第六章微波谐振器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微波谐振器是具有储能与选频特性的微波谐振元件,在微波频段，集总参数的LC谐振回路已不再适用,必须研制新型的采用分布参数的微波谐振器,两种避免辐射的方法：,将电磁波封闭在金属空腔内,空腔谐振器,将电磁波聚集在高介电常数的介质内,开放型谐振器,Chap.6 微波谐振器,微波谐振器是具有储能与选频特性的微波谐振元件 在微波频段，,1,微波谐振器分成两大类,Chap.6 微波谐振器,传输线类型的谐振器：,由微波传输线构成，只要在结构上采取某些措施（如开路或短路等）就可构成微波谐振腔,非传输线类型的谐振器：,由特殊空腔构成，形状复杂，不能看成是由某种传输线构成,例如：环形谐振腔、混合同轴线型谐振腔以及其他形状（如球形、槽形、扇形）的谐振腔等,主要用于微波管和加速器等微波系统中,微波谐振器分成两大类Chap.6 微波谐振器传输线类,2,Chap.6 微波谐振器,微波谐振器与集总参数谐振回路的主要区别,分布参数电路：,LC谐振回路中的电能集中在电容中，磁能集中在电感中，有明显的“电区域”和“磁区域”；而微波谐振回路是分布参数回路，电场和磁场彼此不能分开，因而电能和磁能也不能分开，以分布形式出现,多谐性：,LC回路中只有一个振荡模式和一个谐振频率；而微波谐振腔中有无限多个振荡模式和无限多个谐振频率,高Q值：,微波谐振腔的品质因数Q值一般比LC回路高很多,相同点：,微波谐振腔的振荡实质和低频LC回路相同,Chap.6 微波谐振器 微波谐振器与集总参数谐振回路,3,61 谐振腔的主要特性参数,微波谐振腔的三个基本参量为：,谐振频率f,r,（或谐振波长,r,）、,品质因数Q,等效谐振电导（或电阻）,这三个基本参量都是针对腔中某个振荡模式而言的，,不同模式的参量的值一般是不同的,61 谐振腔的主要特性参数 微波谐振腔的三个基本参量,4,61 谐振腔的主要特性参数,一、谐振频率f,r,谐振频率,f,r,是指谐振腔中该模式的场发生谐振时的频率，,也称,固有频率,，对应的波长为,谐振波长,r,f,r,的计算方法主要有以下几种,相位法,电纳法,集总参数法,场解法,与低频谐振回路不同，微波谐振腔可以在一系列频率下产生电磁振荡。(,多谐性,),谐振器的种类不同，产生谐振的条件也不同，,有多种求解谐振频率f,r,的方法,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率fr谐振频率f,5,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率,（一）相位法,根据电磁波在谐振器内来回反射时，入射波和反射波相叠加时的相位关系来确定谐振频率f,r,主要用于传输线类型的谐振器。多数实用的谐振腔可以等效为一段长为l，两端分别接有纯电抗性负载Z,1,和Z,2,的传输线,循环一周相位的变化为：,l,Z,1,Z,2,Ee,j,Ee,j(,2l+,1,+,2,),谐振条件,：,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（一）相位,6,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（一）相位法,由谐振条件可求出,：,由,可求出谐振频率,f,r,或谐振波长,r,：,对于无色散波：,对于色散波：,多谐性,当谐振腔的尺寸,l,，填充的介质以及Z,1,和Z,2,（可确定,1,和,2,）已知时，,不同的p（p=0,1,2,）表示许多不同的谐振波型（振荡模式），,对应着不同的,即对应着不同的谐振频率f,r,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（一）,7,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率,（二）电纳法,根据谐振时谐振器的总电纳为零来确定谐振频率f,r,例如：,一内导体长为l的电容加载的TEM模同轴线谐振腔,若选AA面为参考面，则由等效电路AA 处总电纳为0，可求出f,r,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（二）电纳,8,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（二）电纳法,若C、Z,c,、v及,l,已知时，,可图解法求f,r,多谐性,有无穷多个交点,若已知C、Z,c,、v及f,r,时，可求得,有无穷多个,l,满足谐振条件；C越大，对,l,的缩短效应越大,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（二）,9,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率,（三）集总参数法,根据谐振器等效电路中的电感和电容来确定谐振频率f,r,例如,：如图所示的环形金属空腔谐振腔（R，h均小于,r,/4,d C变化,f,r,变化,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率环形腔的调,11,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率,（四）场解法,对已知形状、尺寸和填充介质的腔体，,根据边界条件求电磁场的波动方程的本征值K，,由K就可以确定谐振频率,可以证明对于闭合的理想导体的边界条件,波动方程具有一系列的、离散的本征值K（K,1,，K,2,，K,3,）,这些本征值决定了腔中各模式的谐振频率及对应的谐振波长,多谐性,：,当谐振腔的形状、几何尺寸和填充介质给定后，可有许多模使之谐振，即对应有不同的谐振频率,简并模的谐振频率相同,，即同一谐振频率可对应不同模式,61 谐振腔的主要特性参数一、谐振频率（四）场解,12,61 谐振腔的主要特性参数,二、品质因数Q,（一）固有品质因数Q,0,设PW,T,/T为一周期内谐振腔中的平均损耗功率,w,r,2,f,r,2,/T为,谐振角频率,Q,0,是衡量腔内储能与耗能的一种质量指标，所以称为品质因数；,Q,0,大表示损耗小，频率选择性强、工作稳定度高，但工作频带窄；,Q,0,小，则反之,微波谐振器的Q,0,要比集总参数的低频谐振回路的Q,0,高得多,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q（一）固有品,13,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q,谐振腔内总的储能WW,e,W,m,，W,e,与W,m,分别为腔内存储的电场能和磁场能,腔内的电磁场为纯驻波场，故谐振时有,假定无介质损耗，腔内损耗功率只与腔壁内表面材料引起的导体损耗有关,已知谐振腔内电磁场的结构，工作频率范围，腔体形状、尺寸和材料等，就可以求出Q,0,的值,实际测得的Q,0,通常比上述理论计算值低，因为一些损耗未考虑，,如腔壁表面不够光洁会使Rs增大；还有耦合元件和调谐机构的损耗等等,Q,0,一般表达式的推导,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q谐振腔,14,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q,对于工作模式已给定的腔体应为常数,令：,显然，V/S越大，,越小，则Q,0,越大,因此，为了提高Q,0,，在能够抑制干扰模的前提下，应尽可能选择V/S较大的腔体结构，并选用电导率较大的材料作为腔壁的内表面以减小,；而且表面粗糙度也应尽量小,（分别表示容积能量密度和面积能量密度）,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q对于工,15,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q,（二）有载品质因数Q,L,有外界负载时，不仅使腔的f,r,变化，还增加了腔的功率损耗，品质因数下降,W表示腔内总的存储能量,P,L,W,T,/T=P,i,+P,c,表示一周期内腔中的平均损耗功率,P,i,表示腔本身的损耗功率,P,c,表示外界负载上的损耗功率,定义,耦合系数,kQ,0,/Q,C,Q,0,为固有品质因数,Q,C,称为耦合品质因数,或外部品质因数,K用来衡量腔体与外界负载之间的耦合程度,Pc越大，Qc越小，则k越大，耦合越紧；,反之，耦合越松,61 谐振腔的主要特性参数二、品质因数Q（二）有,16,61 谐振腔的主要特性参数,三、等效电导,G,0,等效谐振电导G,0,是,与腔内损耗功率,有关的参数,将谐振腔等效为集总参数谐振回路的形式,设腔内的功率损耗为P，则,即腔内所选参考面处等效电压幅值,C,L,G,0,Um,G,0,不唯一,因为Um不唯一，与积分路径及其起点、终点有关,等效电路问题,：,一个谐振腔可以谐振于无穷多模式，每个模式的等效电路一般不同；,实际的等效电路应与所选工作模式及工作频率范围对应；,所选参考面不同，可等效为LC并联谐振回路也可等效为串联回路,61 谐振腔的主要特性参数三、等效电导G0等效谐振电,17,