点介质谐振器的优点(和金属谐振器相比和金属谐振器相比):1.1.体积小体积小2.2.温度稳定性好温度稳定性好4.4.可以用到毫米波段可以用到毫米波段3.3.品质因数高品质因数高当前当前,介质谐振器在微波集成电路中已得到广泛的应用介质谐振器在微波集成电路中已得到广泛的应用.4.7 4.7 平面微带线谐振结构平面微带线谐振结构 将微带线的导带制成矩形、圆盘形、环形及其它形将微带线的导带制成矩形、圆盘形、环形及其它形状可制成微带谐振器，它在微波集成电路（状可制成微带谐振器，它在微波集成电路（MIC）中广）中广泛地应用于构造定向耦合器、滤波器、振荡器及混频器。泛地应用于构造定向耦合器、滤波器、振荡器及混频器。常用的微带线谐振器常用的微带线谐振器:1.1.矩形微带线谐振器矩形微带线谐振器2.2.圆盘形微带线谐振器圆盘形微带线谐振器3.3.圆环形微带线谐振器圆环形微带线谐振器4.4.三角形微带线谐振器三角形微带线谐振器 例例 试证波导谐振腔对于试证波导谐振腔对于任何模式任何模式的波谐振时的波谐振时,工工作波长作波长 均可表示为均可表示为式中式中 为截止波长，为截止波长，l为谐振腔的长度。为谐振腔的长度。可以用于任何波导谐振腔可以用于任何波导谐振腔;注意注意:这里的工作波长和前面的谐振波长相同这里的工作波长和前面的谐振波长相同.4.8 4.8 谐振腔的微扰谐振腔的微扰 形状规则的谐振腔形状规则的谐振腔,其电磁场可以准确求解其电磁场可以准确求解.在实际应在实际应用中用中,往往会遇到谐振腔中某些物理条件有微小变化的情往往会遇到谐振腔中某些物理条件有微小变化的情况况.如在腔中插入螺丝或压缩腔壁以实现其谐振频率的微如在腔中插入螺丝或压缩腔壁以实现其谐振频率的微调调;或在腔壁上开孔或插入耦合环以实现腔的耦合或在腔壁上开孔或插入耦合环以实现腔的耦合;以及在以及在腔内放置体积很小的介质以测量其介质参量等等腔内放置体积很小的介质以测量其介质参量等等.所有这所有这些微小的变化都会使谐振腔内的电磁场受到微小的扰动些微小的变化都会使谐振腔内的电磁场受到微小的扰动,从而导致其特性参量的微小变化从而导致其特性参量的微小变化.这样的谐振腔就是不规这样的谐振腔就是不规则的谐振腔了则的谐振腔了,严格求解其电磁场在数学上将遇到很大困严格求解其电磁场在数学上将遇到很大困难难,有时甚至不可能有时甚至不可能.谐振腔的微扰理论就是解决这类问题谐振腔的微扰理论就是解决这类问题的的.一一、讨论微扰的必要性讨论微扰的必要性1.1.介质微扰示意图介质微扰示意图 二二、两种情况下的微扰两种情况下的微扰2.2.体积微扰体积微扰a.a.体积减小体积减小b.b.体积增大体积增大(频率变化公式讨论略频率变化公式讨论略).).作业作业:习题习题4-9,4-114.3 矩形金属谐振腔矩形金属谐振腔4.8谐振腔的微扰谐振腔的微扰 重点内容重点内容一、重点物理量一、重点物理量(概念概念)1、矩形谐振腔的主模、矩形谐振腔的主模二、各种谐振腔的构成及矩形谐振腔谐振波长二、各种谐振腔的构成及矩形谐振腔谐振波长(频率频率)的计算的计算三、矩形三、矩形、圆柱形圆柱形、同轴形谐振腔的模式表示方法同轴形谐振腔的模式表示方法2、圆柱形谐振腔的模式图、圆柱形谐振腔的模式图四、常用同轴谐振腔的三种结构四、常用同轴谐振腔的三种结构五、了解介质谐振腔器的优点五、了解介质谐振腔器的优点 七七、了解讨论微扰的必要性了解讨论微扰的必要性 六六、了解常用的微带线谐振器了解常用的微带线谐振器第第4章章 微波谐振器微波谐振器知识联系知识联系共有四大块内容共有四大块内容一、微波谐振器概况一、微波谐振器概况:谐振腔的定义和用途谐振腔的定义和用途;微波波段微波波段谐振器件采用腔结构的原因谐振器件采用腔结构的原因;谐振腔的主要参数谐振腔的主要参数.1.矩形谐振腔矩形谐振腔(重点部分重点部分)二、几种常用微波谐振腔二、几种常用微波谐振腔三、谐振腔的微扰三、谐振腔的微扰2.圆柱谐振腔圆柱谐振腔3.同轴谐振腔同轴谐振腔4.介质谐振腔介质谐振腔