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6_微波技术基础_微波谐振器


北京交通大学
Beijing Jiaotong University
避免辐射的方法:1.把电磁波封闭在金属空腔里; 2.把电磁波聚集在高介电常数的介质内。 微波谐振器又称作微波谐振腔,由一段两端短 路或两端开路的传输线段组成,电磁波在三个坐 标方向上均呈驻波分布,即电磁能量不能传输, 只能来回振荡。 微波谐振器可以定性地看作是由集中参数LC谐 振回路过渡而来的。
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谐振器内的纯驻波场可以看做是行波场在线段l内 的两端之间来回反射相叠加形成。对于谐振器内任 意一点,当行波场相叠加时,若相位相差2π整数倍 就产生了谐振。 设电磁波在两端( Z1和Z2 )处反射系数的相角分 别为q1和q2 (反射系数模为1)。电磁波经两端反射 再回到原处,相位变化为: 2l q1 q 2 ,谐振条件 为: 2 l q q 2p (p 0,1,2,3) 1 2
W We We, max

(E E )dV | E | 2 2
* V V

2
dV
2
Wm Wm, max

(H H )dV | H | 2 2
* V V

dV
电场能与磁场能完全转化,二者相等
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谐振器内总的储能 QL 2 一周期内谐振器的耗能
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W W QL wr wr PL Pi Pc
PL表示一周期内总的损耗功率, Pi表示腔本身的损 耗功率,Pc表示外界负载上的损耗功率。
Pi Pc Pi Pc 1 1 1 QL wr W wr W wr W Q0 Qc
谐振频率fr是指谐振器中该模式的场量发生谐振 时的频率,也经常用谐振波长lr表示,它是描述 谐振器中电磁能量振荡规律的参量。
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求谐振器的谐振频率的方法有如下四种:
(一)相位法(用于传输线类型的谐振器) 根据电磁波在谐振器内来回反射,入射波和 反射波叠加时的相位关系来确定谐振频率。 传输线类型的谐振器可 归结为一段两端分别接有纯 电抗性负载(包括开路和短 路)Z1和Z2的传输线,即在 线的两端不吸收,不辐射能 传输线谐振器的 一般等效电路 量,而是形成全反射。
根据可求出谐振频率fr或谐振波长lr。
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2 对于无色散波, fr lr v 2 2 对于色散波, f r2 f c2 lg v
2
不同的p对应着不同的,也就对应着不同的fr, 也就是不同的p表示许多不同的谐振波型(振荡 模),这就是谐振器的多谐性。
传输线理论
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内容提要
6.1 谐振器的主要特性参数
6.2 同轴线谐振器
6.3 矩形谐振器
6.4 圆柱形谐振器
6.5 谐振腔的等效电路
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利用同轴线中的驻波振荡构成的谐振腔,称为 同轴谐振腔。只要同轴线尺ຫໍສະໝຸດ 满足:工作模式给定 时为常数A
V Q0 2 A S
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V/S越大,越小,则Q0 越高。为了提高Q0 ,在抑 制干扰的前提下,尽可能增大V,减小S,并选用 电导率较大的材料作为腔壁内表面,且内表面尽 量光滑。
(二)有载品质因数
有载品质因数QL:考虑外界负载作用的腔体品质 因数。 负载使腔的固有谐振频率发生变化,增加腔的功 率损耗,导致品质因数下降。
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(二)电纳法 谐振时,谐振器内电场和磁场能量自行转换,谐 振器内总电纳为零。如果采用某种方法得到谐振 器的等效电路,并将所有的电纳归算到同一个参考 面上,则在谐振时,此参考面上总的电纳为零,即
B f 0
0
利用上式可以求得谐振频率。
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由以上分析可知,当谐振腔的形状、几何尺寸和 填充介质给定后,可以有许多不同的谐振频率。 但对于简并模而言,同一个谐振频率可对应于不 同的模。
二、品质因数
谐振器的品质因数有两种:1.固有品质因数Q0; 2.有载品质因数QL (一)固有品质因数 固有品质因数是对一个孤立(完整)的谐振器 而言的,谐振器不与任何外电路相连接(空载) 时的品质因数。
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微波技术基础
微波谐振器
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谐振意味着“平衡”,微波谐 振就是微波能量中电储能和磁 储能之间的平衡。
在低频段,采用集中参数的L和C来构造谐振回路, 频率升高后,当谐振回路的线长度和电磁波的波 长可相比拟时,会产生能量的辐射,波长越短辐 射越严重,导体损耗也急剧增加,降低了谐振回 路的Q值,且电感电容尺寸小,造成制作上的困 难和机械强度的下降。
传输线理论
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内容提要
6.1 谐振器的主要特性参数
6.2 同轴线谐振器
6.3 矩形谐振器
6.4 圆柱形谐振器
6.5 谐振腔的等效电路
谐振器主要特性参数
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谐振器主要特性参数有:谐振频率fr(谐振波长 lr),品质因数,谐振电导(电阻)。对于一个 谐振器来说,这些参数是对于某一个谐振模式而 言的,若模式不同,一般来说这些参数也不同。 一、谐振频率
假定腔内填充的介质无耗,损耗功率P只与腔壁内 表面材料的电阻引起的损耗有关,即:
2 1 P Rs | J s | dS S 2 J s n Ht
因此,P又可以写成:
2 1 P Rs | H t | dS S 2
|Ht|为腔壁内表面上磁场强度切向分量模值,Rs为 腔壁内表面材料的表面电阻率。S为腔壁内表面面 积。
fr 1 2 LC
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环形谐振腔及其等效电路
如上图的环形腔中的电场可近似认为主要是集中 于腔内圆柱体的端面和与之相对的腔体底部内表 面之间的区域内(略去边缘电容),并把它近似 看做平板电容C,则 r02
C d
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因此固有品质因数Q0 为:
Q0 2
令:
| H |2 dS
S
V
| H |
2
dV
| H |2 V
| H |
2
dV | H |2
| H |
S
2
dS
V
S
可得:
2 | H |2 V Q0 | H |2 S
Um和积分路径l及其起止点A、B有关,值不唯一, 因此G0也不唯一,或者说是不确定的。对应于某 选定积分路径和起止点,G0为
2P G0 2 U
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由于在微波谐振腔中,电压Um定义的不唯一性,所 以现代微波理论中对于G0这个参量已经比较淡化 (只有在TEM波,例如同轴腔才使用),而强调ω0 和Q这两个参量。 对一个谐振腔而言,从理论上讲,可以谐振于无 穷多个模式,对应于无穷多个谐振频率。一般模 式不同,谐振频率也不同。一种模式对应于一个 谐振频率,对应一个等效电路,可见,一个腔体 可以有无穷多个等效电路。 实际上,要求谐振腔在一定的工作频率范围内只 谐振于一种模式(单模),对应于一种等效电路。
环形腔中的磁场可近似认为主要是集中于腔内圆 柱体周围的环形体积内,设该体积内总的磁通量, 沿圆柱体表面流动的高频电流的幅值为I,则等效 电感L为:
L I
在距离腔体轴线r处,由电流I产生的磁场强度值 I 为: H 2r 通过宽度为dr的环形体积横截面面积ds=hdr的磁 通量d为: I d Hds hdr 2r
(四)场解法 对已知其形状、尺寸和填充介质的腔体,当根据 边界条件对电磁场波动方程求解时,可以得到一 系列的本征值K,由K就可以确定腔的谐振频率。
不同的K对应谐振腔中不同的谐振模(不同的场 结构),即对应着不同的谐振频率fr,即:
Kv fr 2
对应的谐振波长lr为: v 2 lr
fr K
微波谐振器
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微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件, 广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中, 还可以用作振荡器或调谐放大器的振荡回路、倍 频器等。
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微波谐振器中电磁场能量关系与LC谐振回路相 类似
E
Wm(t) We(t)
H
微波谐振器
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微波谐振器与LC谐振回路相比,有其特殊性: • LC谐振回路的电场能量集中在电容器中,磁场 能量集中在电感器,而微波谐振器是分布参数回 路,电场能量和磁场能量是空间分布的; • LC谐振回路只有一个谐振频率,而微波谐振器 一般有无限多个谐振频率;
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