1、Microwave Technique6 微波谐振器微波谐振器要求要求1. 了解微波谐振器的基本参量；了解微波谐振器的基本参量；2. 了解多种微波谐振器的特点；了解多种微波谐振器的特点；3. 了解通过法测量谐振腔品质因数。了解通过法测量谐振腔品质因数。Microwave Technique引言引言p 微波谐振器，广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波微波谐振器，广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中。它相当于低频集中参数的长计中。它相当于低频集中参数的LC谐振回路，是一种谐振回路，是一种基本的微波元件。基本的微波元件。p 谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。谐振腔是速调管、磁控
2、管等微波电子管的重要组成部分。p 微波谐振器可由一段两端微波谐振器可由一段两端短路短路或两端或两端开路开路的传输线段组的传输线段组成，电磁波在其上呈成，电磁波在其上呈驻波分布驻波分布，即电磁能量不能传输，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此微波谐振器是具有只能来回振荡。因此微波谐振器是具有储能储能与与选频选频特性特性的微波元件。的微波元件。Microwave Techniquesapphiref = 12GHz，Q = 5000000YIGf = 26GHz，Q = 104000微带谐振器微带谐振器同轴谐振腔同轴谐振腔矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔圆柱形波导谐振腔圆柱形波导谐振腔Microwa
3、ve Technique引言引言a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；尺寸变小，储能空间小，容量低；b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大，损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差品质因数低，频率选择性差 。u LC谐振谐振器在微波频段的缺点：器在微波频段的缺点：u LC谐振器的谐振器的作用作用u 谐振腔的作用谐振腔的作用低频低频微波微波相异点相异点LC回路：一个振荡模式和一个谐回路：一个振荡模式和一个谐 振频率振频率谐振腔：谐振腔： 无限多个振荡模式和无限多个振荡频率无限多个振荡模式和无限多个振荡频率相同点相同点无损耗时为无功元件无损耗时为无功元件,
4、 有损耗时呈纯电阻性。有损耗时呈纯电阻性。Microwave Technique从从LC回路到谐振腔的演变过程回路到谐振腔的演变过程LCfao 21)( N,dC,L,f0)b(并联N,dfo)c()d(连续N,df0)e(df0Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 6.1.1串联谐振电路串联谐振电路图图6.1 串联串联 RLC 谐振器及其谐振曲线谐振器及其谐振曲线 (a) 串联串联 RLC 电路电路 (b) 输入阻抗幅值与频率的关系曲线输入阻抗幅值与频率的关系曲线谐振时谐振时RZin RCRLQ001 LC10 Microwave Techni
5、que推导过程推导过程Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 6.1.2 并联谐振电路并联谐振电路图图6.2 并联并联 RLC 谐振器及其响应谐振器及其响应(a) 并联并联 RLC 电路电路 (b) 输入阻抗幅值与频率的关系曲线输入阻抗幅值与频率的关系曲线RZin RCLRQ00 LC10 谐振时谐振时Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 推导过程推导过程Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave TechniqueMicrowav
6、e Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论谐振时谐振时半功率点时半功率点时Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique谐振器的品质因数谐振器的品质因数u一般表达式一般表达式ddPWPWTQ02 u串联串联RCLRPWQlm0002u并联并联222RZin QBW1 RCRLPWQlm00012222RZin QBW1 QRH dVHdSSVtS022QHdVHdSVtS222u其
7、他计算公式其他计算公式表表6.1Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 6.2.1Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 6.2.2Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 6.2.3例题例题6.1 6.2Microwave Technique例题例题 6.1Microwave Technique6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔n 概述概述图图6.6 矩形谐振腔以及矩形谐振腔以及 TE101 和和 TE102 谐振模式的电场分布谐振模式的电场分布Microwave Technique矩形波导
8、矩形波导ZjZmneybnxamAH )cos()cos(矩形腔矩形腔)cos()cos()(ybnxameAeAHzjzjZmnmn 两端短路边界条件两端短路边界条件Z = 0 , HZ = 0 ; Z = d , HZ = 00 AA)sin)(cos()cos(2zjybnxamAHmnZ 6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔n 谐振频率谐振频率TE模模Microwave Technique0sin dmn ldmn3 , 2 , 1l222)()()(dlbnamkmnl 222)()()(22dlbnamcckfrrrrmnlmnl n 其中，其中，l0 , m、n 中最多只有一个为
9、零。中最多只有一个为零。n 若若bad，则最低谐振模式为（，则最低谐振模式为（TE模）模）TE101；（；（TM）TM110。0)sin)(cos()cos(2)( djybnxamAdHmnZ 222222211 dlbnamdlcmnl 221012laalTE 谐振波数谐振波数谐振频率谐振频率谐振波长谐振波长长度为半波长的长度为半波长的整数倍整数倍短路短路/2传输线谐传输线谐振器振器Microwave Technique6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔n 6.3.2 TE10l 模的模的Q值值111 dcQQQ tgPWQded120 33233223022122addalbdbal
10、RkadPWQscec 例题例题6.3 设计一个矩形波导腔设计一个矩形波导腔P241Microwave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave Technique6.4 圆波导谐振腔圆波导谐振腔n 概述：圆柱谐振腔是由一段长度为概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为径为R。圆柱腔中场分布分析方法和。圆柱腔中场分布分析方法和谐振波长的计算与矩形腔相同。谐振波长的计算与矩形腔相同。n 主要特点：制造方便，主要特点：制造方便，Q值高！值高！图图6.7 W波段波导频
11、率计波段波导频率计的图片。圆形旋转其用的图片。圆形旋转其用以改变圆形谐振器的长以改变圆形谐振器的长度，标尺可以读出频率度，标尺可以读出频率图图6.8 圆柱谐振腔及圆柱谐振腔及l=1或或l=2谐振模式的电场分布谐振模式的电场分布Microwave Technique6.4 圆波导谐振腔圆波导谐振腔n 谐振频率：推导方法同矩形波导谐振频率：推导方法同矩形波导 220221TE Rpdlnmnml 220221TM Rpdlmnmnl 22)()(22:dlapcckfTEnmrrrrmnlnmlnml 22)()(22:dlapcckfTMnmrrrrmnlnmlnml 图图6.9 圆柱腔的谐振模
12、式图圆柱腔的谐振模式图R.E. Collin, Foundations for Microwave EngineeringMicrowave Technique6.4 圆波导谐振腔圆波导谐振腔n TEnml模式的模式的Q值值Microwave Techniquen TEnml模式的模式的Q值值Microwave Techniquen TEnml 模式的模式的Q值值Microwave Techniquen TEnml 模式的模式的Q值值图图6.10 圆柱腔各种模式的归一化圆柱腔各种模式的归一化Q（空气填充）（空气填充） Foundations for Microwave Engineering1
13、11 dcQQQ一般情况一般情况Q值值例题例题6.4 圆波导谐振腔的设计圆波导谐振腔的设计P246Microwave TechniqueMicrowave Technique6.5 介质谐振腔介质谐振腔n 概述概述图图6.11 圆柱形介质谐振腔的几何形状圆柱形介质谐振腔的几何形状 原理与矩形或圆柱腔相似原理与矩形或圆柱腔相似 高介电常数高介电常数 成本低、尺寸小、重量轻成本低、尺寸小、重量轻 10 r 100 Q高达几千高达几千Microwave Technique6.5.1 TE01模式的谐振频率模式的谐振频率图图6.12 磁壁边界条件的近似和圆柱形介质谐振腔的第一个模式的磁壁边界条件的近似
14、和圆柱形介质谐振腔的第一个模式的Hz 沿沿z的分布曲线的分布曲线（对于（对于 = 0）Microwave Technique6.5.1 TE01模式的谐振频率模式的谐振频率Microwave Technique6.5.1 TE01模式的谐振频率模式的谐振频率例题例题 6.5 介质谐振器的谐振频率和介质谐振器的谐振频率和Q值值P250Microwave TechniqueMicrowave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 概述概述图图6.13 微波谐振器的耦合：微波谐振器的耦合：(a) 微带传输线谐振器缝隙耦合到微带馈线微带传输线谐振器缝隙耦合到微带馈线 (b) 用同轴探针
15、馈送到矩形腔谐振器用同轴探针馈送到矩形腔谐振器 (c) 圆柱腔谐振器小孔耦合到矩形波导圆柱腔谐振器小孔耦合到矩形波导(d) 介质谐振器耦合到微带馈线介质谐振器耦合到微带馈线Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.1 临界耦合临界耦合图图6.14 串联谐振电路耦合到馈线串联谐振电路耦合到馈线Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 耦合系数概念耦合系数概念图图6.15 耦合到串联耦合到串联 RLC 电路的电路的Smith圆图表示圆图表示n g1，过耦合，过耦合Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔
16、的激励耦合系数耦合系数有载品质因数有载品质因数Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.2 缝隙耦合微带谐振器缝隙耦合微带谐振器1谐振条件谐振条件Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 耦合系数的计算耦合系数的计算Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.3 小孔耦合空腔谐振器小孔耦合空腔谐振器 lxxljlXZjYZyLLL tantancot00为为小小孔孔的的归归一一化化电电抗抗。0/ ZLxL 为为小小孔
17、孔的的归归一一化化电电抗抗。0/ ZLxL 时时发发生生并并联联谐谐振振。0tan Lxl Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 小孔尺寸的计算小孔尺寸的计算Microwave Technique双介质双介质谐振器谐振器测量高测量高温超导温超导薄膜微薄膜微波表面波表面电阻电阻Microwave TechniqueMicrowave Technique谐振器谐振器测量高测量高温超导温超导薄膜微薄膜微波表面波表面电阻电阻Microwave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave Technique
