微波第三章微波谐振腔讲稿.ppt
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1、微波第三章微波谐振腔微波第三章微波谐振腔第一页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述低频电路中常用集总元件的低频电路中常用集总元件的LCLC振荡回路振荡回路作为谐振电路作为谐振电路LC串联LCCLLC并联谐振回路的作用LC正弦波振荡器放大器中用作调谐回路滤波电路第二页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述一.为什么在微波波段不能使用集总参数LC谐振回谐振回 路?路?1.1.2.2.当电路尺寸与微波波长可以相比拟时,就会产生能量的辐射,波长当电路尺寸与微波波长可以相比拟时,就会产生能量的辐射,波长越短辐射越严重,故辐射损耗大。另外,由于此时趋肤效应严重,越短辐射越严重,故辐射损耗大。另外,由于此时趋肤效
2、应严重,故欧姆损耗大,而且介质损耗大。因此,在频率较高的微波波段,故欧姆损耗大,而且介质损耗大。因此,在频率较高的微波波段,集总集总LCLC谐振回路储能小,损耗大,导致谐振回路储能小,损耗大,导致Q Q值小到不能用。值小到不能用。第三页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述二二.微波谐振器的分类1.1.传输线型谐振器:由一段两端开路或短路的传输线构成,如矩传输线型谐振器:由一段两端开路或短路的传输线构成,如矩形波导谐振器、圆波导谐振器、同轴线谐振器。它们也称为谐形波导谐振器、圆波导谐振器、同轴线谐振器。它们也称为谐振腔。振腔。2.2.非传输线型谐振腔:特殊形状的空腔谐振器。主要用于各种非传输线型谐
3、振腔:特殊形状的空腔谐振器。主要用于各种各样的微波电子管中,如速调管,磁控管等,作为这些微波各样的微波电子管中,如速调管,磁控管等,作为这些微波电子管的腔体。电子管的腔体。传输线型微带线型(半开放)波导型同轴线型介质型第四页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述低低频频LC回路如何演变成微波谐振腔?低频LC回路增大平板电容的距离,减小C减少电感线圈匝数,减小L用多个单匝线圈并联,进一步减小L并联线圈增加到无限多便得到圆柱形空腔谐振器电场磁场?第五页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述n n微波谐振腔的优点1.1.因为是封闭的因为是封闭的,所以损耗小所以损耗小,没有辐射损耗。没有辐射损耗。2.2.空腔
4、无需填介质空腔无需填介质,没有介质损耗。没有介质损耗。3.3.金属表面增大,集肤效应减小,金属表面增大,集肤效应减小,Q Q值高,谐振阻抗大值高,谐振阻抗大 理论上可以证明,当谐振器无损耗,无能量泄漏时,在谐振频率上腔理论上可以证明,当谐振器无损耗,无能量泄漏时,在谐振频率上腔内的电储能或磁储能也达到最大,且等于总储能,而谐振腔内的电内的电储能或磁储能也达到最大,且等于总储能,而谐振腔内的电磁场成为驻波场。磁场成为驻波场。第六页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述三三.微波谐振器与LC谐振回路的相同和相异点 在在f f0 0(谐振频率)(谐振频率)WWemaxemaxWWmmaxmmax 且当且
5、当WWe e0 0时,时,WWmmWWmmaxmmax ;当当WWmm0 0时,时,WWe eWWemaxemax 微波谐振器与微波谐振器与LCLC谐振器回路的物理实质上相同,但是他们主要有谐振器回路的物理实质上相同,但是他们主要有3 3点不同:点不同:1.LC1.LC回路为集总参数电路,微波谐振器时属于分布参数电路。回路为集总参数电路,微波谐振器时属于分布参数电路。所以所以LCLC回路能量只分布在回路能量只分布在L L、C C上,而微波谐振器的能量分布在上,而微波谐振器的能量分布在整个腔体中。整个腔体中。2.LC2.LC回路在回路在L L及及C C一定时,只有一个谐振频率,而微波谐振器有无一
6、定时,只有一个谐振频率,而微波谐振器有无限多个谐振频率,这称为微波谐振器的多谐性。限多个谐振频率,这称为微波谐振器的多谐性。3.3.微波谐振腔储能多,损耗小。故微波谐振器品质因数很高,微波谐振腔储能多,损耗小。故微波谐振器品质因数很高,比比LCLC回路的回路的Q Q值高很多。值高很多。第七页,讲稿共六十一页哦3.1 概述概述微波谐振器的分析方法:微波谐振器的分析方法:1.1.场解法:在一定的初始条件和边界条件下解波动方程。场解法:在一定的初始条件和边界条件下解波动方程。(几何形状简单)(几何形状简单)2.2.场的叠加法:将谐振腔看作两端短路的传输线。场的叠加法:将谐振腔看作两端短路的传输线。将
7、谐振腔中的场在满足边界条件的情况下,将谐振腔中的场在满足边界条件的情况下,由入射波和反射波的叠加来求得。由入射波和反射波的叠加来求得。所以可以直接利用前几章得出的相应波导所以可以直接利用前几章得出的相应波导 和传输线的有关公式。和传输线的有关公式。(传输线型谐振腔)(传输线型谐振腔)第八页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 微波谐振器的主要参数有:微波谐振器的主要参数有:谐振频率谐振频率f fr r(或谐振波长(或谐振波长 r r),品质),品质因数,谐振电导。因数,谐振电导。一一.谐振频率谐振频率 谐振波长谐振波长 r r是谐振频率是谐振频率f fr r时的工
8、作波长,也就是时的工作波长,也就是f fr r时的时的 TEMTEM波在波在腔体中填充为均匀介质中的波长。腔体中填充为均匀介质中的波长。(一)场解法(一)场解法 对已知形状、尺寸与填充介质的腔体,根据边界条件对波动对已知形状、尺寸与填充介质的腔体,根据边界条件对波动方程求解,得到一系列本征值方程求解,得到一系列本征值K fK fr r。(简谐场)。(简谐场)假设:假设:金属空腔谐振器内表面为理想导体金属空腔谐振器内表面为理想导体 介质为均匀无耗简单介质介质为均匀无耗简单介质第九页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数金属腔内金属腔内E E和和H H是在满足边界条件是
9、在满足边界条件的情况下,波动方程:的情况下,波动方程:的解。的解。可以证明:同时满足两组方程的可以证明:同时满足两组方程的K K只能是一系列离散的值。记为只能是一系列离散的值。记为第十页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数(二)相位法(二)相位法 根据电磁波在谐振腔内来回反射,入射波与反射波相叠加时根据电磁波在谐振腔内来回反射,入射波与反射波相叠加时的相位关系,求谐振频率(传输线类型谐振器)的相位关系,求谐振频率(传输线类型谐振器)将谐振器视为一段两端接有纯电抗性负载(包括开路与短路)将谐振器视为一段两端接有纯电抗性负载(包括开路与短路)Z Z1 1和和Z Z2
10、2的传输线,即线两端全反射的传输线,即线两端全反射 腔体内为纯驻波场行波场来回反射相叠加形成腔体内为纯驻波场行波场来回反射相叠加形成 谐振条件:谐振条件:谐振腔内任一点,行波场同相叠加,相位差为谐振腔内任一点,行波场同相叠加,相位差为2 2 的整数的整数倍,即倍,即谐谐振。振。因因为谐为谐振器内某点振器内某点经经反射后的相位反射后的相位变变化化为为:则谐则谐振条件振条件为为:第十一页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 对于无色散波对于无色散波对于色散波对于色散波 所以当谐振腔的形状、几何尺寸和填充介质给定后,可以有许所以当谐振腔的形状、几何尺寸和填充介质给定后,
11、可以有许多(无穷多个)模可以使之谐振。多(无穷多个)模可以使之谐振。对应着许多不同的谐振频率对应着许多不同的谐振频率 多谐性。多谐性。第十二页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数二二.品质因数(一)固有品质因数(一)固有品质因数 谐振器不与任何外电路相连接(空载)时的品质因数。谐振器不与任何外电路相连接(空载)时的品质因数。固有品质因数的定义为谐振时:固有品质因数的定义为谐振时:Q Q0 0:表征谐振器的损耗的大小、频率选择性的强弱、工作稳定度:表征谐振器的损耗的大小、频率选择性的强弱、工作稳定度的三个重要参数。的三个重要参数。第十三页,讲稿共六十一页哦3.2 微
12、波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数微波谐振腔的微波谐振腔的Q0:Q0:几千几万之间,比集总几千几万之间,比集总LCLC回路高很多回路高很多谐振腔的总储能为:谐振腔的总储能为:第十四页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 谐振器的平均损耗主要由导体损耗引起谐振器的平均损耗主要由导体损耗引起,设导体表面电阻为设导体表面电阻为R RS S,则有则有 式中式中,H,Ht t为导体内壁切向磁场,而为导体内壁切向磁场,而J JS S=nH=nHt t,n,n为法向矢量。为法向矢量。于是有:于是有:第十五页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数
13、因此只要求得谐振器内场分布因此只要求得谐振器内场分布,以及知道工作频率范围、腔体形状、以及知道工作频率范围、腔体形状、尺寸和材料即可求得品质因数尺寸和材料即可求得品质因数Q Q0 0。第十六页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 为粗略估计谐振器内的为粗略估计谐振器内的Q Q0 0值,大致看出值,大致看出Q Q0 0与与V V、S S之间的关系,之间的关系,可以令:可以令:这样就得到:这样就得到:当工作模式一定的时候当工作模式一定的时候 为一常数,用为一常数,用2A2A表示。表示。第十七页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 则则可见
14、可见:Q Q0 0 V/S V/S,应选择谐振器形状使其应选择谐振器形状使其V/SV/S大大;因谐振器尺寸与工作波长成正比即因谐振器尺寸与工作波长成正比即 ,故有故有 ,由于由于 仅为几微米仅为几微米,对厘米波段的对厘米波段的 谐振器谐振器,其其QQ0 0值将在值将在10104 410105 5量级。量级。(二)有载品质因数(二)有载品质因数 谐振器带上负载时腔体的品质因数。有载品质因数的定义谐振器带上负载时腔体的品质因数。有载品质因数的定义 式为:式为:第十八页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数 W W 总储能;总储能;P Pi i 腔本身的损耗功率;腔本身的
15、损耗功率;P Pc c 外外 界负载上损耗的功率;界负载上损耗的功率;P PL L 一周期内总的损耗功率一周期内总的损耗功率 QcQc:耦合品质因数:耦合品质因数 耦合系数耦合系数k k:腔体与外界负载之间的耦合程度。:腔体与外界负载之间的耦合程度。第十九页,讲稿共六十一页哦3.2 微波谐振器的主要参数微波谐振器的主要参数三三.等效电导 等效电导等效电导G G0 0是表征谐振器功率损耗特性的参量。是表征谐振器功率损耗特性的参量。为了方便,实际谐振腔在某单一谐振模式的某谐振频率附近,常为了方便,实际谐振腔在某单一谐振模式的某谐振频率附近,常等效为等效为LCLC回路。回路。注意:图中注意:图中L
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