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微波技术基础 电子科技大学电子工程学院地点 清水河校区科研楼C305电话 61831021电邮 mzzhan 第6章微波谐振器 内容 圆柱介质谐振器孤立圆柱介质谐振器屏蔽圆柱介质谐振器介质谐振器与电路的耦合法布里 珀罗谐振器工作原理与稳定性谐振器的激励 耦合及其相关问题 了解 重要 介质谐振器构成 由一小段长度为的圆形 矩形或者环形低损耗高介电常数且Q值高的 对温度变化稳定的介质波导制成 四大优点 价格低 适合大批量生产性能好 Q值高和温度稳定性好尺寸小 比空腔谐振器小 体积按减小通用性好 便于集成 滤波器 振荡器 天线 MIC和MMIC电路中 第6章微波谐振器 重要指标 介电常数 Q值和频率温度稳定性 介质谐振器发展简史 Richtmeyr在1939年首次提出介质谐振器的概念 直到1962年 由OkayaandBarash描述了TiO2 二氧化钛 andSrTiO3 钛酸锶 介质谐振器的理论和实验结果后 介质谐振器才进一步被关注 1968年 Cohn分析了TE01 模和介质谐振器的耦合方程 滤波器的发展 但是TiO2的温度稳定性差 不实用 实用化依赖于测试技术和材料科学的进步 1970年 介电常数和磁导率的精确测试技术 1971年 Raytheon公司研制出了低损耗的温度稳定的四钛酸钡陶瓷 BaTi4O9 1975年 贝尔实验室取得了进一步成功 1975年 温度系数也可以作为介质材料的设计参数 使介质在温度变化时膨胀率最小 之后 出现了大量的温度稳定的介质滤波器和介质振荡器 介质谐振器发展简史 续 相关工作 分析场结构 模式 Q值 设计方法 抑制其寄生模式 模式分布密 简单的方法是通过优化谐振器的尺寸 复杂一点的 还有做成 复合介质谐振器 加载金属 不同介电常数的材料等等一本非常好的参考书 D KajfezandP Guillon DielectricResonators 2nded NoblePublishing Tucker GA 1998 包含了DRs DRfilters andDRoscillators介绍 介质来源 京瓷 transtech NGK等日本公司 美国 英国等 国内也有很多研究所和公司 我们的任务是了解DR的特点 和常用模式场结构及其应用 介质谐振器 常用的介质谐振器材料 37 r 100 tg 0 0001 0002 Qd 5000 10000与金属谐振器的异同 原理上类似于金属波导谐振器 绝大部分场集中在谐振器内部 TE01 模 介质谐振器外面有一定的边缘场 求解方法 对于大介电常数的DR 介质边界可用理想磁壁等效 切向磁场为零 精度10 介电常数越高 该方法越准 比较精确的方法有 混合磁壁法 开波导法和变分法等 孤立圆柱形介质谐振器 主模 TE01 能量集中在介质中 用混合磁壁法来求解TE模式的谐振频率 注意磁壁边界条件 将圆柱介质谐振器看成一段圆柱形介质波导 上下边界看成空气 介质分界面 假设r a为圆柱面的磁壁边界条件 如图所示 第6章微波谐振器 与介质波导中的TE01模 TE模满足如下方程场在介质内应呈驻波分布 在介质外 z方向 为衰减状态 用分离变量法可求得解为 式6 5 4 第6章微波谐振器 两列波叠加 介质内做一次 介质外还要做一次 已假设r a的圆柱面为磁壁 则该处的Hz必须为零 于是有 0 得介质波数 在的端面上 切向场必须连续 以此最终可求得此即圆柱形介质谐振器TE模式的特征方程 这样 圆柱介质谐振器TE模式可以表示成 最低次模式为模式 m 0 1 2 n 0 1 2 第6章微波谐振器 Hz对称性 m 在方位角 上半驻波的个数 n 在径向r的半驻波个数 n 0 贝塞尔函数的第n个根 由于在z向DR的边界是非理想磁壁 因此 用p 表示半驻波变化数 非整数 类似传输线端接情况为行驻波 行波分量很小 孤立圆柱介质谐振器的模式的场结构实用的圆柱形介质谐振器多选用模式工作 有以下特点 电场和磁场都是圆对称的 与微带线耦合方便 能量在介质谐振器内的集中程度高 其周围金属引入的损耗小 介质谐振器置于微带线基片上的Q值变化小 第6章微波谐振器 图6 5 2 磁偶极子模 模式容易辨认 其他性能比较容易精确的测量 Q值较高 缺点是频率特性比较陡 模式介质谐振器的稳定调谐带宽比较窄 已知 便可求出谐振频率由工程经验公式 介质谐振器的Q值一般为5000 10000 第6章微波谐振器 屏蔽的圆柱形介质谐振器使用开波导法求解圆柱形介质谐振器模式的谐振频率 如图 将横截面分为几个区域 阴影区 中场忽略不计 为什么 第6章微波谐振器 各区域TE模满足如下方程该方程在各个区域中的解为 第6章微波谐振器 其余场分量可由横 纵场关系求得 由r a处 的连续条件 可以得到 式中 又由z l处 连续条件 可得 因此 谐振频率可写为 第6章微波谐振器 实用时必须这样做 屏蔽使Q值降低10 20 屏蔽腔高度 MIC中介质谐振器与电路的耦合下图表示介质谐振器与微带线之间的磁耦合 其耦合大小主要是由其间的侧距d确定 第6章微波谐振器 等效电路 置于微带线邻近的介质谐振器的工作则便类似于一个反应式谐振腔 在谐振器频率时 它反射微波能量 其等效电路如图所示 第6章微波谐振器 定义谐振频率时的耦合系数为 第6章微波谐振器 6 6法布里 珀罗谐振器 开式谐振器 法国科学家法布里和珀罗为了减小导体损耗和可能的谐振模数 可将谐振腔的边壁移开 由此即形成由两个平行金属板构成的开路谐振器 亦称为法布里 珀罗 Fabry Perot 谐振腔 第6章微波谐振器 应用 毫米波高端 亚毫米波 光波 空腔谐振器的Q值低原因 大多数模的 个别高次模Qc f1 5 但频带较窄 难于控制 易跳模 难以应用 频率高后 尺寸太小 思考 如何提高特定谐振器的Q值 联想 圆柱金属波导中的TE011模 工作原理两块平行导体板构成TEM波驻波场 条件 该式中的场满足边界条件 第6章微波谐振器 由此可以得到单位面积上的电场储能为单位面积的磁场储能为平行板之间的单位面积功率损耗为 第6章微波谐振器 导体损耗的Q值为结果说明 这种开式谐振腔的Q值与模数成正比 即随模数增多而增大 无限大板间距一定时 只有一种模式振荡 理由 TEM 开式谐振器的稳定性有限大开式谐振腔面临以下情况而产生不稳定 场发散 激励的波的传播方向与z轴不平行 两反射板不完全平行或反射板面不平整 另外 场的振幅随横向坐标必须有一个变化 在板边沿下降到有限 多种解 TEMmnl模 第6章微波谐振器 解决方法 平行板变为曲面镜 球面镜 实质 将场 能量 限制在镜面轴线附近窄小区域内 防止场发散 几何光学证明满足以下条件时 图所示开式谐振腔可形成稳定的模式 第6章微波谐振器 平行板谐振腔 R1 R2 正好位于稳定和不稳定的边缘上 任何不规则性都将引起不稳定 不实用 共焦谐振腔 R1 R2 d 不实用 同心谐振腔 R1 R2 d 2 不实用 稳定谐振腔 d R1 D R2 0 6和d R1 D R2 1 4确保谐振腔稳定 取 第6章微波谐振器 FBR的激励 多种激励方式 理想FBR与网格化的的Q值比较 60GHz石英基板上的FBR 6 7谐振腔的激励实际使用 微波谐振腔通过一个或几个端口与外电路连接 耦合 出 激励 入 要求 激励 或耦合 对谐振器的影响低 引入电抗 改变谐振频率 使谐振器失谐 引入电阻 谐振器的能量损耗增加 Q值下降 激励 或耦合 方式 直接耦合 探针耦合 环耦合 孔耦合 第6章微波谐振器 无源互易 6 7谐振器的激励6 7 1激励方式直接耦合直接耦合结构中 电磁波经导行结构耦合到谐振器的过程中 不会因耦合结构而改变模式 耦合结仅起变换作用 可用一个变换器来等效 第6章微波谐振器 探针耦合和环耦合电耦合磁耦合 第6章微波谐振器 孔耦合孔耦合 又称为窗孔 应设置在谐振器与输入波导之间以使谐振器中模式的场分量与输入波导的场分量一致 第6章微波谐振器 6 7 2耦合的影响影响有二 在谐振器中引入一个电抗 使谐振器失谐 即使谐振频率改变 在谐振器中引入一个电阻 使谐振器的能量损耗增大 从而使其值降低 外部Q值表示外电路对谐振器的影响 是谐振器与外电路之间耦合的量度 与耦合机构有关 改变耦合 固有品质因Q0数值不变 外部品质因数Qe随之改变 定义与之比为耦合系数 第6章微波谐振器 根据耦合系数的大小 三种耦合状态 称谐振器与馈线为欠耦合或松耦合 称谐振器与馈线为临界耦合 称谐振器与馈线为过耦合或紧耦合 6 7 3阻尼因子定义 当激励源去掉时振荡衰减的量度 储能W随时间的衰减关系为 由此求的 第6章微波谐振器 6 7 4缝隙耦合微带谐振器缝隙耦合开路微带谐振器 其微带线缝隙可以近似等效为一串联电容 整个缝隙耦合微带谐振器的等效电路如图所示 第6章微波谐振器 出现谐振 因而得到 第6章微波谐振器 这种情况下的耦合 使谐振频率变低 6 7 5孔耦合谐振腔孔耦合波导谐振腔横