《补谐振腔》PPT课件

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1、长 沙 理 工 大 学 物 理 与 电 子 科 学 学 院 微 波 谐 振 器第7章5 第 7章 微 波 谐 振 器基本概念：微 波 谐 振 器 又 称 作 微 波 谐 振 腔 ， 它 广 泛 应 用 于微 波 信 号 源 、 微 波 滤 波 器 及 波 长 计 中 。 谐 振 腔 是 速 调 管 、磁 控 管 等 微 波 电 子 管 的 重 要 组 成 部 分 。 它 是 一 种 基 本 的 微波 元 件 。 微 波 谐 振 器 可 由 一 段 两 端 短 路 或 两 端 开 路 的 传 输 线 段 或空 心 波 导 组 成 ， 电 磁 波 在 其 上 呈 驻 波 分 布 ， 即 电 磁 能

2、 量 不能 传 输 ， 只 能 来 回 振 荡 。 因 此 ， 微 波 谐 振 器 具 有 储 能 、 选频 、 稳 频 的 功 能 。用途：微波源、滤波器、选频器等等； 特点：品质因素Q值很高（几万几十万）； 谐 振 器 的 电 磁 性 能 与 结 构 特 点1.电 磁 能 以 分 布 的 形 式 存 在 ；2.具 有 多 谐 性 ；3.电 磁 能 量 储 存 较 多 ；4.无 辐 射 、 低 损 耗 （ 欧 姆 损 耗 小 、 无 介 质 损 耗 ） ，即 品 质 因 数 高 ( 104） 。理 论 上 ： 任 何 形 状 均 可实 用 中 ： 多 为 规 则 腔 体 （ 封 闭 或 半

3、封 闭 ） a. 尺 寸 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 ， 品 质 因 数 低 ， 频 率 选 择 性 差 。uLC谐 振 器 在 微 波 频 段 的 缺 点 ：uLC谐 振 器 的 作 用u谐 振 腔 的 作 用 低 频 微 波 LC谐 振 器 与 谐 振 腔 从 LC回 路 到 谐 振 腔 的 演 变 过 程LCfa o 2 1)( N,d C,L,f0 )b( 并 联N f o )c()d(连 续Nf 0 )e( 0df 微 波 谐 振 器 可 以 定 性 地 看 作 是 由 常

4、规 电 路 的 LC谐 振回 路 过 渡 而 来 的 ， 如 图 所 示 。 LC谐 振 器 与 谐 振 腔 从 LC谐 振 回 路到 谐 振 腔 的 演 变 LC谐 振 器 与 谐 振 腔从LC回路到谐振腔的演变过程 微 波 谐 振 器 中 电 磁 能 量 关 系 和 集 中 参 数 LC谐 振 回 路 中 能量 关 系 有 许 多 相 似 之 处 ： 1、 无 损 耗 时 为 无 功 元 件 , 2、 有 损 耗 时 呈 纯 电 阻 性LC谐 振 器 与 谐 振 腔 1、 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

5、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 ； 2、 LC谐 振 回 路 只 有 一 个 振 荡 模 式 和 一 个 谐 振 频 率 ， 而 微波 谐 振 器 一 般 有 无 限 多 个 振 荡 模 式 (即 谐 振 波 型 )和 无 限多 个 谐 振 频 率 ；3、 微 波 谐 振 器 可 以 集 中 较 多 的 能 量 ， 且 损 耗 较 小 ， 因 此它 的 品 质 因 数 远 大 于 LC集 中 参 数 回 路 的 品 质 因 数 。但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处：LC谐 振 器 与 谐 振 腔 （ 一 ）

6、谐 振 频 率 f0 谐 振 频 率 f0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 0表 示 。 它 是 描 述 谐 振 器 中 电 磁 能 量 振 荡 规 律 的 参 量 。谐 振 频 率 可 采 用 电 纳 法 分 析 ： 在 谐 振 时 ， 谐 振 器 内 电 场 能 量 和 磁 场能 量 彼 此 相 互 转 换 ， 其 谐 振 器 内 总 的 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 等 效 电 纳 归 算 到 同 一 个 参 考 面上 ， 则

7、 谐 振 时 ， 此 参 考 面 上 总 的 电 纳 为 零 ， 即 B f 0 0 利 用 上 式 便 可 以 求 得 谐 振 频 率 。 一 、 微 波 谐 振 器 的 基 本 参 量微波谐振器有两个基本参量：谐振频率f0 (或谐振波长0 )和品质因数Q。 （ 二 ） 、 品 质 因 数 Q 品 质 因 数 Q是 微 波 谐 振 器 的 一 个 主 要 参 量 ， 它 描述 了 谐 振 器 选 择 性 的 优 劣 和 能 量 损 耗 的 大 小 ，其 定 义 为 谐 振 时能 量一 个 周 期 内 损 耗 的 电 磁谐 振 器 内 储 存 电 磁 能 量2Q 0 0WPL式 中 W0为 谐

8、 振 器 中 的 储 能 ， PL为 谐 振 器 中 的 损 耗 功 率 。Q R H dVH dS S V tS 0 22 Q H dVH dSV tS 2 22其 它 计 算 公 式 一 、 微 波 谐 振 器 的 基 本 参 量与 材 料 、工 作 频 率有 关 ！厘 米 波 段Q可 达 10 4数 量 级 ！ （ 三 ） 等 效 电 导 G0 20 2 mLUPG 谐 振 腔 的 等 效 电 路dedmd PWPWPWTQ max0max0 222 111 dC QQQ dC QQQ 111 或 腔 壁 损 耗 功 率介 质 损 耗 功 率 一 、 微 波 谐 振 器 的 基 本 参

9、量即 二 、 矩 形 谐 振 腔 矩 形 谐 振 腔 是 由 一 段 两 端 短 路 的 矩 形 波 导 构 成 ， 它 的横 截 面 尺 寸 为 ab， 长 度 为 l， 如 下 图 所 示 。 x O y a z b 、 不 能 同 时 为 零 m n1. 矩 形 谐 振 腔 中 的 TE模 TE模 的 场 表 达 式 amkx bnky lpkz 222 bnamkc ,3,2,1,0, nm ,3,2,1p 0 sincossin2 sinsincos2 sincoscos2j cossincos2j coscossin2j 02 02 0 02 02z zyxc xy zyxc yx

10、 zyxz zyxc zyy zyxc zxxE zkykxkHkkE zkykxkHkkE zkykxkHH zkykxkHkkkH zkykxkHkkkH 二 、 矩 形 谐 振 腔 、 、 不 能 同 时 为 零 2. 矩 形 谐 振 腔 中 的 TM模 ,3,2,1, nm ,3,2,1,0pm n p 0 cossincos2j coscossin2j cossinsin2 sincossin2 sinsincos2 02 020 02 02z zyxc xy zyxc yx zyxz zyxc zyy zyxc zxxH zkykxkEkkH zkykxkEkkH zkykxkEE

11、 zkykxkEkkkE zkykxkEkkkE 二 、 矩 形 谐 振 腔 222 )()()( lpbnamk mnp 222 )()()(2 12 lpbnamkf mnpmnp 其 中 ， p 0 , m、 n 中 最 多 只 有 一 个 为 零 。 波导腔中沿 x、y、z 三个方向都是驻波分布。 三个整数 m、n、l 的每一种组合都对应腔内的一种谐振模式，因此：有无穷多个谐振模式；二 、 矩 形 谐 振 腔 3.矩 形 谐 振 腔 的 谐 振 波 长 谐 振 波 长 与 模 式 指 数 有 关 ， 即 矩 形 谐 振 腔 具 有 多 模性 和 多 谐 性 。 谐 振 波 长 与 腔

12、体 尺 寸 有 关 ， 即 可 通 过 改 变 腔 体 尺 寸调 谐 ， 如 采 用 短 路 活 塞 。 一 个 谐 振 频 率 可 能 对 应 多 个 谐 振 模 式 ， 即 矩 形 谐 振腔 存 在 简 并 现 象 。 222 2 pbnam二 、 矩 形 谐 振 腔 谐 振 模 式 及 其 场 分 布矩 形 波 导 中 传 输 的 电 磁 波 模 式 有 TE模 和 TM模 ， 相 应 谐 振 腔 中 同样 有 TE谐 振 模 和 TM谐 振 模 ， 分 别 以 TEmnp和 TMmnp表 示 ， 其 中 下 标 m、n和 p分 别 表 示 场 分 量 沿 波 导 宽 壁 、 窄 壁 和

13、 腔 长 度 方 向 上 分 布 的驻 波 数 。 在 众 多 谐 振 模 中 ， TE101为 最 低 谐 振 模 。二 、 矩 形 谐 振 腔 （ 1） 谐 振 波 长（ 2） 固 有 品 质 因 数 22101 2TE la al 30 aQ 二 、 矩 形 谐 振 腔 矩形谐振腔的主模TE101模特征参量： 有无穷多个TE、TM谐振模式，谐振频率可用公式计算； 有三种常用谐振模式，场结构各不相同，各有其优点；可通过合理选择尺寸，得到需要的谐振模式，抑制其他模式；SVQ 0 品质因数正比于腔体积，反比于腔内壁面积，故在同样体积情况下，圆波导谐振腔比矩形谐振腔品质因数高，性能好，加工也容易

14、，是最常用的谐振腔。 圆柱谐振腔是由一段长度为l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为a。应采用两端短路的方式；三 、 圆 柱 谐 振 腔 三 、 圆 柱 谐 振 腔 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 。 即 利 用 圆波 导 的 场 表 达 式 ， 写 出 +Z和 -Z方 向 的 行 波 ， 叠 加 后 应 用 Z=0和 Z=l的 短路 边 界 条 件 ， 可 得 场 结 构 表 达 式 。 0 2 212 2TEmnp mnpl R 0 2 212 2TMmnp mnpl v R 式 中 m、 n和 p分 别 表 示 场 分

15、 量 沿 沿 圆 周 、 半 径 和 腔 长 度 方 向 分 布 的驻 波 数 。（ 一 ） 圆 柱 腔 的 场 分 布 (二 ) 三 种 常 用 谐 振 模 式圆 柱 腔 中 最 常 用 的 三 个 谐 振 模 式 为 TM010模 、 TE111模 和 TE011模 。 下 面 分别 说 明 这 三 种 谐 振 模 式 的 特 点 和 应 用 。1、 TM010模圆 波 导 TM01模 的 截 止 波 长 c = 2.62R和 p = 0圆 柱 腔 TM010模 的 谐 振 波 长 0的 计 算 公 式 为 0 2 62TM010 . R2、 TE111模 圆 柱 腔 TE 111模 的

16、谐 振 波 长 0的 计 算 公 式 为 0 2 211341 12TE111 . R l3、 TE011模 圆 柱 腔 TE011模 的 谐 振 波长 0的 计 算 公 式 为 0 2 211164 12TE011 . R l 三 、 圆 柱 谐 振 腔 谐振模式为TEM模式，场结构简单稳定、频带宽，应用广泛；1、两端短路同轴谐振腔： 为 自 然 数nnl g2l 短路活塞可改变腔长，从而改变谐振频率短路活塞可调 l 为 自 然 数谐 振 频 率 nl nfffvnl g 2 12 四 、 同 轴 谐 振 腔 2、一端短路另一端开路同轴谐振腔： 为 自 然 数nnl g412 l 为 自 然

17、 数谐 振 频 率 n lnf ffvnlg 4 12 1124 四 、 同 轴 谐 振 腔 一段截止圆波导，防止电磁辐射 内导体可移动，用于改变谐振频率 实际结构可调 l四 、 同 轴 谐 振 腔 五 、 环 形 谐 振 腔1. 谐 振 波 长（ 1） 等 效 电 容 C （ 2） 等 效 电 感 L（ 3） 谐 振 波 长 中 心 轴 d r l b a (a) (b) 环 形 谐 振 腔a） 几 种 不 同 形 状 的 环 形 腔 b） 剖 面 尺 寸 图 dbdSC 200 bahL ln20 badhb ln2 2. 调 谐（ 1） 电 容 调 谐 ： 通 过 改 变 等 效 电 容

18、 来 调 整 谐 振 频 率 。（ 2） 电 感 调 谐 ： 通 过 改 变 等 效 电 感 来 调 整 谐 振 频 率 。 环 形 腔 的 电 容 调 谐 环 形 腔 的 电 感 调 谐 五 、 环 形 谐 振 腔 一、单项选择题1. 波长为1米的场源，在自由空间中的频率( ) A. 30MH z B. 300MH z C. 3000MH z D. 3MH z2. 微波从一种介质入射到另一种介质会发生全反射是( ) A. 水到空气 B. 空气到水 C. 空气到玻璃 D. 空气到金属3. 可以导引电磁波的装置称为导波装置，传播不受频率限制的导波装置是( ) A.矩形波导B.圆波导 C.同轴线D

19、.以上都可以4矩形波导中最低阶的TE波模式是_，最低阶的TM波模式是_ ( ) A. TE 10波，TM11波 B. TE01波，TM01波 C. TE01波，TM11波 D. TE11波，TM01波二、填空题1. 微波是指波长范围为_的电磁波，2 导行系统中某导模无衰减传输条件是其工作波长应 截止波长。3.在均匀导波装置上传播的电磁波，若传播方向上没有磁场分量，则称为 。4.在圆形波导中，具有最低截止频率的模式是_ , 具有最小能量衰减的 模式是_ ，适用于旋转铰链的模式是_ 。三、简答题1 微 波 的 概 念 和 特 点 ？2 微 波 发 生 反 射 的 基 本 条 件 ? 波 导 开 口 时 是 否 有 反 射 波 ?， 为 什 么 ？四、计算题设 矩 形 波 导 中 主 模 的 截 止 频 率 f c=3G H z， 工 作 频 率 f=5G H z， 求 波 导 波 长 ， 相 速 ， 群 速 。 微波技术基础测试1