第二章+諧振器

1、第二章第二章 諧振器諧振器2.1 2.1 引言引言 2.2 2.2 諧振器參數(shù)諧振器參數(shù)2.3 2.3 腔體諧振器腔體諧振器2.4 2.4 平面微帶諧振結(jié)構(gòu)平面微帶諧振結(jié)構(gòu)2.5 2.5 介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器2.6 2.6 諧振器的測量諧振器的測量2.1 引言 微波諧振器由各種形式的傳輸線來實現(xiàn)微波諧振器由各種形式的傳輸線來實現(xiàn) 普通的諧振器：一個被金屬壁包圍的有界電磁場普通的諧振器：一個被金屬壁包圍的有界電磁場構(gòu)成，等效集中參數(shù)電感和電容由相應(yīng)的電場和構(gòu)成，等效集中參數(shù)電感和電容由相應(yīng)的電場和磁場儲能確定磁場儲能確定 2.2 諧振器參數(shù) 品質(zhì)因數(shù)Ql定義：在諧振頻率下，平均儲能與一個周期內(nèi)平

2、均定義：在諧振頻率下，平均儲能與一個周期內(nèi)平均耗能之比與諧振頻率的乘積。耗能之比與諧振頻率的乘積。 cccQstoredloss平均儲能一個周期內(nèi)的平均耗能W平均儲能功率耗能P1）、有載品質(zhì)因數(shù)）、有載品質(zhì)因數(shù)定義：當(dāng)功率損耗為外接負(fù)載上的功率損耗和諧振器本定義：當(dāng)功率損耗為外接負(fù)載上的功率損耗和諧振器本身的功率損耗總和時，得到的品質(zhì)因數(shù)。身的功率損耗總和時，得到的品質(zhì)因數(shù)。LDQ333ccLDdBdBdBULffQffBW有載品質(zhì)因數(shù)有載品質(zhì)因數(shù) 可以變換為可以變換為LDQ1111 11 cccLDFEQQQ諧振器的功率損耗+負(fù)載的功率損耗平均儲能諧振器的功率損耗負(fù)載的功率損耗平均儲能平均儲

3、能EGLRRRu串聯(lián)諧振電路的三種品質(zhì)因數(shù)串聯(lián)諧振電路的三種品質(zhì)因數(shù)n外品質(zhì)因數(shù)：外品質(zhì)因數(shù)：0,0ERR001EEELQRRCn品質(zhì)因數(shù)：品質(zhì)因數(shù)：221 11 12 22 2meEILEVC00meELextEEQP平均儲能功率損耗電場和磁場的平均儲能相等。電場和磁場的平均儲能相等。001VIL IC由由22201 11 12 22 2meIEEILC得到儲能為得到儲能為2211()22LextLGEPRRIR I外部功率損耗為：外部功率損耗為：0001meELextEEEELQPRRC得到得到固有品質(zhì)因數(shù)：固有品質(zhì)因數(shù)：0,0ERR001FLQRRC有載品質(zhì)因數(shù)：有載品質(zhì)因數(shù)：0,0ER

4、R001()LDEELQRRRRC例例 已知已知0050 ,10 ,50,0.47LGZZZZRLnH CpF求：有載品質(zhì)因數(shù)，固有品質(zhì)因數(shù)和外品質(zhì)因數(shù)；信求：有載品質(zhì)因數(shù)，固有品質(zhì)因數(shù)和外品質(zhì)因數(shù)；信號源輸出功率；諧振狀態(tài)下負(fù)載吸收的功率；諧振頻號源輸出功率；諧振狀態(tài)下負(fù)載吸收的功率；諧振頻率附近率附近20頻帶內(nèi)的插入損耗。頻帶內(nèi)的插入損耗。解：諧振頻率解：諧振頻率011.038 GHz2fLC外品質(zhì)因數(shù)：外品質(zhì)因數(shù)：003.262ELQZ固有品質(zhì)因數(shù)：固有品質(zhì)因數(shù)：032.62FLQR有載品質(zhì)因數(shù)：有載品質(zhì)因數(shù)：002.972LDLQRZ信號源的最大資用功率信號源的最大資用功率2062.5

5、8GinVPmWZ諧振狀態(tài)下負(fù)載得到的功率：諧振狀態(tài)下負(fù)載得到的功率：22151.7/LOinELDPPmWQQ耦合l 為諧振腔提供耦合能量輸入輸出的方式為諧振腔提供耦合能量輸入輸出的方式2.3 腔體諧振器l 由理想導(dǎo)體制成的屏蔽罩或腔體構(gòu)成的諧振器可由理想導(dǎo)體制成的屏蔽罩或腔體構(gòu)成的諧振器可將能量束縛在一定的空間，降低輻射損耗將能量束縛在一定的空間，降低輻射損耗 同軸諧振器同軸諧振器 諧振頻率諧振頻率 Q值值(d為趨膚深度為趨膚深度) 同軸線可能出現(xiàn)更高的諧振模式，最低的高次模為同軸線可能出現(xiàn)更高的諧振模式，最低的高次模為 凹狀同軸腔體諧振器凹狀同軸腔體諧振器 電容加載式的諧振頻率電容加載式

6、的諧振頻率 凹形腔的凹形腔的Q值值 徑向式的諧振頻率徑向式的諧振頻率矩形波導(dǎo)諧振器矩形波導(dǎo)諧振器可傳輸無窮多個諧振模，波的傳播模式不同，可傳輸無窮多個諧振模，波的傳播模式不同，場的分布也不同場的分布也不同諧振波數(shù)諧振波數(shù)截止波數(shù)截止波數(shù) 主模主模Q值值諧振頻率諧振頻率圓波導(dǎo)諧振器圓波導(dǎo)諧振器通常用在測量頻率的波長計中，通常用在測量頻率的波長計中，Q值高，精度高值高，精度高諧振波數(shù)諧振波數(shù) TE模模Q值值 TM模模Q值值2.4 平面微帶諧振結(jié)構(gòu)l 廣泛應(yīng)用于微波集成電路的各種部件中廣泛應(yīng)用于微波集成電路的各種部件中 矩形微帶諧振結(jié)構(gòu)矩形微帶諧振結(jié)構(gòu) 可視為終端可視為終端開路的傳輸線開路的傳輸線邊

7、緣電容可用兩端各自邊緣電容可用兩端各自外延的一段長度外延的一段長度l模擬模擬補(bǔ)充：四分之一波長諧補(bǔ)充：四分之一波長諧振器，二分之一波長諧振器，二分之一波長諧振器振器l 注：四分之一與二分之一波長諧振器注：四分之一與二分之一波長諧振器四分之一波長終端開路線等效于串聯(lián)諧振器四分之一波長終端開路線等效于串聯(lián)諧振器二分之一波長終端短路線等效于串聯(lián)諧振器二分之一波長終端短路線等效于串聯(lián)諧振器四分之一波長終端短路線等效于并聯(lián)諧振器四分之一波長終端短路線等效于并聯(lián)諧振器二分之一波長終端開路線等效于并聯(lián)諧振器二分之一波長終端開路線等效于并聯(lián)諧振器圓盤微帶諧振器圓盤微帶諧振器厚度厚度h遠(yuǎn)小于自由空間遠(yuǎn)小于自由空

8、間波長時，可用帶磁壁的波長時，可用帶磁壁的圓柱腔模擬圓柱腔模擬諧振頻率諧振頻率有效半徑有效半徑圓環(huán)微帶諧振器圓環(huán)微帶諧振器諧振頻率諧振頻率三角形微帶諧振器三角形微帶諧振器廣泛應(yīng)用的形狀是等邊三角廣泛應(yīng)用的形狀是等邊三角形，形，120o的對稱特性適宜于的對稱特性適宜于用作環(huán)形器的連接設(shè)計用作環(huán)形器的連接設(shè)計諧振波數(shù)諧振波數(shù)m,n,p需滿足需滿足主模由下列各組整數(shù)值之一實現(xiàn)主模由下列各組整數(shù)值之一實現(xiàn)高高Q諧振器諧振器微帶槽線：減小邊緣場效應(yīng)；在特定阻抗下，寬度大微帶槽線：減小邊緣場效應(yīng)；在特定阻抗下，寬度大于微帶線，這兩點都使微帶槽線有更低的損耗于微帶線，這兩點都使微帶槽線有更低的損耗高高Q諧振

9、器諧振器將介質(zhì)上的中心導(dǎo)體懸置或形成一個空氣橋中心導(dǎo)體，將介質(zhì)上的中心導(dǎo)體懸置或形成一個空氣橋中心導(dǎo)體，形成的共面波導(dǎo)有高的特性阻抗和低的有效介電常數(shù)形成的共面波導(dǎo)有高的特性阻抗和低的有效介電常數(shù)高高Q諧振器諧振器任何形式的低介質(zhì)損耗和低導(dǎo)體損耗任何形式的低介質(zhì)損耗和低導(dǎo)體損耗傳輸線都可制作諧振器傳輸線都可制作諧振器低損耗微帶線可低損耗微帶線可通過在導(dǎo)體和砷通過在導(dǎo)體和砷化鎵基板間涂一化鎵基板間涂一層低介電常數(shù)的層低介電常數(shù)的聚酰亞胺實現(xiàn)，聚酰亞胺實現(xiàn)，有效介電常數(shù)較有效介電常數(shù)較低，輻射損耗隨低，輻射損耗隨之降低之降低可調(diào)諧振器可調(diào)諧振器可調(diào)元件可調(diào)元件應(yīng)用共面線和共面波導(dǎo)可實現(xiàn)固態(tài)器件應(yīng)用

10、共面線和共面波導(dǎo)可實現(xiàn)固態(tài)器件可調(diào)諧振器可調(diào)諧振器實際應(yīng)用中，反偏隧道二極管易于采用，因為它實際應(yīng)用中，反偏隧道二極管易于采用，因為它可實現(xiàn)小的漏電流和很小電阻，可實現(xiàn)高可實現(xiàn)小的漏電流和很小電阻，可實現(xiàn)高Q值值可調(diào)諧振器可調(diào)諧振器線性可調(diào)諧振器線性可調(diào)諧振器例：變?nèi)莨苤谱鞯闹C振器及其等效電路例：變?nèi)莨苤谱鞯闹C振器及其等效電路微帶開路端視為等效的電導(dǎo)和電納微帶開路端視為等效的電導(dǎo)和電納附加電納的存在會導(dǎo)致諧振頻率減小附加電納的存在會導(dǎo)致諧振頻率減小可調(diào)諧振器可調(diào)諧振器環(huán)形諧振器環(huán)形諧振器諧振頻率需通過電路仿真計算諧振頻率需通過電路仿真計算可調(diào)諧振器可調(diào)諧振器有源諧振器有源諧振器圖圖a中，用有源

11、器件周圍的反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有源電感；圖中，用有源器件周圍的反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有源電感；圖b中，用串聯(lián)的中，用串聯(lián)的R、L、C，從端口，從端口1看進(jìn)去，輸入阻抗看進(jìn)去，輸入阻抗是感性的是感性的調(diào)節(jié)偏置電平，可實現(xiàn)特定頻段的低阻抗和高電感值調(diào)節(jié)偏置電平，可實現(xiàn)特定頻段的低阻抗和高電感值2.5 介質(zhì)諧振器l 由低損耗、高介電常數(shù)、溫度穩(wěn)定性好、形狀規(guī)由低損耗、高介電常數(shù)、溫度穩(wěn)定性好、形狀規(guī)則、高則、高Q值陶瓷材料制成值陶瓷材料制成體積小，介電常體積小，介電常數(shù)高，能量集中，數(shù)高，能量集中，要求有一定的屏要求有一定的屏蔽蔽介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器材料材料主要的性能參數(shù)為：介電常數(shù)，主要的性能參數(shù)為：介電常數(shù)，Q值

12、，溫度系數(shù)值，溫度系數(shù)在晶體管振蕩器中，可實現(xiàn)有效的溫度補(bǔ)償在晶體管振蕩器中，可實現(xiàn)有效的溫度補(bǔ)償諧振頻率諧振頻率1 孤立的介質(zhì)諧振器孤立的介質(zhì)諧振器2 MIC中的介質(zhì)諧振器中的介質(zhì)諧振器與各種結(jié)構(gòu)和材與各種結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)有關(guān)料參數(shù)有關(guān)a為半徑為半徑介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器MIC中介質(zhì)諧振器與電路的耦合中介質(zhì)諧振器與電路的耦合耦合的強(qiáng)弱通過微帶與介質(zhì)的側(cè)距確定耦合的強(qiáng)弱通過微帶與介質(zhì)的側(cè)距確定阻抗阻抗等效電路等效電路無載無載Q值與諧振頻率值與諧振頻率Lm為磁耦合系數(shù)為磁耦合系數(shù)介質(zhì)諧振器介質(zhì)諧振器寄生模寄生模D/H為為22.5時，寄生模與主模頻率相差相對較大時，寄生模與主模頻率相差相對較大頻率調(diào)諧

13、頻率調(diào)諧2.6 諧振器的測量單端口諧振器單端口諧振器以集中參數(shù)并聯(lián)諧振為例以集中參數(shù)并聯(lián)諧振為例輸入阻抗為輸入阻抗為輸入阻抗是頻率的線性函數(shù)，它在史密斯圓輸入阻抗是頻率的線性函數(shù)，它在史密斯圓圖上的軌跡是圓圖上的軌跡是圓為頻率失諧參數(shù)為頻率失諧參數(shù)耦合系數(shù)耦合系數(shù)單端口諧振器單端口諧振器耦合系數(shù)耦合系數(shù)可通過測量諧振時的反射系數(shù)可通過測量諧振時的反射系數(shù)S110確定確定 欠耦合欠耦合過耦合過耦合臨界耦合（過原點）臨界耦合（過原點）的系數(shù)的系數(shù)為為1單端口諧振器單端口諧振器品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q的測量的測量 阻抗軌跡上實部阻抗軌跡上實部與虛部相等的點與虛部相等的點f1 1和和f2 2稱為半功稱為半功率點率點2*1*圖中圖中G=B為為Qu的阻抗軌跡的阻抗軌跡單端口諧振器單端口諧振器有載及外部有載及外