微波谐振器.ppt

1、2020/8/20,1,7.2 串联和并联谐振电路,7.1 微波谐振器的基本特性与参数,7.3 传输线谐振器,7.4 金属波导谐振腔,返回到学习导航,7.5 谐振器的激励,2020/8/20,2,广义电磁谐振器：,能够将电磁能量限制在一定体积内震荡的物理结构；,微波谐振器：,由任意形状的电壁或磁壁所限定的体积，其内产生微波电磁震荡；,是一种具有存储能量和选频特性的微波谐振元件；属于分布参数元件！,微波谐振器是构成微波系统的重要元件！,2020/8/20,3,低频 LC 谐振电路向微波谐振腔的过渡：,工作频率 带来的两方面问题：,回路的 Q 值；,谐振阻抗;,频率的选择性；,要求 L C 的数值

2、很小；,制造困难；,容易被击穿；,振荡功率和储能；,元件的尺寸减小；,（包括辐射损耗、导体损耗、介质损耗）,一方面问题：,谐振电路的损耗,另一方面问题：,2020/8/20,4,克服 LC 谐振回路在微波频率下问题的方法：,增加电容器极板间的距离，以减小电容量；,减少电感线圈的匝数，以减小电感量；,LC 谐振回路：,极限情况：,2020/8/20,5,谐振器与LC 谐振回路的区别：,2020/8/20,6,微波谐振器的分类：,按其结构分成两大类,传输线型谐振器,非传输线型谐振器,由一段微波传输线段构成；,由非微波传输线段构成；,几何形状复杂、多样；,如矩形波导空腔谐振器；,圆波导空腔谐振器；,

3、同轴线谐振器；,微带线谐振器等；,如环型空腔谐振器；,混合同轴线型谐振器等；,2020/8/20,7,对传输线型谐振器：,利用电磁场理论中的麦克斯韦方程和边界条件及波导的电磁场分布情况；, 求解谐振器的基本参数和场结构；,微波谐振器的基本分析方法,对非传输线型谐振器：,由于其几何形状复杂很难应用电磁场理论来求解；, 通常采用工程的方法进行求解；,将谐振器的各部分等效为集总参数的元件或传输线段，然后按低频电路和传输线的计算方法求出谐振器的基本参数；,注意，这种方法不能求解出谐振器的场结构！,2020/8/20,8,V 内的电磁场满足麦克斯韦方程：,S 面上的边界条件为：,由此求得电磁场的波动方程

4、为：, 谐振腔内的电磁场方程,2020/8/20,9,采用分离变量法可求得其波动方程的通解为：, 基本特性,微波谐振器中可以存在无穷多不同模式的自由振荡；,不同的振荡模式具有不同的振荡频率；, 微波谐振器的多谐性；,而低频 LC 谐振电路仅有单一的振荡频率；,2020/8/20,10, 由电场和磁场的方程；,单模电场和磁场为正弦场；,时间相位差为90；,当电场为最大值时；,磁场的值 0 ；,当磁场为最大值时；,电场的值 0 ；,电场的储能 磁场的储能,能量在电场和磁场间不断地交换，形成振荡；,2020/8/20,11, 谐振波长,在导行系统中有：,沿 z 方向无边界限制传输，是连续的；, 电磁

5、波沿 z 方向不具备谐振特性；,谐振器具有限量的长度；, 电磁波沿 z 方向传播受到了限制；,电磁波沿 z 方向呈驻波分布；,有：,2020/8/20,12, 谐振波长,有：,由式：,得到谐振器的波长为：,2020/8/20,13, 谐振波长,得到谐振器的波长为：,结果：,谐振器的波长与谐振器形状尺寸和工作模式有关；, 谐振器的品质因数,表征微波谐振系统的选频特性；,表示谐振器的储能与损耗之间的关系；,2020/8/20,14, 谐振器的品质因数,表征微波谐振系统的选频特性；,表示谐振器的储能与损耗之间的关系；,谐振器的储能：,2020/8/20,15,谐振器的平均损耗功率：,品质因数的近似值

6、：,为了获得较高的 ，应选择形状使 大；,结论：,返回到本章导航,2020/8/20,16,传送给谐振器的复功率：,输入阻抗：, 谐振时的参量,谐振时,谐振频率：,2020/8/20,17, 品质因数 Q,谐振回路品质因数定义为：,可知 Q 值是谐振回路损耗情况的量度；,谐振时的损耗与电阻 R 有关；,在谐振频率的微小邻近处；,2020/8/20,18, 品质因数 Q,很小,此式可鉴定分布元件谐振器的等效电路；,2020/8/20,19,在谐振频率的微小邻近处；,有耗谐振器可当作具有复谐振频率 的无耗谐振器处理；,在求取微波谐振器时先求取无耗情况时的解，然后以复谐振频率，,代替无耗时的 输入阻

7、抗中的 ；,以考虑损耗的影响！,2020/8/20,20,传送给谐振器的复功率：,输入阻抗：, 谐振时的参量,谐振时,谐振频率：,2020/8/20,21, 品质因数 Q,谐振回路品质因数定义为：, 其品质因数随着电阻 R 的增加而增加；,在谐振频率的微小邻近处：,若谐振器无耗：,2020/8/20,22, 空载 Q 值,谐振器为串联 RLC 电路：,谐振器为并联 RLC 电路：,不涉及外部负载效应时谐振电路本身的 Q 值；,空载 Q 值：, 外部 Q 值：,2020/8/20,23,定义为谐振器与外部负载相连接时，将外部负载考虑在内的品质因数；, 有载 Q 值,返回到本章导航,2020/8/

8、20,24,谐振时有；,由于传输线的损耗很小；,在谐振频率附近有；,2020/8/20,25,谐振时有；,2020/8/20,26,将该式与串联谐振电路的输入阻抗表达式；,形式相似,结论：,长度为/ 2 的终端短路线构成串联 RLC 谐振器；,等效电阻,等效电感,等效电容,2020/8/20,27,采用相同的分析方法得到：,并联谐振电路的输入阻抗：,两式相似,结论：短路 / 4 线也可构成并联 RLC 型谐振器；,等效电路电阻,等效电路电容,等效电路电感,2020/8/20,28,两式相似,结论：开路 / 2 线传输线也可构成并联 RLC 型谐振器；,等效电路电阻,等效电路电感,等效电路电容,

9、采用相同的分析方法得到：,并联谐振电路的输入阻抗：,返回到本章导航,2020/8/20,29, 矩形波导的几何结构,加上适当的激励和输出耦合装置，便成为一个实际的谐振器；, TE 模的振荡模式和场分布,场的分布一定是在原矩形波导的基础上，,2020/8/20,30,利用 TE 波的横向场分量与纵向场分量 的关系式：,2020/8/20,31,最后求得 TE 波的场结构方程：,电场结构：,其中 m，n，p 分别为场分量沿 x，y，z 方向变化的半个驻波的个数；,2020/8/20,32,磁场结构：,式中,最后求得 TE 波的场结构方程：,2020/8/20,33, 主模 模,场结构方程：,202

10、0/8/20,34,模的电场分布：, 主模 模,2020/8/20,35,模的磁场分布：,2020/8/20,36, 谐振频率,谐振频率最低或谐振波长最长的模式为微波谐振器的主模;,矩形谐振腔的主模即为前面介绍的 模 ;,2020/8/20,37,介质无损耗时的 Q 值:, 模的品质因数,2020/8/20,38,介质有损耗时的 Q 值:,当腔壁和介质都存在着损耗时:,总的功率损耗为 ：,总的品质因数为 ：, 模的品质因数,2020/8/20,39, 圆形波导谐振腔的结构,由一段长度为 ，两端短路的圆形波导构成 ；,在一端可作成可调的短路活塞；,实用的圆形波导谐振腔常用作微波频率计或波长计；,

11、 圆形波导谐振腔的场结构,场方程见公式 7.4-18 ;,场方程见公式 7.4-19 ;,2020/8/20,40,公式表明:,圆形波导谐振腔中可存在无穷多 TE 和 TM 型模式;,谐振时:, 圆形波导谐振腔的场结构, 圆形波导谐振腔的谐振频率,2020/8/20,41,分别表示驻波沿圆形波导谐振腔的圆周、半径和长度方向的分布数目；, 圆形波导谐振腔的谐振频率,2020/8/20,42, 谐振模式的 Q 值,非理想腔壁但无介质损耗的 模式的 Q 值：,介质损耗引起的 Q 值为：,2020/8/20,43,当腔壁和介质都存在着损耗时:,总的品质因数为 ：, 三个常用模式,模式：,当 时， 模式是圆形谐振腔的主模；,谐振频率：, 谐振模式的 Q 值,2020/8/20,44,谐振频率与谐振腔的长度 有关；,可采用短路活塞来调节长度 进行调谐；,本模式缺点：,容易出现极化简并现象；,使其应用受到一定程度的限制；,对椭圆度的要求很高，加工困难；,品质因数 Q ：见公式 7.4-32 ;, 三个常用模式,模式：,谐振频率：,2020/8/20,45,当 时， 模式是圆形谐振腔的主模；,谐振波长：,调谐困难,模式的 Q 值：, 三个常用模式,模式：,谐振频率与谐振腔的长度 无关；,不能