第6章微波谐振器ppt课件

1、Microwave Technique6 微波谐振器微波谐振器要求要求 了解微波谐振器的基本参量；了解微波谐振器的基本参量； 了解多种微波谐振器的特点；了解多种微波谐振器的特点； 了解通过法测量谐振腔品质因数。了解通过法测量谐振腔品质因数。Microwave Technique引言引言p 微波谐振器微波谐振腔），广泛应用于滤波器、振荡器、频率计微波谐振器微波谐振腔），广泛应用于滤波器、振荡器、频率计及可调谐放大器中。及可调谐放大器中。p 它相当于低频集中参数的它相当于低频集中参数的LC谐振回路，是一种基本的微波元件。谐振回路，是一种基本的微波元件。p 微波谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重

2、要组成部分。微波谐振腔是速调管、磁控管等微波电子管的重要组成部分。p 微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此微在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。Microwave Technique引言引言a. a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；尺寸变小，储能空间小，容量低；b. b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大，损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增

3、大， 品质因数低，频率选择性差品质因数低，频率选择性差 。uLCLC谐振器在微波频段的缺点：谐振器在微波频段的缺点：uLCLC谐振器的作用谐振器的作用u谐振腔的作用谐振腔的作用低频低频微波微波相异点相异点LC回路：一个振荡模式和一个谐回路：一个振荡模式和一个谐 振频率振频率谐振腔：谐振腔： 无限多个振荡模式和无限多个振荡频率无限多个振荡模式和无限多个振荡频率相同点相同点无损耗时为无功元件无损耗时为无功元件, 有损耗时呈纯电阻性。有损耗时呈纯电阻性。Microwave Technique从从LC回路到谐振腔的演变过程回路到谐振腔的演变过程LCfao 21)( N,dC,L,f0)b(并联N,df

4、o)c()d(连续N,df0)e(df0Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 6.1.1串联谐振电路Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.谐振时谐振时RZin RCRLQ001 LC10 Microwave Technique推导过程推导过程Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n

5、6.1.2 6.1.2 并联谐振电路并联谐振电路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 谐振时谐振时Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 推导过程推导过程Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique

6、6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论fILP /1f2f0f0P20Pf dB3Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique6.1 串联和并联谐振电路串联和并联谐振电路n 讨论讨论Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 6.2.1Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 6.2.2Microwave Technique6.2 传输

7、线谐振器传输线谐振器n 6.2.3Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 讨论讨论Microwave Technique6.2 传输线谐振器传输线谐振器n 讨论讨论Microwave Technique6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔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矩形波导矩形波导zjzmneybnxamA

8、H )cos()cos(矩形腔矩形腔)cos()cos()(ybnxameAeAHzjzjzmnmn 两端短路边界条件两端短路边界条件z = 0 , HZ = 0 ; z = d , Hz = 00 AA)sin)(cos()cos(2zjybnxamAHmnZ 6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔n 谐振频率谐振频率Microwave Technique0sin dmn ldmn3 , 2 , 1l222)()()(dlbnamkmnl 222)()()(22dlbnamcckfrrrrmnlmnl n 其中，其中，l0 , m、n 中最多只有一个为零。中最多只有一个为零。n 若若bad，则

9、最低谐振模式为，则最低谐振模式为TE101/TM110。0)sin)(cos()cos(2)( djybnxamAdHmnZ 222222211 dlbnamdlcmnl 221012laalTE mnmnk Microwave Technique6.3 矩形波导谐振腔矩形波导谐振腔n 6.3.2 TE10l模的Q值111 dcQQQ tgPWQded120 33233223022122addalbdbalRkadPWQscec 例题例题6.3 设计一个矩形波导腔设计一个矩形波导腔P241Microwave Technique微波屏蔽腔的谐振频率微波屏蔽腔的谐振频率Microwave Tech

10、nique微波屏蔽腔的谐振频率微波屏蔽腔的谐振频率Microwave TechniqueMicrowave TechniqueMicrowave Technique6.4 圆波导谐振腔圆波导谐振腔n 概述：圆柱谐振腔是由一段长度为概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为径为R R。圆柱腔中场分布分析方法和。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。谐振波长的计算与矩形腔相同。n 主要特点：制造方便，主要特点：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 圆波导谐振腔圆波导谐振腔n 谐振频率：推导方法同矩形波导。谐振频率：推

12、导方法同矩形波导。 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 圆波导谐振腔圆波导谐振腔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一般情况一般情况Q值值例题例题6.4 圆波导谐振腔的设计圆波导谐振腔的设计P246Microwave Technique6.5 介质谐振腔介质谐振腔n 概述概述Figur

14、e 6.11 Geometry of a cylindrical dielectric resonator.Microwave Technique6.5.1 TE01模式的谐振频率模式的谐振频率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模式的谐振频率模式的谐振频率M

15、icrowave Technique6.5.1 TE01模式的谐振频率模式的谐振频率例题例题 6.5 介质谐振器的谐振频率和介质谐振器的谐振频率和Q值值P250Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励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 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.1 临界耦合临界耦合Figure 6.14 A series resonant circuit coupled to a feedline.Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 耦合系数概念耦合

17、系数概念Figure 6.15 Smith chart illustrating coupling to a series RLC circuit.n g1，过耦合，过耦合Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励耦合系数耦合系数有载品质因素有载品质因素Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.2 缝隙耦合微带谐振器缝隙耦合微带谐振器1谐振条件谐振条件Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 耦合系数的计算耦合系数的计算Mic

18、rowave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 6.6.3 小孔耦合空腔谐振器小孔耦合空腔谐振器A rectangular waveguide aperture coupled to a rectangular cavity. lxxljlXZjYZyLLL tantancot00为为小小孔孔的的归归一一化化电电抗抗。0/ ZLxL 为为小小孔孔的的归归一一化化电电抗抗。0/ ZLxL 时发生并联谐振。时发生并联谐振。0tan Lxl Microwave Technique6.6 谐振腔的激励谐振腔的激励n 小孔尺寸的计算小孔尺寸的计算Microwave Technique

19、补充：通过法测量谐振腔品质因数补充：通过法测量谐振腔品质因数3dB法测法测QL值原理：值原理：212112ggggIL 200PPLffQ )1(21ggQQLu fILP /1f2f0f0P20Pf dB3Microwave Technique科研实例：高温超导谐振器简介科研实例：高温超导谐振器简介n 采用高温超导采用高温超导(HTSC)薄膜制作的微波器件，具有噪声低、损耗小、薄膜制作的微波器件，具有噪声低、损耗小、体积小、重量轻等优异性能。体积小、重量轻等优异性能。n 目前，高温超导微波器件的发展趋势为系列化、小型化、实用化和目前，高温超导微波器件的发展趋势为系列化、小型化、实用化和商品化

20、，其研究主要集中在高温超导高谐振器、低插损滤波器、商品化，其研究主要集中在高温超导高谐振器、低插损滤波器、多工器和高稳定低相噪信号源等方面。多工器和高稳定低相噪信号源等方面。n 国外杜邦首席沈志远采用高的国外杜邦首席沈志远采用高的TE011模蓝宝石高温超导谐模蓝宝石高温超导谐振器在振器在5.56GHz下研制成功了性能优异的高温超导振荡器。下研制成功了性能优异的高温超导振荡器。n 国内研制的高温超导带状线谐振器在国内研制的高温超导带状线谐振器在S波段波段Q0值达到值达到26000，其无载，其无载品质因数比同类常规器件提高品质因数比同类常规器件提高50倍以上。倍以上。 Microwave Techniquez0zL蓝宝石0a高温超导薄膜z科研实例：高温超导科研实例：高温超导(HTSC)谐振器简介谐振器简介n 该高温超导谐振器采用定向严格的高纯度单晶蓝宝石圆柱，两端面接地板均为在直径50mm的LaAlO3单晶片上采用磁控溅射工艺制作的YBCO高温超导薄膜，谐振器工作模式为TE011模。n 理论表明，TE011模电磁场沿方向衰减很快，电磁场的