第4章微波諧振器ppt課件

1、第第4章章 微波諧振器微波諧振器 引言引言 一、定義一、定義:它是和低頻它是和低頻LC諧振回路相對應(yīng)的微波電路諧振回路相對應(yīng)的微波電路,其作用和低頻其作用和低頻LC諧振回路相似諧振回路相似.三、采用諧振腔而不采用低頻諧振回路的原因三、采用諧振腔而不采用低頻諧振回路的原因 在米波以上的微波波段，集中參數(shù)的在米波以上的微波波段，集中參數(shù)的LC 諧振電路無法使用，經(jīng)常使諧振電路無法使用，經(jīng)常使用相應(yīng)波段的傳輸線形成諧振器件，這種諧振器件稱為諧振腔。用相應(yīng)波段的傳輸線形成諧振器件，這種諧振器件稱為諧振腔。二、用處二、用處:微波振蕩電路微波振蕩電路;微波放大器微波放大器;波長計波長計;濾波濾波器等器等,

2、和低頻諧振回路相同和低頻諧振回路相同. 因為隨著頻率升高，必須減小電感量和電容量，但是當(dāng)因為隨著頻率升高，必須減小電感量和電容量，但是當(dāng)LC 很小時，很小時，分布參數(shù)的影響不可忽略。電容器的引線電感、線圈之間以及器件之間分布參數(shù)的影響不可忽略。電容器的引線電感、線圈之間以及器件之間的分布電容必須考慮。這就意味著，在米波以上波段，很難制造單純的的分布電容必須考慮。這就意味著，在米波以上波段，很難制造單純的電容及電感元件。電容及電感元件。 此外，隨著頻率升高，回路的電磁輻射效應(yīng)也較顯著，電容器中的此外，隨著頻率升高，回路的電磁輻射效應(yīng)也較顯著，電容器中的介質(zhì)損耗也隨之增加，這些因素導(dǎo)致集中參數(shù)的諧

3、振電路的品質(zhì)因數(shù)介質(zhì)損耗也隨之增加，這些因素導(dǎo)致集中參數(shù)的諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q 值值(能量角度定義和低頻相同能量角度定義和低頻相同)顯著下降。顯著下降。四、諧振腔的主要參數(shù)：諧振波長和品質(zhì)因數(shù)。四、諧振腔的主要參數(shù)：諧振波長和品質(zhì)因數(shù)。4.1 4.1 諧振回路的基本性質(zhì)諧振回路的基本性質(zhì) 4.1.1 4.1.1 諧振回路中的儲能諧振回路中的儲能 一、串聯(lián)與并聯(lián)諧振回路一、串聯(lián)與并聯(lián)諧振回路二、諧振回路中的儲能公式二、諧振回路中的儲能公式(和是否諧振無關(guān)和是否諧振無關(guān))4.1.2 4.1.2 品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率 一、諧振電路的復(fù)阻抗一、諧振電路的復(fù)阻抗二、諧振頻率二、諧振頻率1

4、.1.串串 2.2.并并 1.1.串串 1.1.串串 2.2.并并 2.2.并并 三、諧振電路的能量平均值及儲能的特點三、諧振電路的能量平均值及儲能的特點1.1.串聯(lián)串聯(lián) )cos(ImtIi)cos(UmtUu2.2.并聯(lián)并聯(lián) 儲能特點儲能特點:集總參數(shù)諧振回路集總參數(shù)諧振回路(包括串聯(lián)與并聯(lián)包括串聯(lián)與并聯(lián))諧振諧振時時,如電能最大如電能最大,則磁能最小則磁能最小,反之亦然反之亦然;電能或磁能的最大電能或磁能的最大值都等于總的平均儲能值都等于總的平均儲能,故諧振時雖然電儲能與磁儲能時故諧振時雖然電儲能與磁儲能時刻變化刻變化,但只是它們之間周期性的相互轉(zhuǎn)化但只是它們之間周期性的相互轉(zhuǎn)化(如無耗

5、如無耗,則不則不需補充能量需補充能量,如有耗如有耗,還需周期性地補充其損耗還需周期性地補充其損耗);從能量的從能量的角度來說角度來說,集總參數(shù)的諧振回路的振蕩過程即為電儲能與集總參數(shù)的諧振回路的振蕩過程即為電儲能與磁儲能之間相互轉(zhuǎn)化的過程磁儲能之間相互轉(zhuǎn)化的過程,諧振頻率即為電儲能與磁儲諧振頻率即為電儲能與磁儲能之間相互轉(zhuǎn)換的頻率能之間相互轉(zhuǎn)換的頻率.四、品質(zhì)因數(shù)四、品質(zhì)因數(shù) (無載品質(zhì)因數(shù)無載品質(zhì)因數(shù))0Q1.1.能量定義能量定義 2.2.串、并聯(lián)諧振時的形串、并聯(lián)諧振時的形式式 LPWQ00 為諧振時存儲的總平均能量為諧振時存儲的總平均能量W 諧振回路諧振時總的損耗平均功率諧振回路諧振時總

6、的損耗平均功率 LP4.1.3 4.1.3 有載品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù) lQeePWQ0一、外觀品質(zhì)因數(shù)一、外觀品質(zhì)因數(shù) eQeP 諧振時損耗在由負(fù)載等效而來的電阻上的功率諧振時損耗在由負(fù)載等效而來的電阻上的功率 二、有載品質(zhì)因數(shù)二、有載品質(zhì)因數(shù) lQeLLPPWQ0三、三個品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系三、三個品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系eLQQQ11104.2 4.2 微波諧振器的基本參數(shù)微波諧振器的基本參數(shù) 4.2.1 4.2.1 諧振波長諧振波長 一、諧振頻率一、諧振頻率 0f 由前面的討論可知由前面的討論可知,集總參數(shù)諧振回路諧振時集總參數(shù)諧振回路諧振時,如電能如電能最大最大,則磁能最小則磁能最小,反之亦然

7、反之亦然,并且電能或磁能的最大值都并且電能或磁能的最大值都等于總的平均儲能等于總的平均儲能,故諧振時雖然電儲能與磁儲能時刻變故諧振時雖然電儲能與磁儲能時刻變化化,但只是它們之間周期性的相互轉(zhuǎn)化但只是它們之間周期性的相互轉(zhuǎn)化(如無耗如無耗,則不需補則不需補充能量充能量,如有耗如有耗,還需周期性地補充其損耗還需周期性地補充其損耗).因而因而,從能量的從能量的角度來說角度來說,集總參數(shù)的諧振回路的振蕩過程即為電儲能與集總參數(shù)的諧振回路的振蕩過程即為電儲能與磁儲能之間相互轉(zhuǎn)化的過程磁儲能之間相互轉(zhuǎn)化的過程,諧振頻率即為電儲能與磁儲諧振頻率即為電儲能與磁儲能之間相互轉(zhuǎn)換的頻率能之間相互轉(zhuǎn)換的頻率.在微波

8、頻段若某種元器件中也只在微波頻段若某種元器件中也只進行電場能量和磁場能量之間的相互轉(zhuǎn)換進行電場能量和磁場能量之間的相互轉(zhuǎn)換(即形成純駐即形成純駐波波),則這種元器件即為微波諧振器則這種元器件即為微波諧振器.其諧振頻率也為電場其諧振頻率也為電場能量和磁場能量之間轉(zhuǎn)化的頻率能量和磁場能量之間轉(zhuǎn)化的頻率.二、諧振波長二、諧振波長 0三、三、 的計算公式的計算公式0定義定義: :諧振頻率在無限大均勻理想介質(zhì)空間所對應(yīng)的波長諧振頻率在無限大均勻理想介質(zhì)空間所對應(yīng)的波長. . 2.2.推導(dǎo)推導(dǎo) 3.3.本卷須知本卷須知 1.1.公式公式 22022cka.此公式只對傳輸線型諧振器適用,因為它是從微波傳輸線

9、理論得到的;b.諧振波長的多值性,由前面矩形波導(dǎo)截止波數(shù)的多值性及后面學(xué)習(xí)的傳播常數(shù)的多值性可得到證明. 4.2.2 4.2.2 微波諧振腔的品質(zhì)因數(shù)微波諧振腔的品質(zhì)因數(shù) 一、定義一、定義:和集總參數(shù)諧振回路相同和集總參數(shù)諧振回路相同二、計算公式二、計算公式三、多值性三、多值性 1. 1.電儲能電儲能( (最大值最大值) )或磁儲能或磁儲能( (最大值最大值) )或總儲或總儲能公式能公式(4-17)(4-17)式式, ,其中的場量為最大值其中的場量為最大值 2.2.損耗公式和品質(zhì)因數(shù)公式損耗公式和品質(zhì)因數(shù)公式 因不同振蕩模其場分布不同因不同振蕩模其場分布不同, ,品質(zhì)因數(shù)不同品質(zhì)因數(shù)不同, ,

10、故諧振器的品質(zhì)因數(shù)與諧振波長一樣是對某一模故諧振器的品質(zhì)因數(shù)與諧振波長一樣是對某一模式而言的式而言的, ,即品質(zhì)因數(shù)具有多值性即品質(zhì)因數(shù)具有多值性. .前言前言 4.1 諧振回路的基本性質(zhì)諧振回路的基本性質(zhì)4.2 微波諧振器的基本參數(shù)微波諧振器的基本參數(shù) 重點內(nèi)容重點內(nèi)容一、重點物理量一、重點物理量(概念概念)1、微波諧振腔、微波諧振腔二、諧振波長的計算公式二、諧振波長的計算公式三、諧振器件諧振狀態(tài)下能量具有的特征三、諧振器件諧振狀態(tài)下能量具有的特征2、三個品質(zhì)因數(shù)、三個品質(zhì)因數(shù)3、諧振頻率、諧振頻率四、微波諧振器的諧振波長和品質(zhì)因數(shù)具有多值性四、微波諧振器的諧振波長和品質(zhì)因數(shù)具有多值性4、諧

11、振波長、諧振波長五、了解微波諧振器采用腔結(jié)構(gòu)的原因五、了解微波諧振器采用腔結(jié)構(gòu)的原因4.3 4.3 矩形金屬諧振腔矩形金屬諧振腔 構(gòu)成構(gòu)成:由一段兩端面封閉的矩形波導(dǎo)由一段兩端面封閉的矩形波導(dǎo)(形成純駐波形成純駐波)加加上適當(dāng)?shù)募钆c耦合裝置上適當(dāng)?shù)募钆c耦合裝置,即成為一個實際的諧振器即成為一個實際的諧振器(本本節(jié)只討論腔體本身節(jié)只討論腔體本身)1.1.場分布見場分布見(4-27)(4-27)式式, ,給出推導(dǎo)給出推導(dǎo) 4.3.1 4.3.1 矩形諧振腔中的振蕩模矩形諧振腔中的振蕩模( (名稱類似于波導(dǎo)中的名稱類似于波導(dǎo)中的傳輸模式傳輸模式) ) 一、一、TE型振蕩模型振蕩模 確定振蕩模過程

12、的實質(zhì)和方法確定振蕩模過程的實質(zhì)和方法: :實質(zhì)為求出腔內(nèi)的實質(zhì)為求出腔內(nèi)的電磁場分布電磁場分布; ;方法為在利用矩形波導(dǎo)傳輸線結(jié)果的基方法為在利用矩形波導(dǎo)傳輸線結(jié)果的基礎(chǔ)上再加上另外兩個端面的邊界條件礎(chǔ)上再加上另外兩個端面的邊界條件. . 2.2.振蕩模式的表示方法振蕩模式的表示方法 3.3.振蕩模式的多值性振蕩模式的多值性 二、二、TM型振蕩模型振蕩模(模式的表示方法模式的表示方法)4.3.2 4.3.2 矩形諧振腔的諧振波長矩形諧振腔的諧振波長 4.3.3 4.3.3 矩形諧振腔的主模矩形諧振腔的主模TE101(TE101(滿足滿足lablab的條件的條件) ) 1. 1.主模主模: :

13、諧振波長最長諧振頻率最低的模式諧振波長最長諧振頻率最低的模式 2. 2.諧振波長、諧振頻率、場方程、場結(jié)構(gòu)圖和諧振波長、諧振頻率、場方程、場結(jié)構(gòu)圖和只考慮導(dǎo)體損耗時的品質(zhì)因數(shù)只考慮導(dǎo)體損耗時的品質(zhì)因數(shù) 22022ck2220)()()(22lpbnam諧振頻率公式諧振頻率公式: :22200)()()(2lpbnamcvfrr例例: :設(shè)計一矩形諧振腔設(shè)計一矩形諧振腔( (腔內(nèi)介質(zhì)為空氣腔內(nèi)介質(zhì)為空氣),),使諧振頻使諧振頻率率1GHz1GHz和和1.5GHz1.5GHz分別諧振于分別諧振于TE101TE101和和TE102TE102兩個模式兩個模式上上. .（習(xí)題（習(xí)題4-104-10）諧振

14、頻率公式諧振頻率公式: :22200)()()(2lpbnamcvfrr作業(yè)作業(yè):習(xí)題習(xí)題4-3 4-64.4 4.4 圓柱形諧振腔圓柱形諧振腔 構(gòu)成構(gòu)成:將一段圓波導(dǎo)的兩端用導(dǎo)體板封閉起來將一段圓波導(dǎo)的兩端用導(dǎo)體板封閉起來(形成形成純駐波純駐波)就構(gòu)成圓柱型諧振腔就構(gòu)成圓柱型諧振腔.4.4.1 4.4.1 圓柱形諧振腔的電磁場方程圓柱形諧振腔的電磁場方程 與圓波導(dǎo)對應(yīng)與圓波導(dǎo)對應(yīng), ,圓柱形諧振腔可能存在圓柱形諧振腔可能存在TETE型振蕩型振蕩模和模和TMTM型振蕩模型振蕩模; ; 從場方程可知從場方程可知, ,圓柱形諧振腔可能存在無窮多個圓柱形諧振腔可能存在無窮多個TETE模和模和TMTM

15、模模, ,用用TEmnpTEmnp和和TMmnpTMmnp表示表示.TEmnp.TEmnp的的m=0,1,2,n=1,2,p=1,2;TMmnpm=0,1,2,n=1,2,p=1,2;TMmnp的的m=0,1,2,n=1,2,p=0,1,2m=0,1,2,n=1,2,p=0,1,2。4.4.2 4.4.2 圓柱形諧振腔的諧振波長和空載品質(zhì)因數(shù)圓柱形諧振腔的諧振波長和空載品質(zhì)因數(shù) 由圓波導(dǎo)的由圓波導(dǎo)的TETE模和模和TMTM模的截止傳播常數(shù)模的截止傳播常數(shù) 可得圓柱形諧振腔的可得圓柱形諧振腔的TETE模和模和TMTM模的諧振波長模的諧振波長. .22caPkmn2 .2caPkmn及及 lp4.

16、4.3 4.4.3 圓柱形諧振腔常用的幾種振蕩模圓柱形諧振腔常用的幾種振蕩模 （略）（略） 和圓波導(dǎo)的和圓波導(dǎo)的TE01TE01模和模和TM01TM01模及模及TE11TE11模相對應(yīng)模相對應(yīng) 4.4.4 4.4.4 圓柱形諧振腔的模式圖略）圓柱形諧振腔的模式圖略） 模式圖是諧振頻率與振蕩模式和腔體幾何尺寸模式圖是諧振頻率與振蕩模式和腔體幾何尺寸的關(guān)系的圖形表示的關(guān)系的圖形表示; ;由該圖可以確定在什么頻率范由該圖可以確定在什么頻率范圍和圍和2a/l2a/l尺寸下只有單個振蕩模式尺寸下只有單個振蕩模式.(.(結(jié)合教材習(xí)題結(jié)合教材習(xí)題4-174-17討論討論) )4.5 4.5 同軸諧振腔同軸諧

17、振腔 一、構(gòu)成一、構(gòu)成:將一段同軸線的兩端用導(dǎo)體板封閉起來將一段同軸線的兩端用導(dǎo)體板封閉起來(形成純駐波形成純駐波)就形成同軸諧振腔就形成同軸諧振腔. 二、常用的同軸諧振腔二、常用的同軸諧振腔:2/1. 1. 同軸諧振腔同軸諧振腔 3.3.電容負(fù)載同軸腔電容負(fù)載同軸腔4/2. 2. 同軸諧振腔同軸諧振腔 為了抑制同軸諧振腔中的非為了抑制同軸諧振腔中的非TEM模，工作波長模，工作波長 必須滿足必須滿足)(ba4.6 4.6 介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器 一、構(gòu)成和分類一、構(gòu)成和分類:介質(zhì)諧振器是由一段介質(zhì)波導(dǎo)構(gòu)成介質(zhì)諧振器是由一段介質(zhì)波導(dǎo)構(gòu)成;為了縮小諧振器的體積及集中盡可能多的電磁波能量為了縮小諧振器

18、的體積及集中盡可能多的電磁波能量,而而采用高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)采用高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì);介質(zhì)諧振器的介質(zhì)塊可介質(zhì)諧振器的介質(zhì)塊可以是矩形的、圓形的或圓環(huán)形的以是矩形的、圓形的或圓環(huán)形的. 二、介質(zhì)諧振器的優(yōu)點二、介質(zhì)諧振器的優(yōu)點(和金屬諧振器相比和金屬諧振器相比):1.1.體積小體積小2.2.溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好4.4.可以用到毫米波段可以用到毫米波段3.3.品質(zhì)因數(shù)高品質(zhì)因數(shù)高當(dāng)前當(dāng)前, ,介質(zhì)諧振器在微波集成電路中已得到廣泛的應(yīng)用介質(zhì)諧振器在微波集成電路中已得到廣泛的應(yīng)用. .4.7 4.7 平面微帶線諧振結(jié)構(gòu)平面微帶線諧振結(jié)構(gòu) 將微帶線的導(dǎo)帶制成矩形、圓盤形、環(huán)形及其它形將微

19、帶線的導(dǎo)帶制成矩形、圓盤形、環(huán)形及其它形狀可制成微帶諧振器，它在微波集成電路狀可制成微帶諧振器，它在微波集成電路MIC中廣中廣泛地應(yīng)用于構(gòu)造定向耦合器、濾波器、振蕩器及混頻器。泛地應(yīng)用于構(gòu)造定向耦合器、濾波器、振蕩器及混頻器。 常用的微帶線諧振器常用的微帶線諧振器:1.1.矩形微帶線諧振器矩形微帶線諧振器2.2.圓盤形微帶線諧振器圓盤形微帶線諧振器3.3.圓環(huán)形微帶線諧振圓環(huán)形微帶線諧振器器4.4.三角形微帶線諧振器三角形微帶線諧振器 例例 試證波導(dǎo)諧振腔對于任何模式的波諧振時試證波導(dǎo)諧振腔對于任何模式的波諧振時,工作波長工作波長 均可表示為均可表示為, 3 , 2 , 1 212ccplp式

20、中式中 為截止波長，為截止波長，l為諧振腔的長度。為諧振腔的長度。clP可以用于任何波導(dǎo)諧振腔可以用于任何波導(dǎo)諧振腔; ;注意注意: :這里的工作波長和前面的諧振波長相同這里的工作波長和前面的諧振波長相同. .4.8 4.8 諧振腔的微擾諧振腔的微擾 形狀規(guī)則的諧振腔形狀規(guī)則的諧振腔,其電磁場可以準(zhǔn)確求解其電磁場可以準(zhǔn)確求解.在實際應(yīng)在實際應(yīng)用中用中,往往會遇到諧振腔中某些物理條件有微小變化的情往往會遇到諧振腔中某些物理條件有微小變化的情況況.如在腔中插入螺絲或壓縮腔壁以實現(xiàn)其諧振頻率的微如在腔中插入螺絲或壓縮腔壁以實現(xiàn)其諧振頻率的微調(diào)調(diào);或在腔壁上開孔或插入耦合環(huán)以實現(xiàn)腔的耦合或在腔壁上開孔或插入耦合環(huán)以實現(xiàn)腔的耦合;以及以及在腔內(nèi)放置體積很小的介質(zhì)以測量其介質(zhì)參量等等在腔內(nèi)放置體積很小的介質(zhì)以測量其介質(zhì)參量等等.所有所有這些微小的變化都會使諧振腔內(nèi)的電磁場受到微小的擾這些微小的變化都會使諧振腔內(nèi)的電磁場受到微小的擾動動,從而導(dǎo)致其特性參量的微小變化從而導(dǎo)致其特性參量的微小變化.這樣的諧振腔就是不這樣的諧振腔就是不規(guī)則的諧振腔了規(guī)則的諧振腔了,嚴(yán)格求解其電磁場在數(shù)學(xué)上將遇到很大嚴(yán)格求解其電磁場在數(shù)學(xué)上將遇到很大困難困難,有時甚至不可能有時甚至不可能.諧振腔的微擾理論