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1、6 微波谐振器,要求,了解微波谐振器的基本参量； 了解多种微波谐振器的特点； 了解通过法测量谐振腔品质因数。,引言,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。 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。 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。 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。因此微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。,引言,a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；,b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差 。,LC
2、谐振器在微波频段的缺点：,LC谐振器的作用,谐振腔的作用,低频,微波,相异点,LC回路：一个振荡模式和一个谐 振频率,谐振腔： 无限多个振荡模式和无限多个振荡频率,相同点,无损耗时为无功元件, 有损耗时呈纯电阻性。,从LC回路到谐振腔的演变过程,6.1 串联和并联谐振电路,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,推导过程,6.1 串联和并联谐
3、振电路,6.1.2 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.,谐振时,6.1 串联和并联谐振电路,推导过程,6.1 串联和并联谐振电路,讨论,6.1 串联和并联谐振电路,讨论,6.1 串联和并联谐振电路,讨论,6.1 串联和并联谐振电路,讨论,6.1 串联和并联谐振电路,讨论,6.2 传输线谐振器,6.2.1,6.2 传输线谐振器,6.2.2,6.2 传
4、输线谐振器,6.2.3,6.2 传输线谐振器,讨论,6.2 传输线谐振器,讨论,6.3 矩形波导谐振腔,概述,Figure 6.6 A rectangular resonant cavity, and the electric field distributions for the TE101 and TE102 resonant modes.,矩形波导,矩形腔,两端短路边界条件,z = 0 , HZ = 0 ; z = d , Hz = 0,6.3 矩形波导谐振腔,谐振频率,其中，l0 , m、n 中最多只有一个为零。 若bad，则最低谐振模式为TE101/TM110。,6.3 矩形波导谐振
5、腔,6.3.2 TE10l模的Q值,例题6.3 设计一个矩形波导腔P241,微波屏蔽腔的谐振频率,微波屏蔽腔的谐振频率,6.4 圆波导谐振腔,概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l，两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半径为R。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。 主要特点：制造方便，Q值高！,Figure 6.7 Photograph of a W-band waveguide frequency meter. The knob rotates to change the length of the circuit-cavity resonator; the scale gives a
6、readout of the frequency.,Figure 6.8 A cylindrical resonant cavity, and the electric field distribution for resonant modes with,6.4 圆波导谐振腔,谐振频率：推导方法同矩形波导。,Figure 6.9 Resonant mode chart for a cylindrical cavity. from R.E. Collin, Foundations for Microwave Engineering,6.4 圆波导谐振腔,TEnml模式的Q值,TEnml模式的Q值
7、,TEnml模式的Q值,TEnml模式的Q值,Figure 6.10 Normalized Q for various cylindrical cavity modes (air-filled). Foundations for Microwave Engineering,一般情况Q值,例题6.4 圆波导谐振腔的设计P246,6.5 介质谐振腔,概述,Figure 6.11 Geometry of a cylindrical dielectric resonator.,6.5.1 TE01模式的谐振频率,Figure 6.12 Magnetic wall boundary condition
8、approximation and distribution of Hz versus I for p = 0 of the first mode of the cylindrical dielectric resonator.,6.5.1 TE01模式的谐振频率,6.5.1 TE01模式的谐振频率,例题 6.5 介质谐振器的谐振频率和Q值P250,6.6 谐振腔的激励,概述,Figure 6.13 Coupling to microwave resonators. (a) A microstrip transmission line resonator gap coupled to a mi
9、crostrip feedline. (b) A rectangular cavity resonator fed by a coaxial probe. (c) A circular cavity resonator aperture coupled to a rectangular waveguide. (d) A dielectric resonator coupled to a microstrip feedline.,6.6 谐振腔的激励,6.6.1 临界耦合,Figure 6.14 A series resonant circuit coupled to a feedline.,6
10、.6 谐振腔的激励,耦合系数概念,Figure 6.15 Smith chart illustrating coupling to a series RLC circuit.,g1，过耦合,6.6 谐振腔的激励,耦合系数,有载品质因素,6.6 谐振腔的激励,6.6.2 缝隙耦合微带谐振器,1,6.6 谐振腔的激励,6.6 谐振腔的激励,耦合系数的计算,6.6 谐振腔的激励,6.6.3 小孔耦合空腔谐振器,A rectangular waveguide aperture coupled to a rectangular cavity.,6.6 谐振腔的激励,小孔尺寸的计算,补充：通过法测量谐振腔
11、品质因数,3dB法测QL值原理：,科研实例：高温超导谐振器简介,采用高温超导(HTSC)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。 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，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。 国外（杜邦首席沈志远）采用高的TE011模蓝宝石高温超导谐振器在5.56GHz下研制成功了性能优异的高温超导振荡器。 国内研制的高温超导带状线谐振器在S波段Q0值达到26000，其无载品质因数比同类常规器件提高50倍以上。,科研实例：高温超导(HTSC)谐振器简介,该高温超导谐振器采用定向严格
12、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。 理论表明，TE011模电磁场沿方向衰减很快，电磁场的能量主要集中在介质谐振器内及其附近，辐射很小；同时，两端短路的HTSC薄膜的微波损耗极小，因此介质谐振器可呈现较高的Q0值。,两面加载HTSC薄膜的蓝宝石圆柱介质谐振器,科研实例：高温超导谐振器简介,ANSOFT HFSS（5.6版）仿真结果,科研实例：高温超导谐振器简介,利用高温超导微波电路Q值测试系统，对该高温超导谐振器进行了多次从77K到常温的冷热循环测试，该谐振器性能稳定。 图中f08336.298MHz，L7.39dB。利用3dB法测量Q值的公式QLf0/f 可求出QL值达4.1105；再利用公式Q0QL/(1-1/T1/2)和T=1/L，可得Q0值为7.1105。 将这类极高Q值的高温超导谐振器用作振荡器中的稳频元件，可极大地提高振荡器相位噪声指标。采用这类高温超导振荡器研制的微波器件和系统，可应用在航空、航天以及移动通信基站等方面。,
