補諧振腔的課件資料

補諧振腔的課件資料第1頁/共29頁第十講(補）微波諧振器《微波技術(shù)》第7章《電磁場與電磁波》第7.5

節(jié)第2頁/共29頁第7章微波諧振器基本概念：微波諧振器又稱作微波諧振腔，它廣泛應(yīng)用于微波信號源、微波濾波器及波長計中。諧振腔是速調(diào)管、磁控管等微波電子管的重要組成部分。它是一種基本的微波元件。微波諧振器可由一段兩端短路或兩端開路的傳輸線段或空心波導(dǎo)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，微波諧振器具有儲能、選頻、穩(wěn)頻的功能。用途：微波源、濾波器、選頻器等等；特點：品質(zhì)因素Q值很高（幾萬～幾十萬）； 第3頁/共29頁諧振器的電磁性能與結(jié)構(gòu)特點電磁能以分布的形式存在；具有多諧性；電磁能量儲存較多；無輻射、低損耗（歐姆損耗小、無介質(zhì)損耗），即品質(zhì)因數(shù)高(～104）。電性能理論上：任何形狀均可實用中：多為規(guī)則腔體（封閉或半封閉）結(jié)構(gòu)第4頁/共29頁a.尺寸小，儲能空間小，容量低；b.損耗增加：輻射損耗、歐姆損耗及介質(zhì)熱損耗增大，品質(zhì)因數(shù)低，頻率選擇性差。LC諧振器在微波頻段的缺點：LC諧振器的作用諧振腔的作用低頻…微波…LC諧振器與諧振腔第5頁/共29頁從LC回路到諧振腔的演變過程微波諧振器可以定性地看作是由常規(guī)電路的LC諧振回路過渡而來的，如圖所示。LC諧振器與諧振腔第6頁/共29頁從LC諧振回路到諧振腔的演變LC諧振器與諧振腔從LC回路到諧振腔的演變過程第7頁/共29頁微波諧振器中電磁能量關(guān)系和集中參數(shù)LC諧振回路中能量關(guān)系有許多相似之處：1、無損耗時為無功元件,2、有損耗時呈純電阻性LC諧振器與諧振腔第8頁/共29頁1、LC諧振回路的電場能量集中在電容器中，磁場能量集中在電感器，而微波諧振器是分布參數(shù)回路，電場能量和磁場能量是空間分布的；2、LC諧振回路只有一個振蕩模式和一個諧振頻率，而微波諧振器一般有無限多個振蕩模式(即諧振波型)和無限多個諧振頻率；3、微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的品質(zhì)因數(shù)遠大于LC集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)。但微波諧振器和LC諧振回路也有許多不同之處：LC諧振器與諧振腔第9頁/共29頁（一）諧振頻率f0

諧振頻率f0是指諧振器中該模式的場量發(fā)生諧振時的頻率，也經(jīng)常用諧振波長0表示。它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。諧振頻率可采用電納法分析：在諧振時，諧振器內(nèi)電場能量和磁場能量彼此相互轉(zhuǎn)換，其諧振器內(nèi)總的電納為零。如果采用某種方法得到諧振器的等效電路，并將所有的等效電納歸算到同一個參考面上，則諧振時，此參考面上總的電納為零，即利用上式便可以求得諧振頻率。

一、微波諧振器的基本參量微波諧振器有兩個基本參量：諧振頻率f0(或諧振波長0)和品質(zhì)因數(shù)Q。第10頁/共29頁（二）、品質(zhì)因數(shù)Q

品質(zhì)因數(shù)Q是微波諧振器的一個主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為式中W0為諧振器中的儲能，

PL為諧振器中的損耗功率。其它計算公式

一、微波諧振器的基本參量與材料、工作頻率有關(guān)！厘米波段Q可達104數(shù)量級！第11頁/共29頁

（三）等效電導(dǎo)G0諧振腔的等效電路或腔壁損耗功率介質(zhì)損耗功率

一、微波諧振器的基本參量即第12頁/共29頁二、矩形諧振腔

矩形諧振腔是由一段兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，它的橫截面尺寸為ab，長度為l，如下圖所示。第13頁/共29頁、不能同時為零1.矩形諧振腔中的TE模TE模的場表達式二、矩形諧振腔

第14頁/共29頁、、不能同時為零2.矩形諧振腔中的TM模二、矩形諧振腔

第15頁/共29頁其中，p≠0,m、n中最多只有一個為零。波導(dǎo)腔中沿x、y、z三個方向都是駐波分布。三個整數(shù)m、n、l

的每一種組合都對應(yīng)腔內(nèi)的一種諧振模式，因此：有無窮多個諧振模式；二、矩形諧振腔

第16頁/共29頁

3.矩形諧振腔的諧振波長諧振波長與模式指數(shù)有關(guān)，即矩形諧振腔具有多模性和多諧性。諧振波長與腔體尺寸有關(guān)，即可通過改變腔體尺寸調(diào)諧，如采用短路活塞。一個諧振頻率可能對應(yīng)多個諧振模式，即矩形諧振腔存在簡并現(xiàn)象。二、矩形諧振腔

第17頁/共29頁諧振模式及其場分布矩形波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪Ｊ接蠺E模和TM模，相應(yīng)諧振腔中同樣有TE諧振模和TM諧振模，分別以TEmnp和TMmnp表示，其中下標m、n和p分別表示場分量沿波導(dǎo)寬壁、窄壁和腔長度方向上分布的駐波數(shù)。在眾多諧振模中，TE101為最低諧振模。二、矩形諧振腔

第18頁/共29頁（1）諧振波長（2）固有品質(zhì)因數(shù)二、矩形諧振腔

矩形諧振腔的主?！猅E101模特征參量：第19頁/共29頁有無窮多個TE、TM諧振模式，諧振頻率可用公式計算；有三種常用諧振模式，場結(jié)構(gòu)各不相同，各有其優(yōu)點；可通過合理選擇尺寸，得到需要的諧振模式，抑制其他模式；品質(zhì)因數(shù)正比于腔體積，反比于腔內(nèi)壁面積，故在同樣體積情況下，圓波導(dǎo)諧振腔比矩形諧振腔品質(zhì)因數(shù)高，性能好，加工也容易，是最常用的諧振腔。圓柱諧振腔是由一段長度為l，兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半徑為a。應(yīng)采用兩端短路的方式；三、圓柱諧振腔

第20頁/共29頁三、圓柱諧振腔

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。即利用圓波導(dǎo)的場表達式，寫出+Z和-Z方向的行波，疊加后應(yīng)用Z=0和Z=l的短路邊界條件，可得場結(jié)構(gòu)表達式。式中m、n和p分別表示場分量沿沿圓周、半徑和腔長度方向分布的駐波數(shù)。（一）圓柱腔的場分布第21頁/共29頁(二)三種常用諧振模式圓柱腔中最常用的三個諧振模式為TM010模、TE111模和TE011模。下面分別說明這三種諧振模式的特點和應(yīng)用。1、

TM010模圓波導(dǎo)TM01模的截止波長c=2.62R和p=0圓柱腔TM010模的諧振波長0的計算公式為2、TE111模圓柱腔TE111模的諧振波長0的計算公式為3、TE011模圓柱腔TE011模的諧振波長0的計算公式為三、圓柱諧振腔

第22頁/共29頁諧振模式為TEM模式，場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、頻帶寬，應(yīng)用廣泛；1、兩端短路同軸諧振腔：l短路活塞可改變腔長，從而改變諧振頻率短路活塞可調(diào)l四、同軸諧振腔

第23頁/共29頁2、一端短路另一端開路同軸諧振腔：l四、同軸諧振腔

第24頁/共29頁一段截止圓波導(dǎo)，防止電磁輻射內(nèi)導(dǎo)體可移動，用于改變諧振頻率實際結(jié)構(gòu)可調(diào)l四、同軸諧振腔

第25頁/共29頁五、環(huán)形諧振腔1.諧振波長（1）等效電容C（2）等效電感L（3）諧振波長環(huán)形諧振腔a）幾種不同形狀的環(huán)形腔b）剖面尺寸圖第26頁/共29頁2.調(diào)諧（1）電容調(diào)諧：通過改變等效電容來調(diào)整諧振頻率。（2）電感調(diào)諧：通過改變等效電感來調(diào)整諧振頻率。環(huán)形腔的電容調(diào)諧環(huán)形腔的電感調(diào)諧五、環(huán)形諧振腔第27頁/共29頁一、單項選擇題1.波長為1米的場源，在自由空間中的頻率()A.30MHz B.300MHzC.3000MHz D.3MHz2.微波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)會發(fā)生全反射是()A.水到空氣B.空氣到水C.空氣到玻璃D.空氣到金屬3.可以導(dǎo)引電磁波的裝置稱為導(dǎo)波裝置，傳播不受頻率限制的導(dǎo)波裝置是()A.矩形波導(dǎo) B.圓波導(dǎo)C.同軸線 D.以上都可以4．矩形波導(dǎo)中最低階的TE波模式是_____，最低階的TM波模式是______

()A.TE10波，TM11波

B.TE01波，TM01波C.TE01波，TM11波

D.TE11波，TM01波二、填空題1.微波是指波長范圍為_________的電磁波，2．導(dǎo)行系統(tǒng)中某導(dǎo)模無衰減傳輸條件是其工作波長應(yīng)

截止波長。3.在均勻?qū)Рㄑb置上傳播的電磁波，若傳播方向上沒有磁場分量，則稱為

。在圓形波導(dǎo)中，具有最低截止頻率的模式是___________,具有最小能量衰減的