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1、第五章 常用微波元件,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),二,.,主要技術(shù)指標(biāo),第四章 微波諧振腔,1.,諧振頻率,f,0,或諧振波長(zhǎng),0,：,指諧振腔中該模式的場(chǎng)量發(fā)生諧振時(shí)的頻率，它是描述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參量。,2.,諧振模式,3.,品質(zhì)因數(shù),4-2,微波諧振腔的品質(zhì)因數(shù),品質(zhì)因數(shù),Q,是微波諧振器的一個(gè)主要參量，它描述了諧振器選擇性的優(yōu)劣和能量損耗的大小，其定義為,一,.,品質(zhì)因數(shù)定義,式中,W,0,為諧振器中的儲(chǔ)能，,P,L,為諧振器中的損耗功率。,1.,固有,品質(zhì)因數(shù),Q,0,（空載）：,式中 為諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的磁能的時(shí)間平均值,為諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的電能的時(shí)

2、間平均值,為諧振腔自身?yè)p耗功率,代表諧振腔本身質(zhì)量的優(yōu)劣，值大表明腔本身功耗小，自身質(zhì)量?jī)?yōu)良。,第四章 微波諧振腔,2.,外部,品質(zhì)因數(shù),Q,e,：,式中,為與諧振腔相連接的外部負(fù)載消耗的功率,代表諧振腔向外部負(fù)載提供能量的效率高低。,3.,有載,品質(zhì)因數(shù),Q,L,：,衡量整個(gè)諧振系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的綜合參量。,第四章 微波諧振腔,二、諧振腔的電磁能量關(guān)系及功耗,微波諧振腔中電磁能量關(guān)系和集總參數(shù),LC,諧振回路中能量關(guān)系有許多相似之處，如圖。,第四章 微波諧振腔,但微波諧振器和,LC,諧振回路也有許多不同之處。,1.LC,諧振回路的電場(chǎng)能量集中在電容器中，磁場(chǎng)能量集中在電感器，而微波諧振器是分布參

3、數(shù)回路，電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量是,空間分布,的；,2,.,LC,諧振回路只有一個(gè)諧振頻率，而微波諧振器一般有無限,多個(gè)諧振頻率,另外，微波諧振器有不同的,諧振模式,(,即諧振波型,),；,3.,微波諧振器可以集中較多的能量，且損耗較小，因此它的,品質(zhì)因數(shù),遠(yuǎn)大于,LC,集中參數(shù)回路的品質(zhì)因數(shù)。,第四章 微波諧振腔,第四章 微波諧振腔,腔內(nèi)電場(chǎng)能量時(shí)間平均值,腔內(nèi)磁場(chǎng)能量時(shí)間平均值,諧振時(shí)：,腔內(nèi)總的電磁能量時(shí)間平均值：,1.,電能與磁能,第四章 微波諧振腔,2.,腔體功耗,3.,固有品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式,4,3,同軸諧振腔,同軸諧振腔通常分為,/2,型、,/4,型及電容加載型三種。,(,一,),/2,

4、型同軸諧振腔,結(jié)構(gòu),/2,型同軸諧振腔由兩端短路的一段長(zhǎng)度為,l,的,同軸線構(gòu)成，長(zhǎng)度,l,取半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。,第四章 微波諧振腔,2.,諧振條件,由上式可導(dǎo)出諧振波長(zhǎng),0,與腔體長(zhǎng)度,l,的關(guān)系為,第四章 微波諧振腔,得諧振條件：,第四章 微波諧振腔,2,）諧振具有,多模性,4.,固有品質(zhì)因數(shù)（,TEM,模下）,當(dāng),(,b/a,)=3.6,時(shí)，同軸腔的品質(zhì)因數(shù),Q,0,達(dá)最大。,3.,討論,1,）諧振具有,多諧性,。,n,0,時(shí) 得最短諧振長(zhǎng)度,或得最大諧振波長(zhǎng),對(duì)應(yīng)最低諧振頻率,第四章 微波諧振腔,(,二,),/4,型同軸諧振腔,結(jié)構(gòu),/4,型同軸諧振腔由一端短路，另一端開路的一段長(zhǎng)度為

5、,l,的,同軸線構(gòu)成，長(zhǎng)度,l,比,/2,的整數(shù)倍多,/4,。,/4,型同軸諧振腔,第四章 微波諧振腔,2.,諧振條件,諧振時(shí)應(yīng)滿足：,由上式可導(dǎo)出諧振波長(zhǎng),0,與腔體長(zhǎng)度,l,的關(guān)系為,得諧振條件：,第四章 微波諧振腔,3.,討論,1,）多諧性。,n,0,時(shí) 得最短諧振長(zhǎng)度,或得最大諧振波長(zhǎng),對(duì)應(yīng)最低諧振頻率,2,）諧振具有多模性,3,）為減少開路端的輻射損耗，延長(zhǎng)外導(dǎo)體形成一段截止圓波導(dǎo)，應(yīng)取,(,三,),電容加載型同軸諧振腔,電容加載型同軸諧振腔，總長(zhǎng)度為,l+d,的同軸線一端短路，另一端將內(nèi)導(dǎo)體截掉,d,長(zhǎng)度之后，將外導(dǎo)體用金屬板封閉，如右圖所示。,諧振條件：,滿足諧振條件的,C,值由

6、右式確定,如果將縫隙電場(chǎng)近似看作均勻分布，則式中,C,可按平板電容公式計(jì)算,0,為空氣的介電常數(shù)，,a,為同軸腔內(nèi)導(dǎo)體半徑，,d,為縫隙寬度。,第四章 微波諧振腔,4,4,矩形諧振腔,矩形諧振腔是由一段兩端短路的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，它的 橫截面尺寸為,a,b,，長(zhǎng)度為,l,，如下圖所示。,第四章 微波諧振腔,1.,諧振條件,結(jié)構(gòu)與半波長(zhǎng)同軸腔相同，故諧振長(zhǎng)度,l,應(yīng)為半個(gè)諧振,相波長(zhǎng)的整數(shù)倍，得諧振條件,式中,c,為波導(dǎo)中相應(yīng)模式的截止波長(zhǎng)。,得關(guān)系式,(,諧振條件,),第四章 微波諧振腔,3.,討論,1,）多模性。,m,、,n,、,q,的不同組合導(dǎo)致多種不同場(chǎng)分布的諧振模式，記為,TE,mnq,和

7、,TM,mnq,，其中下標(biāo),m,、,n,和,q,分別表示場(chǎng)分量沿波導(dǎo)寬壁、窄壁和腔長(zhǎng)度方向上分布的駐波數(shù)。,2,）單模諧振。矩形波導(dǎo)中可單模傳輸,TE,10,故矩形腔只可能單模諧振,TE,10q,中之一種。,第四章 微波諧振腔,單模傳輸,TE,10,條件,TE,10q,模的諧振條件,得,TE,10q,?？芍C振條件為,故，取 時(shí)，只有,TE,10q,?？芍C振。,此時(shí)，諧振波長(zhǎng)為 。,在眾多諧振模中，,TE101,為最低諧振模。,4-5,圓柱諧振腔,圓柱諧振腔是由一段長(zhǎng)度為,l,，兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成，其圓柱腔半徑為,R,。圓柱腔中場(chǎng)分布分析方法和諧振波長(zhǎng)的計(jì)算與矩形腔相同。,式中,m,、,n,和

8、,p,分別表示場(chǎng)分量沿沿圓周、半徑和腔長(zhǎng)度方向分布的駐波數(shù)。,第四章 微波諧振腔,(,一,),三種常用諧振模式,圓柱腔中最常用的三個(gè)諧振模式為,TM,010,模、,TE,111,模和,TE,011,模。下面分別說明這三種諧振模式的特點(diǎn)和應(yīng)用。,1,、,TM,010,模,圓波導(dǎo),TM,01,模的截止波長(zhǎng),c,=2.62,R,和,p,=0,圓柱腔,TM,010,模的諧振波長(zhǎng),0,的計(jì)算公式為,2,、,TE,111,模,圓柱腔,TE,111,模的諧振波長(zhǎng),0,的計(jì)算公式為,3,、,TE,011,模,圓柱腔,TE,011,模的諧振波長(zhǎng),0,的計(jì)算公式為,第四章 微波諧振腔,(,二,),模式圖,對(duì)于圓柱

9、腔,TE,mnp,諧振模，有,對(duì)于圓柱腔,TM,mnp,諧振模，有,若取不同的,m,、,n,和,p,值，將上面兩式畫在橫坐標(biāo)為,(,D,/,l,),2,，縱坐標(biāo)為,(,f,0,D,),2,的坐標(biāo)系內(nèi)，則可得到一系列的直線，這些直線構(gòu)成了右圖所示的模式圖。即使同一個(gè)腔長(zhǎng)，對(duì)于不同的模式都會(huì)同時(shí)諧振于同一個(gè)頻率上，這就是圓柱腔存在的干擾模問題。,第四章 微波諧振腔,精品課件,！,精品課件,！,為了使諧振腔正常工作，就必須合理選擇工作方框，使工作方框內(nèi)不出現(xiàn)或少出現(xiàn)不需要的干擾模式。工作方框是以工作模式的調(diào)諧直線為對(duì)角線，由最大和最小的,(,f,0,D,),2,和相對(duì)應(yīng),(,D,/,l,),2,所確定的區(qū)域。設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，對(duì)所選的工作模式都可確定其相應(yīng)的工作方框，方框的中心位置由固有品質(zhì)因數(shù)來確定。方框的高度由工作頻帶來確定，在工作方框中任何非對(duì)角線模式，都是不需要的干擾模式。這些干擾模會(huì)影響諧振腔正常工作。因此，選擇工作方框時(shí)，應(yīng)盡量避免干擾模進(jìn)入工作方框。,在設(shè)計(jì)圓柱諧振腔時(shí)，應(yīng)盡可能消除干擾模的影響，除了,合理選擇工作方框,，移動(dòng)方框的中心位置或縮小工作方框，使干擾模不出現(xiàn)在工作方框內(nèi)以外，還可以,合理選擇激勵(lì)和耦合機(jī)構(gòu),，使干擾模不被激勵(lì)，或者使已出現(xiàn)的干擾模無法耦合輸出。,第四章 微波諧振腔,