第6章微波諧振器ppt課件

1、Microwave Technique6 微波諧振器微波諧振器要求要求 了解微波諧振器的基本參量；了解微波諧振器的基本參量； 了解多種微波諧振器的特點；了解多種微波諧振器的特點； 了解通過法測量諧振腔品質(zhì)因數(shù)。了解通過法測量諧振腔品質(zhì)因數(shù)。Microwave Technique引言引言p 微波諧振器微波諧振腔），廣泛應(yīng)用于濾波器、振蕩器、頻率計微波諧振器微波諧振腔），廣泛應(yīng)用于濾波器、振蕩器、頻率計及可調(diào)諧放大器中。及可調(diào)諧放大器中。p 它相當(dāng)于低頻集中參數(shù)的它相當(dāng)于低頻集中參數(shù)的LC諧振回路，是一種基本的微波元件。諧振回路，是一種基本的微波元件。p 微波諧振腔是速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重

2、要組成部分。微波諧振腔是速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分。p 微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段組成，電磁波在其上呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。因此微在其上呈駐波分布，即電磁能量不能傳輸，只能來回振蕩。因此微波諧振器是具有儲能與選頻特性的微波元件。波諧振器是具有儲能與選頻特性的微波元件。Microwave Technique引言引言a. a. 尺寸變小，儲能空間小，容量低；尺寸變小，儲能空間小，容量低；b. b. 損耗增加：輻射損耗、歐姆損耗及介質(zhì)熱損耗增大，損耗增加：輻射損耗、歐姆損耗及介質(zhì)熱損耗增

3、大， 品質(zhì)因數(shù)低，頻率選擇性差品質(zhì)因數(shù)低，頻率選擇性差 。uLCLC諧振器在微波頻段的缺點：諧振器在微波頻段的缺點：uLCLC諧振器的作用諧振器的作用u諧振腔的作用諧振腔的作用低頻低頻微波微波相異點相異點LC回路：一個振蕩模式和一個諧回路：一個振蕩模式和一個諧 振頻率振頻率諧振腔：諧振腔： 無限多個振蕩模式和無限多個振蕩頻率無限多個振蕩模式和無限多個振蕩頻率相同點相同點無損耗時為無功元件無損耗時為無功元件, 有損耗時呈純電阻性。有損耗時呈純電阻性。Microwave Technique從從LC回路到諧振腔的演變過程回路到諧振腔的演變過程LCfao 21)( N,dC,L,f0)b(并聯(lián)N,df

4、o)c()d(連續(xù)N,df0)e(df0Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 6.1.1串聯(lián)諧振電路Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.諧振時諧振時RZin RCRLQ001 LC10 Microwave Technique推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n

5、6.1.2 6.1.2 并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路Figure 6.2 A parallel RLC resonator and its response. (a) The parallel RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.RZin RCLRQ00 LC10 諧振時諧振時Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 討論討論Microwave Technique

6、6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 討論討論fILP /1f2f0f0P20Pf dB3Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 討論討論Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 討論討論Microwave Technique6.1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路n 討論討論Microwave Technique6.2 傳輸線諧振器傳輸線諧振器n 6.2.1Microwave Technique6.2 傳輸線諧振器傳輸線諧振器n 6.2.2Microwave Technique6.2 傳輸

7、線諧振器傳輸線諧振器n 6.2.3Microwave Technique6.2 傳輸線諧振器傳輸線諧振器n 討論討論Microwave Technique6.2 傳輸線諧振器傳輸線諧振器n 討論討論Microwave Technique6.3 矩形波導(dǎo)諧振腔矩形波導(dǎo)諧振腔n 概述概述Figure 6.6 A rectangular resonant cavity, and the electric field distributions for the TE101 and TE102 resonant modes.Microwave Technique矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)zjzmneybnxamA

8、H )cos()cos(矩形腔矩形腔)cos()cos()(ybnxameAeAHzjzjzmnmn 兩端短路邊界條件兩端短路邊界條件z = 0 , HZ = 0 ; z = d , Hz = 00 AA)sin)(cos()cos(2zjybnxamAHmnZ 6.3 矩形波導(dǎo)諧振腔矩形波導(dǎo)諧振腔n 諧振頻率諧振頻率Microwave Technique0sin dmn ldmn3 , 2 , 1l222)()()(dlbnamkmnl 222)()()(22dlbnamcckfrrrrmnlmnl n 其中，其中，l0 , m、n 中最多只有一個為零。中最多只有一個為零。n 若若bad，則

9、最低諧振模式為，則最低諧振模式為TE101/TM110。0)sin)(cos()cos(2)( djybnxamAdHmnZ 222222211 dlbnamdlcmnl 221012laalTE mnmnk Microwave Technique6.3 矩形波導(dǎo)諧振腔矩形波導(dǎo)諧振腔n 6.3.2 TE10l模的Q值111 dcQQQ tgPWQded120 33233223022122addalbdbalRkadPWQscec 例題例題6.3 設(shè)計一個矩形波導(dǎo)腔設(shè)計一個矩形波導(dǎo)腔P241Microwave Technique微波屏蔽腔的諧振頻率微波屏蔽腔的諧振頻率Microwave Tech

10、nique微波屏蔽腔的諧振頻率微波屏蔽腔的諧振頻率Microwave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave Technique6.4 圓波導(dǎo)諧振腔圓波導(dǎo)諧振腔n 概述：圓柱諧振腔是由一段長度為概述：圓柱諧振腔是由一段長度為l l，兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半徑為徑為R R。圓柱腔中場分布分析方法和。圓柱腔中場分布分析方法和諧振波長的計算與矩形腔相同。諧振波長的計算與矩形腔相同。n 主要特點：制造方便，主要特點：制造方便，Q Q值高！值高！Figure 6.7 Photograph of a W-band waveguid

11、e frequency meter. The knob rotates to change the length of the circuit-cavity resonator; the scale gives a readout of the frequency. Figure 6.8 A cylindrical resonant cavity, and the electric field distribution for resonant modes with 21 or Microwave Technique6.4 圓波導(dǎo)諧振腔圓波導(dǎo)諧振腔n 諧振頻率：推導(dǎo)方法同矩形波導(dǎo)。諧振頻率：推

12、導(dǎo)方法同矩形波導(dǎo)。 220221TE Rpdlnmnml 220221TM Rpdlmnmnl 22)()(22:dlapcckfTEnmrrrrmnlnmlnml 22)()(22:dlapcckfTMnmrrrrmnlnmlnml Figure 6.9 Resonant mode chart for a cylindrical cavity. from R.E. Collin, Foundations for Microwave EngineeringMicrowave Technique6.4 圓波導(dǎo)諧振腔圓波導(dǎo)諧振腔n TEnml模式的模式的Q值值Microwave Technique

13、n TEnml模式的模式的Q值值Microwave Techniquen TEnmlTEnml模式的模式的Q Q值值Microwave Techniquen TEnml模式的模式的Q值值Figure 6.10 Normalized Q for various cylindrical cavity modes (air-filled). Foundations for Microwave Engineering111 dcQQQ一般情況一般情況Q值值例題例題6.4 圓波導(dǎo)諧振腔的設(shè)計圓波導(dǎo)諧振腔的設(shè)計P246Microwave Technique6.5 介質(zhì)諧振腔介質(zhì)諧振腔n 概述概述Figur

14、e 6.11 Geometry of a cylindrical dielectric resonator.Microwave Technique6.5.1 TE01模式的諧振頻率模式的諧振頻率Figure 6.12 Magnetic wall boundary condition approximation and distribution of Hz versus I for p = 0 of the first mode of the cylindrical dielectric resonator.Microwave Technique6.5.1 TE01模式的諧振頻率模式的諧振頻率M

15、icrowave Technique6.5.1 TE01模式的諧振頻率模式的諧振頻率例題例題 6.5 介質(zhì)諧振器的諧振頻率和介質(zhì)諧振器的諧振頻率和Q值值P250Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 概述概述Figure 6.13 Coupling to microwave resonators.(a) A microstrip transmission line resonator gap coupled to a microstrip feedline. (b) A rectangular cavity resonator fed by a coaxial

16、 probe. (c) A circular cavity resonator aperture coupled to a rectangular waveguide.(d) A dielectric resonator coupled to a microstrip feedline.Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 6.6.1 臨界耦合臨界耦合Figure 6.14 A series resonant circuit coupled to a feedline.Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 耦合系數(shù)概念耦合

17、系數(shù)概念Figure 6.15 Smith chart illustrating coupling to a series RLC circuit.n g1，過耦合，過耦合Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵耦合系數(shù)耦合系數(shù)有載品質(zhì)因素有載品質(zhì)因素Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 6.6.2 縫隙耦合微帶諧振器縫隙耦合微帶諧振器1諧振條件諧振條件Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 耦合系數(shù)的計算耦合系數(shù)的計算Mic

18、rowave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 6.6.3 小孔耦合空腔諧振器小孔耦合空腔諧振器A rectangular waveguide aperture coupled to a rectangular cavity. lxxljlXZjYZyLLL tantancot00為為小小孔孔的的歸歸一一化化電電抗抗。0/ ZLxL 為為小小孔孔的的歸歸一一化化電電抗抗。0/ ZLxL 時發(fā)生并聯(lián)諧振。時發(fā)生并聯(lián)諧振。0tan Lxl Microwave Technique6.6 諧振腔的激勵諧振腔的激勵n 小孔尺寸的計算小孔尺寸的計算Microwave Technique

19、補充：通過法測量諧振腔品質(zhì)因數(shù)補充：通過法測量諧振腔品質(zhì)因數(shù)3dB法測法測QL值原理：值原理：212112ggggIL 200PPLffQ )1(21ggQQLu fILP /1f2f0f0P20Pf dB3Microwave Technique科研實例：高溫超導(dǎo)諧振器簡介科研實例：高溫超導(dǎo)諧振器簡介n 采用高溫超導(dǎo)采用高溫超導(dǎo)(HTSC)薄膜制作的微波器件，具有噪聲低、損耗小、薄膜制作的微波器件，具有噪聲低、損耗小、體積小、重量輕等優(yōu)異性能。體積小、重量輕等優(yōu)異性能。n 目前，高溫超導(dǎo)微波器件的發(fā)展趨勢為系列化、小型化、實用化和目前，高溫超導(dǎo)微波器件的發(fā)展趨勢為系列化、小型化、實用化和商品化

20、，其研究主要集中在高溫超導(dǎo)高諧振器、低插損濾波器、商品化，其研究主要集中在高溫超導(dǎo)高諧振器、低插損濾波器、多工器和高穩(wěn)定低相噪信號源等方面。多工器和高穩(wěn)定低相噪信號源等方面。n 國外杜邦首席沈志遠(yuǎn)采用高的國外杜邦首席沈志遠(yuǎn)采用高的TE011模藍(lán)寶石高溫超導(dǎo)諧模藍(lán)寶石高溫超導(dǎo)諧振器在振器在5.56GHz下研制成功了性能優(yōu)異的高溫超導(dǎo)振蕩器。下研制成功了性能優(yōu)異的高溫超導(dǎo)振蕩器。n 國內(nèi)研制的高溫超導(dǎo)帶狀線諧振器在國內(nèi)研制的高溫超導(dǎo)帶狀線諧振器在S波段波段Q0值達(dá)到值達(dá)到26000，其無載，其無載品質(zhì)因數(shù)比同類常規(guī)器件提高品質(zhì)因數(shù)比同類常規(guī)器件提高50倍以上。倍以上。 Microwave Techniquez0zL藍(lán)寶石0a高溫超導(dǎo)薄膜z科研實例：高溫超導(dǎo)科研實例：高溫超導(dǎo)(HTSC)諧振器簡介諧振器簡介n 該高溫超導(dǎo)諧振器采用定向嚴(yán)格的高純度單晶藍(lán)寶石圓柱，兩端面接地板均為在直徑50mm的LaAlO3單晶片上采用磁控濺射工藝制作的YBCO高溫超導(dǎo)薄膜，諧振器工作模式為TE011模。n 理論表明，TE011模電磁場沿方向衰減很快，電磁場的