《电磁场与微波技术教学课件》.ppt

第四章微波谐振器 4 1引言 微波谐振器 也叫微波谐振腔 作用 储能和选频作用 相当于低频电路中的LC振荡回路 1 损耗增大 低频LC振荡回路的缺点 随着频率的升高 本章内容 介绍三种谐振腔 矩形谐振腔 圆柱形谐振腔和同轴线谐振腔 2 尺寸变小 从而储能减小 功率容量降低 故分米波段不用集总参数谐振回路了 而用微波谐振腔 低频的谐振回路 谐振频率 主要参数 谐振频率 品质因数和谐振电导 4 2 1谐振频率 取决于电感 电容 微波谐振器可以在一系列频率下产生电磁振荡 谐振频率 谐振波长 本节介绍求谐振频率的四种方法 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 1 场解法 分析规则波导时 用场解法 边界条件 求解波动方程 得一系列的 离散的本征值Kr 谐振频率 谐振波长 截止波长截止频率 求解波动方程 中间过程得到关于K的特征方程 求谐振腔的谐振频率方法类似 不同之处 特征值Kr 不仅与横向参量有关 也与纵向参量有关 特征值Kc 无穷多个 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 2 相位法 传输线的工作状态 行波 驻波和行驻波 驻波状态 电磁波在终端产生全反射 能量不被辐射 也不被吸收 能量被存储在这段传输线上 驻波产生条件 入射波和反射波大小相等 方向相反 传输线型谐振器 电磁波来回振荡 a 终端短路 b 终端开路 c 终端接纯电抗性负载 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 纯驻波 线上任意位置相位一定 设线上任意位置处电场为 反射系数的相角 在Z1处为 1 在Z2处为 2 电磁波任意位置出发 经两端反射后回到原处的相位变化为 则谐振条件为 4 7 当l一定 1 2已知 可解出 return 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 谐振波长 无色散波型 对于色散波 一个p对应一个 对应一个谐振频率 所以微波谐振器具有多谐性 与低频的LC谐振器不同 谐振频率 4 8 4 9 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 表征谐振器选择性的优劣和能量损耗程度 1 固有品质因数 设P为一周期内谐振器中的平均损耗功率 分为固有品质因数Q0和有载品质因数QL 4 10 4 11 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 4 2 2品质因数 微波范围内 Q0的值约在几千到几万之间 本章讨论的是由金属空腔构成的谐振器 也称谐振腔 谐振腔内总的储能为 电场能 磁场能 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 由于腔内的电磁场为纯驻波 电场与磁场随时间变化时 相位差 2 故电场最大时 磁场为零 且此时总储能为 反之 当磁场最大时 电场为零 且此时总储能为 谐振腔的耗能包括导体和介质损耗 假定介质是无耗的 则腔内损耗功率为 而 4 12 4 13 4 14 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 4 15 故 所以固有品质因数可写为 这里 为趋肤深度 4 16 和表面电阻率的关系为 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 4 17 4 18 为大致看出Q0与腔容积 表面面积之间的关系 将Q0的表达式变形 令 则 可见 V S越大 Q0越高 越小 Q0越高 4 19 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 2 有载品质因数 当正常工作时 例如谐振器通过耦合元件与外面负载相连接 这时的品质因数就是有载品质因数 腔本身的损耗功率 外界负载上损耗的功率 4 20 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 若腔体和外界负载之间的耦合程度定义一个量 则有 固有品质因数 耦合品质因数 有载品质因数还可以写成 4 21 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 4 22 4 23 4 2 3等效电导 谐振腔内工作的是驻波 存贮能量 电能相当于存储于电容C 磁能相当于存储于电感L 若考虑谐振腔的损耗 相当于有个电导G 腔内损耗功率 Um等效电压幅值为 故 4 24 4 25 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 若忽略腔内的介质损耗 则有 因为 4 27 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器 注意 fr 或 r Q0和G0都是针对某种谐振腔的某个谐振模式而言 不同模式有不同的fr 或 r Q0和G0 在实际应用中 要求单模工作 因此 等效电路是指在一定的工作频带内 谐振于选定的模式的 频带越窄 等效效果越好 4 2谐振腔的主要特性参数 第四章微波谐振器