谐振腔谐振频率与几何尺寸的探讨

河北科技师范学院本科毕业论文（设计）摘要PAGEIIPAGEI摘要PAGEI摘要谐振腔腔壁由导体组成，是产生高频振荡的有效工具；是比LC回路运用更广的振荡元件；本文对真空中谐振腔与谐振频率的关系做了详细的讨论；当谐振腔中有介质存在时，对谐振频率的影响也做了详细的推导，并对不同性质的介质对谐振频率的影响做了分类讨论，最后将不同情况下得出的谐振频率的结论加以总结，从而得出谐振腔谐振频率不受谐振腔尺寸限制的结论，对传统理论有了进一步的发展；为探索和设计新颖的谐振腔提供理论依据。为设计合理的谐振腔提供现实的理论价值。关键词：谐振腔；谐振频率；左手介质；右手介质；几何尺寸AbstractResonatoriscomposedbyconductorschamberwall,Itistheeffectivetoolsproducehigh-frequencyoscillatory,ThanLCcircuitisusedmorewidelyoscillationcomponent;Foravacuumresonatorandtheresonantfrequencyofrelationshipdiscussedindetail;Whenresonator,havemediahaveresonancefrequencyeffecttodoadetailedderivation,andthedifferentnatureofthemediaontheresonancefrequencyeffectofclassification,finallydiscussedthedifferentcasesobtainedtheconclusionsummarizedtheresonantfrequency,soastoobtaintheresonancefrequencyfromresonatorresonatorsizerestrictionsontraditionaltheory,theconclusionhasbeenfurtherdevelopment;Forexplorationandnoveldesignprovidesthetheorybasisfortheresonator.Todesignthereasonableresonatorproviderealistictheoreticalvalue.Keywords:Resonantcavity；Theresonantfrequency；Left-handedmedium;Therighthandmedium;Geometrydimension目录PAGEIVPAGEII目录目录摘要 IAbstract I1绪论 11.1问题的提出 11.2论文研究背景与意义 12真空谐振腔的谐振频率与几何尺寸 22.1一定频率下电磁波基本方程 22.2谐振腔的截止频率 43谐振腔填充介质后的谐振频率 63.1填充普通介质（右手介质） 73.1.1填充普通介质时的基本方程 73.1.2填充普通介质时谐振频率的变化 93.2填充特殊介质（左手介质） 103.2.1左手介质简介 103.2.2左手介质存在的可能 103.2.3填充左手介质时谐振频率的变化 12结论 12参考文献 13致谢 14PAGE101绪论1.1问题的提出在实际当中运用的电磁波是用具有特定频率的线路或元件激发的，低频无线电波采用LC回路产生振荡。在LC回路中，集中分布于电容内部的电场和集中分布于电感线圈内部的磁场交替激发，它的振荡频率，如果要提高谐振频率，必须减小L或C的值。频率提高到一定限度后，具有很小的L和C值的电容和电感不能再使电场和磁场集中分布于它们的内部，这时向外辐射的损耗会随频率的提高而增大。因此，LC回路不能有效的产生高频振荡。在微波范围，通常采用谐振腔来产生高频振荡。谐振腔是腔壁由导体组成的它是产生高频振荡的有效工具，微波谐振腔的用途很广。从电路的角度来讲，它具备LC谐振单元具备的一切性质，比如选模等，使得它在滤波器、匹配电路甚至天线的设计里有广泛应用。但显然它内部场分布更为复杂，对于特定结构的谐振腔体，具备特有的谐振模式和谐振频率，这使得它在振荡器的设计中显得至关重要。另外，在很多电真空器件中，将慢波结构安置在谐振腔中，使得电子与外加电场作用，从而产生特定频率信号的辐射。当然，很多寄生谐振也是由于谐振腔产生的结果，实际电路设计中应尽量避免。总之，谐振现象在微波电路中广泛存在，无论是从电路的角度还是从场的角度，只要涉及到谐振的概念，谐振腔就扮演着重要的角色。因而对它的研究有很高的应用价值。但其谐振频率受其尺寸的限制。因此，本文重点来研究谐振腔谐振频率与几何尺寸的关系。1.2论文研究背景与意义由于近几年电磁波的广泛应用，电磁波的研究已经引起广泛关注。但是，关于电磁波的谐振腔谐振频率与谐振腔尺寸的关系并未受到重视。对于二者是否相互相关，我们并不是很清楚，对于谐振腔谐振频率与几何尺寸与其关系更没有系统和清楚的认识。电动力学及电磁场理论和电磁波与微波技术等的一些内容对这些问题有一定的研究，多数都为一些简单的最常见的谐振腔的研究而且其内容大致都是谐振腔的频率，品质因素，耗散功率等的研究，并没有对谐振腔谐振频率与几何尺寸进行研究和讨论。况且，在实际当中运用的电磁波是用具有特定频率的线路或元件激发的，低频无线电波采用LC回路产生振荡。在LC回路中，集中分布于电容内部的电场和集中分布于电感线圈内部的磁场交替激发，它的振荡频率，如果要提高谐振频率，必须减小L或C的值。频率提高到一定限度后，具有很小的L和C值的电容和电感不能再使电场和磁场集中分布于它们的内部，这时向外辐射的损耗会随频率的提高而增大。因此，LC回路不能有效的产生高频振荡。谐振腔既可以实现LC达到的效果，也可以产生理想的高频电磁波，在实际应用当中也很广泛，因而对它的研究有很高的应用价值，但其谐振频率受其尺寸的限制；因此，我想通过本文的研究为探索和设计新颖的谐振腔提供现实的可能，为设计合理的谐振腔提供理论价值。2真空谐振腔的谐振频率与几何尺寸谐振腔是产生电磁波的主要元件，最常见的就是真空谐振腔；真空谐振腔虽然最为常见，实际运用也最广；但是，谐振腔产生电磁波的频率受其自身大小的影响。因此，下面我将从麦克斯韦方程出发推导出真空谐振腔谐振频率与几何尺寸的关系。2.1一定频率下电磁波基本方程考虑矩形谐振腔且腔内为真空（），又腔壁为理想导体;所以，我们利用理想导体的边界条件和麦克斯韦方程以及在直角坐标系下的亥姆霍兹方程的解法即可得到在真空情况下的关系：由麦克斯韦方程；(2.1.1)(2.1.2)(2.1.3)(2.1.4)在真空中时有，,则取（2.1.1）式的旋度有：(2.1.5)由（2.1.3）式可知；;则（2.1.5）式的左边由矢量分析公式得：(2.1.6)将（2.1.6）式代入（2.1.5）式得；(2.1.7)同样在利用（2.1.2）、（2.1.4）式可以得到磁场的方程：(2.1.8)令(2.1.9)则（2.1.7）、（2.1.8）方程可写为(2.1.10)(2.1.11)以上两式（2.1.10）（2.1.11）式电磁波在空间中的传播波动方程;该方程的解为波动形式的。因此，可写成方程：(2.1.12)(2.1.13)另一方面，在真空时我们将（2.1.12）、(2.1.13)式代入麦克斯韦方程组，消去共同因子(2.1.14)(2.1.15)(2.1.16)(2.1.17)需要注意的是以上方程并不是相互独立的，我们取（2.1.1，这式子左边展开得；两边相等即得：(2.1.18)(2.1.19)（2.1.18）式称为亥姆霍玆（Helmholtz）方程，其中该方程得解必须满足（2.1.16）式；这里需要注意的是E的下脚标表示不含时间变量的电场强度。2.2谐振腔的截止频率我们现在所要研究的谐振腔腔壁是以理想导体做成的，因此，在边界上满足理想导体边界条件；对于电场而言，电场在理想导体边界面上的法向分量是连续的；切向分量是不连续的；磁场法向分量是不连续的，切向分量是连续的。因此有：(2.2.1)(2.2.2)(2.2.3)(2.2.4)现在将（2.1.18）式在直角坐标系下分解并令为E的任意直角分量，有(2.2.5)用分离变量法，令(2.2.6)(2.2.5)分解为三个方程：(2.2.6)(2.2.7)(2.2.8)(2.2.9)我们设矩形谐振腔的三边长分别为a,b,c；则(2.2.6),(2.2.7),(2.2.8)三式的合解为；(2.2.10)由(2.2.1)式的边界条件，把具体化为E的各分量，如果我们考虑，它对x=0壁而言是法向分量，所以有，因此在(2.2.10)式中不取~,而对于y=0,z=0时是切向分量，由(2.2.1)式可知(2.2.10)不取和项。同理我们对和也可以做相同的考虑。由此可得(2.2.11)(2.2.12)(2.2.13)我们再考虑面上的边界条件，得，和必须为的整数倍，即（m,n,p=0,1,2………）(2.2.14)其中，m,n,p分别表示沿矩形三边所含的半波数目。在(2.2.11)至(2.2.13)中分别含三个任意常数A,B和C。由方程，它们之间应满足关系(2.2.15)所以，A,B,C中只有两个是独立的。当满足关系(2.2.14)和(2.2.15)式时，(2.2.11)至(2.2.13)式代表腔内的一种谐振波模。对于每一组的值，有两个独立偏振波模。谐振频率由（2.2.9）和（2.2.14）式给出(2.2.16)其中，（m,n,p=0,1,2………）称为谐振腔的本征频率；由(2.2.16)式可以看出谐振腔的本征频率除与和相关外还和谐振腔的几何尺寸有关；在这里我们只讨论除a,b,c外其他相关参量为定值（即m,n,p取某一值时或谐振波模相同）的情况，因此，我们很明显可以看出，本征频率随a,b,c的值增大而减小，随a,b,c的值减小而增大；因此，当我们想得到较高频率的电磁波时可以减小谐振腔的几何尺寸，但谐振腔的缩小尺寸要适当。当我们取本征频率时，即m=1,n=1,p=0时我们由若此时我们取，则有最低的本征频率，而此时对应的谐振频率为：（2.2.17此时，对应的频率为在此种波模的最小谐振频率，该谐振腔不能产生小于截止频率的电磁波。因此，我们所要选择的缩小的尺寸要适当正是如此。3谐振腔填充介质后的谐振频率前一节我们推导真空谐振腔谐振频率与几何尺寸的关系；接下来我看另外二种情形。如果，我们不改变谐振腔的尺寸，向谐振腔里填入各种不同介质；谐振频率会发生怎样的变化；为了弄清这个问题下面将从两方面解决此问题。3.1填充普通介质（右手介质）“右手介质（材料）”是指一种介电常数和磁导率同时为正值的介质（材料）。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合右手定律，因此称之为“右手介质（材料）”；因为，其自然界大量存在，所以右称自然介质。3.1.1填充普通介质时的基本方程设真空谐振腔内的原电场为和，谐振频率为，腔内电磁场满足的麦克斯韦方程为：（3.1.1）（3.1.2）腔内填充介质（右手介质）以后，若其介质参数为和，谐振频率变为，腔内电磁场变为和，满足的麦克斯韦方程变为；（3.1.3）（3.1.4）对（3.1.2）式和（3.1.3）式做如下处理，同时代入下式得；（3.1.5）同理对（3.1.1）和（3.1.2）式做如下处理有：，同时代入下式得；（3.1.6）然后，再将（3.1.5）式与（3.1.6）式相加并两边同时写成积分形式，同时用高斯公式将左边换成面积分形式有；=（3.1.7）在经典电动力学里，我们知道电场在介质界面的法向分量是连续的，其切向分量为零，我们在谐振腔腔壁内边界上同样利用这一特点，假设（3.1.7）式研究所包含的空间为V，V是由有向曲面S所包围的空间，则在其边界上我们将令，同时在边界上我们有电场的切向分量为零所以有,现在我们对（3.1.7）式做如下变换；（3.1.8）由（3.1.8）式推出（3.1.7）式的左边最终得零，因此我们就有；（3.1.9）从（3.1.9）的推导来看无论右边的参量因子是什么只要其形式是电场与电场共轭的内积加上磁场与磁场共轭的内积共同对整个空间做体积分，其结果总是为零。所以，我们可以任意写出相似的其他公式来只要符合（3.1.9）式，为了我们以后的证明我写出如下形式的式子；（3.1.10）现在我们将（3.1.9）加上（3.1.10）可以得到：}dV=0（3.1.11）再将（3.1.11）式变形为，（3.1.12）我们将（3.1.12）式继续变形，即两边同除以参量，则可以得如下式子：（3.1.13）从（3.1.13）式我们可以看出谐振腔的谐振频率与谐振腔里的介质建立了一个明显的关系表达式，我们知道真空中的磁导率和电容率（）是一个稳定的常数且为正值，我们为了验证某一电磁波在相同的谐振腔里有无介质时，介质对谐振频率的影响，这里我们利用对比的方法。3.1.2填充普通介质时谐振频率的变化我们从（3.1.13）式的左边式子可以看出是谐振腔的谐振频率两种情况下的频率差；而分母是谐振腔充满介质时的谐振频率，不可能为零；所以左边是有意义的且表示两种情况下的谐振腔频率的变化率。（3.1.14）从（3.1.14）若填充介质的相对磁导率和相对介电常数很小的话可用原场、代替新场、，所以得：（3.1.15）由（3.1.15）式可以看出我们只需要讨论分子的参量因子的关系既可以判断出该式的变化规律。需要说明的是虽然上下都是体积分形式；因为，他们积分号内的参数因子与，与并不相同，在积分时并不相等，所以上下积分号不能去掉。在这里我们只研究普通介质（自然介质）对谐振频率的影响，值得注意的是虽然（3.1.15）与（3.1.14）看上去完全相同但是此处的电容率和磁导率所包含的意义更广。在此我们还需要进行进一步分析；对我们理论而言当有；，将其代入到（3.1.15）时我们可得出（3.1.16）所以得（3.1.17）从（3.1.17）得推导过程与结论来看，当我们把某一介质放到谐振腔里（腔内不是真空时）谐振腔的谐振频率与真空时相比变小了。3.2填充特殊介质（左手介质）“左手介质（材料）”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的介质（材料）。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此称之为“左手介质（材料）”。它具有负相速度、负折射率、理想成像、等物理性质。3.2.1左手介质简介1967年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(left-handedmaterials,LHM)，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。从此，材料世界翻开了新的一页。3.2.2左手介质存在的可能左手材料到目前为止在自然界中并未发现，但早在1967你就有前苏联物理学家Veselago推导其存在的可能下面我们利用麦克斯韦方程来推导：我们知道，单色波在各向同性的介质中传播波矢量与频率满足：（3.2.1）其中，式中的为均匀介质的折射率，且（3.2.2）在（3.2.2）式中物质的磁导率和介电常数同时为负值时，（3.2.1）式中的结果并未发生改变，因此，我们可以得到两种结果，即前一节我们已经讨论了和，现在我们来看当同时小于零时；由麦克斯韦方程；有(3.2.3)对于单色波而言，麦克斯韦方程可表示为：（3.2.4）由上式可看出，当时，将形成左手关系。在1998年，PendryJB提出一种周期排列且单元尺寸远小于波长的金属开口环结构谐振器（SRRS），开口环谐振器在受到微波磁场的作用会产生感应电流，如磁矩一样加强或抵消原磁场。在谐振频率处会出现负磁导率。（3.2.5）其中，F为谐振器在一个单元的填充因子，为依赖于（SRRS）结构的谢振频率，为等离子频率，为损耗因子，当时，出现负值。3.2.3填充左手介质时谐振频率的变化上面我们从理论上和现实中都已经说明了磁导率和介电常数同时为负的介质可以人工做成。由此，我们令我们把它们代入（3.1.14）式得（3.2.6）由（3.2.6）式我们可得；>0,所以我们得出的结论是；当对同一谐振腔，真空时的谐振频率与加入左手介质时的谐振频率相比要小，因为，我们由>0(3.2.7)得(3.2.8)因此，当谐振腔内充有左手介质时其谐振频率会增大。当我们想要得到较高频率的电磁波时，可以往谐振腔内填入左手介质同样可以实现得到高频率电磁波的目的。结论真空谐振腔的谐振频率与几何尺寸本文第一节根据电动力学的知识推导出真空谐振腔的谐振频率公式，并由此公式得出频率随a,b,c的值增大而减小，随a,b,c的值减小而增大；而且，由此公式推出了谐振腔的截止频率，当我们想得到较高频率的电磁波时可以缩小谐振腔的尺寸，但，由于有截止频率的限制谐振腔不能无限缩小，它要满足截止频率的条件。此处，谐振腔的功能和LC振荡电路相似，在此种情况下，我们需要改变谐振腔的尺寸才能实现谐振频率的变化。谐振腔填充介质后的谐振频率在谐振腔内填入介质时，其谐振频率的变化是；一，当我们填入右手介质时其谐振频率的变化是减小（）；二，当我们填入左手介质时其谐振频率的变化是增大（）。在此种情况下我们不需要改变谐振腔的大小同样能实现谐振频率的变化。参考文献[1]郭硕鸿.电动力学[M].第2版．北京：高等教育出版，2001．[2]毛钧杰，刘荧，朱建清，电磁场与微波工程基础.北京：电子工业出版社，2004.[3]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M]．第4版．北京：高等教育出版社，2001[4]林璇英,张之翔.电动力学题解[M].北京:科学出版社,2000.254.[5]毕德显．电磁场理论．北京：电子工业出版社，1985[6]卢荣章．电磁场与电磁波基础．北京：高等教育出版社，1990[7]全泽松．电磁场理论．成都：电子科技大学出版社，1995[8]杨儒贵．电磁场与波．西安：西安交通大学出版社，1989．177～179[9]徐永斌等．工程电磁场基础．北京：北京航空航天大学出版社，1991．422424[10]高建平．电波传播．沈阳航空工业学院(内部教材)，1999．43