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介质谐振器的基本特性 电磁谐振器是一种储存一定电磁能量的元件，电能和磁能在其中周期地相互转换，这种转换过程称为振荡，振荡的频率称为谐振频率。电磁谐振器最常见的例子是电感L和电容C组成的串联或并联谐振电路。实际上，能够限定电磁能量在一定区域振荡器的结构都可以构成电磁谐振器，其中不用金属也可以构成电磁谐振器，介质谐振器就是其中一种。介质谐振器是用高介电常数和低损耗的介质材料制成，具有优良的电磁特性。 理想导体壁(电阻率为零)在电磁理论中称为电壁，在电壁上，电场的切向分量为零，磁场的法向分量为零。电磁波入射到电壁上将被完全反射回来，没有透射波穿过电壁。因此，用电壁围成一个封闭腔，一旦有适当频率的电磁波馈入，波将在腔的电壁上来回反射，在腔内形成电磁驻波，发生电磁谐振，此时即使外部停止向腔内馈送能量，已建立起来的电磁振荡仍将无衰减地维持下去，可见电壁空腔是一种谐振器，电磁能量按一定频率在其中振荡。当然，非理想导体壁构成地空腔，也具有电壁空腔地类似特性，只不过外部停止馈送能量后，其内部已建立起来地电磁振荡，不会长期地维持下去，将随时间而逐渐衰减，终于消逝，成为阻尼振荡。谐振器中电磁振荡维持时间地长短(时间常数)是其Q值高低地一种度量。 现在我们来研究电磁波在高介电常数介质与空气交界面上地反射和折射情况。 图 1 电磁波在介质界面上的反射与折射 如图1所示，假设有一平面电磁波由介质向空气入射,入射角为，则在界面上将有一部分波被反射回来，称为反射波，反射角等于；另一部分波穿过界面，称为透射波，折射角为。按照折射定律，入射角与折射角间的关系是： (1) 由于相对介电常数总是大于1，故总是大于，当 (2) 时，折射角，这时空气中的波沿界面传输，它的能量来自无限远处的场源，而与入射波无关，谓之表面波。于是介质中的入射波能量全部反射回介质，发生全反射。开始发生全反射的入射角,称为临界角，只要入射角大于临界角，都要发生全反射。相对介电常数愈大，临界角愈小。这样，即使波沿着很靠近界面的方向从介质斜入射到界面，能量也会全部反射回来。所以高介电常数的界面与导体壁有类似的特性，能使电磁波发生完全的或近似完全的反射。当然，这两类界面的性质不同，其对电磁波的反射特性也不尽相同。电磁波在导体壁上电场切向分量为零，故入射波与反射波的电场切向分量相消，仅有法向分量，因而合成场的电力线垂直导体表面，亦即垂直电壁；而在高介电常数的介质界面上，磁场切向分量近似为零，入射波与反射波磁场切向分量近似相消，合成场的磁力线近似垂直于介质界面。在电磁理论中，垂直于磁力线的壁，称为磁壁，故高介电常数的介质表面可近似看成磁壁，只有时，才是真正磁壁。在磁壁上，磁场切向分量为零，电场法向分量为零，它与电壁对偶，既然电壁所构成的空腔可作为微波谐振器，显然，磁壁所围的介质块亦可作为微波谐振器。所以高介电常数介质块近似是个磁壁谐振器，电磁能量在介质块内振荡，不会穿过磁壁泄漏到空气里。 2 介质谐振器的分类和特性 谐振器是振荡器的核心元件，因其具有频率选择性，有载Q值决定振荡器的相位噪声。振荡器的输出频率在一定程度上决定了所使用的谐振器的类型。在微波频率，谐振器可以是同轴谐振器、微带谐振器、腔体谐振器、钇铁石榴石(YIG)谐振器或介质谐振器；在低频，谐振器几乎是由集总参数元件组成。 按照DR的几何结构形状不同，可分为圆柱形、矩形、圆环形、球形等介质谐 振器，如图2所示： (a) (b) (c) (d) (e) (a)同轴腔 (b)矩形腔 (c)圆柱形腔 (d)微带谐振器 (e)圆柱形介质谐振器 图2 几种常见微波介质谐振器 最常用的介质谐振器形状有矩形、圆柱形和圆环形三种，其中使用更为普遍的是圆柱形介质谐振器。圆柱形介质谐振器以多种模式谐振，其工作主模是，这种模式最容易与微带线耦合。如图2.3所示，其中显示了模式电场的分布情况。电场线以Z轴为同心圆，因此电场没有Z分量，磁力线如图3所示。 图3 圆柱形介质谐振器模的场分布2.1.3 介质谐振器的主要参数 衡量介质谐振器的主要指标有三个：Q值、频率温度系数和介电常数,虽然Q值和频率温度系数这两个参数与谐振器的形状和工作模式有关，但起决定性作用的还是即介质谐振器的材料性能。 制作介质谐振器的材料应具备以下三个基本条件： 要有足够高的介电常数。它是构成介质谐振器的必要条件。介质谐振介电常数愈高，其界面愈接近于理想磁壁，电磁场愈集中于谐振器内。介质谐振器的Q值对振荡器相位噪声有影响。