第四章微波谐振器.ppt

§4.6 微波谐振器 在电子信息技术中，谐振系统是不可缺少的电路系统组成部分。谐振系统的基本功能是实现频率选择。它是选频放大器、正弦振荡器、混频器及倍频器等多种功能电路系统中不可缺少的部分。 普通电路中，谐振系统是由集总电感和电容器构成的谐振回路或滤波器。微波频段，因其参量值极小而无法从结构上实现，且导体损耗、辐射损耗及介质损耗的急剧增加，系统的品质因素很低而选频特性很差。 从能量的角度分析谐振系统 LC谐振回路，电场能量集中存储在电容器中，磁场能量集中存储于电感线圈中。 电场和磁场的能量随着时间而不停的转换，电场能量达到最大时，磁场能量为零；而磁场能量达到最大时，电场能量为零。 电磁波的驻波状态有上述的特征。 微波段，只要一个系统处于驻波工作状态，这个系统就可以作为一个微波谐振系统。 设计思路 可见驻波状态的传输线也是谐振系统，其电磁能量转换频率就是谐振频率，与集总的LC谐振回路不同的是，驻波传输线的电场磁场能量是空间分布的。 再者，微波传输线的驻波状态，对于同轴线特别是金属波导只能用短路（短截）条件实现，因为开路时存在辐射而不能形成所要求的驻波。 微波谐振器一般有传输线型谐振器和非传输线谐振器两大类。 微波谐振器的演化过程 分析方法的比较 微波谐振器的三个基本参量 一 谐振腔及其特性参量 对于金属空腔谐振器, 可以看作一段金属波导两端短路, 因此腔中的波不仅在横向呈驻波分布, 而且沿纵向也呈驻波分布。 1 谐振频率 谐振腔中驻波可以看成相向传播行波的的叠加，设行波波长是λp，截止波长λc。 为了满足金属波导两端短路的边界条件, 腔体的长度l和波导波长λp应满足： 谐振频率特性 v为媒质中波速，λc为对应模式的截止波长。 可见谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(μ, ε)所确定, 而且在谐振器尺寸一定的情况下, 与振荡模式相对应有无穷多个谐振频率。 2 品质因数 品质因数Q是表征微波谐振器频率选择性的重要参量, 它定义为谐振器中的储能与一个周期内谐振器损耗的能量比值。 2 品质因数 品质因数Q是表征微波谐振器频率选择性的重要参量, 它定义为谐振器中的储能与一个周期内谐振器损耗的能量比值。 3 等效电导G0 等效电导G0是表征谐振器功率损耗特性的参量, 若谐振器上某等效参考面的边界上取两点a, b, 并已知谐振器内场分布, 则等效电导G0可表示为 讨论 以上讨论的三个基本参量的计算公式都是针对一定的振荡模式而言的, 振荡模式不同，所得参量的数值不同。 因此上述公式只能对少数规则形状的谐振器才是可行的。 对复杂的谐振器, 只能用等效电路的概念, 通过测量来确定f0、Q0和G0。 二 角柱腔 以矩形截面波导短截形成角柱腔。 1 基本振荡模式TE101 谐振腔中驻波可以看成相向传播行波的的叠加，设行波波长是λp，截止波长λc。 TE101场分析 TE101模的磁场分量是同相位的，它们共同构成了磁力线回环，磁场集中分布在腔的近壁空间。 电场分量只有一个，它与磁场相位正交，电场分布集中于腔的中心区域。 随着时间的变化，当电场为最大值时磁场为零，反之当磁场为最大值时电场为零，LC谐振回路中电磁能存储和相互转换的过程是很相似的。 根据TE101模的数学表达式，可以画出它的场结构。 2 谐振频率 每一种谐振模式对应一种场分布，对应唯一的谐振频率。 讨论 即对于确定的模式，腔的尺寸决定该模式的谐振波长。显然调变腔的尺寸即可调谐确定模式的谐振波长。对于角柱腔，可以把长度或长度做成可调机构（活塞），便可实现腔的调谐。 不同模式对应同一谐振波长，模式简并。用于通信系统的谐振腔，一般是要求单模工作；而用于工业或家电（如家用微波炉）系统时，则往往是多模式的，因为多模式场的叠加可使腔内微波电磁场的分布更趋于均匀。 为减少简并现象的出现，角柱腔的尺寸要防止的情况。 3 TE101品质因数 角柱腔中TE101模，经过积分运算可得到内廓尺寸为a 、b 和c 的腔的品质因数为 4 谐振腔的激励 谐振腔作为选频系统总是要与外电路连接,由有源器件直接或者通过传输线在腔中激励起所需要的振荡模式。 在谐振腔中所选定模式之外的其它模式若存在，则统称为干扰模。 在谐振腔中激励所选定工作模式的同时必须同时考虑对干扰模的抑制，使干扰模不利于被激励而产生。 因为谐振腔是封闭结构，最基本和常用的激励机构（或称耦合机构）就是腔壁上开槽和孔，通过槽或孔及经过孔进入腔内的耦合针、耦合环，来实现腔与外电路的耦合。 对腔激励的基本考虑是，激励耦合装置必须能够在腔内产生与所选定的谐振模式相近似的场结构，这一点与波导的激励是相同的。同时还要考虑有利于抑制干扰模的出现。这些在选择和设计谐振腔时应视具体情况灵活运用。 三 圆柱腔 截面内壁圆直径R 的圆截面波导，取其长度为