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谐
2、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 串联和并联谐振
3、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 传输
4、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 矩形波导谐振腔
5、,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 r
6、eadout 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 a
8、pproximation 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 mic
9、rostrip 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：通过法测量谐振腔品
11、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的
12、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。,
