微波谐振器.pptx
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1、第第4章章 微波谐振器微波谐振器 引言引言 一、定义一、定义:它是和低频它是和低频LC谐振回路相对应的微波电路谐振回路相对应的微波电路,其作用和低频其作用和低频LC谐振回路相似谐振回路相似.三、采用谐振腔而不采用低频谐振回路的原因三、采用谐振腔而不采用低频谐振回路的原因 在米波以上的微波波段,在米波以上的微波波段,集中参数集中参数的的LC 谐振电路谐振电路无法使用,经常使用相应波段的传输线形成谐振器件,无法使用,经常使用相应波段的传输线形成谐振器件,这种谐振器件称为这种谐振器件称为谐振腔谐振腔。二、用途二、用途:微波振荡电路微波振荡电路;微波放大器微波放大器;波长计波长计;滤波滤波器等器等,和
2、低频谐振回路相同和低频谐振回路相同.因为随着频率升高,必须减小电感量和电容量,因为随着频率升高,必须减小电感量和电容量,但是当但是当LC 很小时,很小时,分布参数分布参数的影响不可忽略。电容的影响不可忽略。电容器的器的引线电感引线电感、线圈之间以及器件之间的、线圈之间以及器件之间的分布电容分布电容必须考虑。这就意味着,在米波以上波段,很难制必须考虑。这就意味着,在米波以上波段,很难制造造单纯单纯的电容及电感元件。的电容及电感元件。此外,随着频率升高,回路的此外,随着频率升高,回路的电磁辐射电磁辐射效应也较效应也较显著,电容器中的显著,电容器中的介质损耗介质损耗也随之增加,这些因素也随之增加,这
3、些因素导致集中参数的谐振电路的品质因数导致集中参数的谐振电路的品质因数Q 值值(能量角度能量角度定义和低频相同定义和低频相同)显著下降。显著下降。四四、谐振腔的主要参数:谐振腔的主要参数:谐振波长谐振波长和和品质因数品质因数。4.1 4.1 谐振回路的基本性质谐振回路的基本性质 4.1.1 4.1.1 谐振回路中的储能谐振回路中的储能 一、串联与并联谐振回路一、串联与并联谐振回路二、谐振回路中的储能公式二、谐振回路中的储能公式(和是否谐振无关和是否谐振无关)4.1.2 4.1.2 品质因数与谐振频率品质因数与谐振频率 一、谐振电路的复阻抗一、谐振电路的复阻抗二、谐振频率二、谐振频率1.1.串串
4、 2.2.并并 1.1.串串 1.1.串串 2.2.并并 2.2.并并 三、谐振电路的能量平均值及储能的特点三、谐振电路的能量平均值及储能的特点1.1.串联串联 2.2.并联并联 储能特点储能特点:集总参数谐振回路集总参数谐振回路(包括串联与并联包括串联与并联)谐振谐振时时,如电能最大如电能最大,则磁能最小则磁能最小,反之亦然反之亦然;电能或磁能的最大电能或磁能的最大值都等于总的平均储能值都等于总的平均储能,故谐振时虽然电储能与磁储能时故谐振时虽然电储能与磁储能时刻变化刻变化,但只是它们之间周期性的相互转化但只是它们之间周期性的相互转化(如无耗如无耗,则不则不需补充能量需补充能量,如有耗如有耗
5、,还需周期性地补充其损耗还需周期性地补充其损耗);从能量的从能量的角度来说角度来说,集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与磁储能之间相互转化的过程磁储能之间相互转化的过程,谐振频率即为电储能与磁储谐振频率即为电储能与磁储能之间相互转换的频率能之间相互转换的频率.四、品质因数四、品质因数 (无载品质因数无载品质因数)1.1.能量定义能量定义 2.2.串、并联谐振时的形式串、并联谐振时的形式 为谐振时存储的总平均能量为谐振时存储的总平均能量 谐振回路谐振时总的损耗平均功率谐振回路谐振时总的损耗平均功率 4.1.3 4.1.3 有载品质因数有载品质因数 一、
6、外观品质因数一、外观品质因数 谐振时损耗在由负载等效而来的电阻上的功率谐振时损耗在由负载等效而来的电阻上的功率 二、有载品质因数二、有载品质因数 三、三个品质因数之间的关系三、三个品质因数之间的关系4.2 4.2 微波谐振器的基本参数微波谐振器的基本参数 4.2.1 4.2.1 谐振波长谐振波长 一、谐振频率一、谐振频率 由前面的讨论可知由前面的讨论可知,集总参数谐振回路谐振时集总参数谐振回路谐振时,如电能如电能最大最大,则磁能最小则磁能最小,反之亦然反之亦然,并且电能或磁能的最大值都并且电能或磁能的最大值都等于总的平均储能等于总的平均储能,故谐振时虽然电储能与磁储能时刻变故谐振时虽然电储能与
7、磁储能时刻变化化,但只是它们之间周期性的相互转化但只是它们之间周期性的相互转化(如无耗如无耗,则不需补则不需补充能量充能量,如有耗如有耗,还需周期性地补充其损耗还需周期性地补充其损耗).因此因此,从能量的从能量的角度来说角度来说,集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与集总参数的谐振回路的振荡过程即为电储能与磁储能之间相互转化的过程磁储能之间相互转化的过程,谐振频率即为电储能与磁储谐振频率即为电储能与磁储能之间相互转换的频率能之间相互转换的频率.在微波频段若某种元器件中也只在微波频段若某种元器件中也只进行电场能量和磁场能量之间的相互转换进行电场能量和磁场能量之间的相互转换(即形成纯驻波即形成纯
8、驻波),则这种元器件即为微波谐振器则这种元器件即为微波谐振器.其谐振频率也为电场能其谐振频率也为电场能量和磁场能量之间转化的频率量和磁场能量之间转化的频率.二、谐振波长二、谐振波长 三、三、的计算公式的计算公式定义定义:谐振频率在无限大均匀理想介质空间所对应的波长谐振频率在无限大均匀理想介质空间所对应的波长.2.2.推导推导 3.3.注意事项注意事项 1.1.公式公式 a.此公式只对传输线型谐振器适用,因为它是从微波传输线理论得到的;b.谐振波长的多值性,由前面矩形波导截止波数的多值性及后面学习的传播常数的多值性可得到证明.4.2.2 4.2.2 微波谐振腔的品质因数微波谐振腔的品质因数 一、
9、定义一、定义:和集总参数谐振回路相同和集总参数谐振回路相同二、计算公式二、计算公式三、多值性三、多值性 1.1.电储能电储能(最大值最大值)或磁储能或磁储能(最大值最大值)或总储或总储能公式能公式(4-17)(4-17)式式,其中的场量为最大值其中的场量为最大值 2.2.损耗公式和品质因数公式损耗公式和品质因数公式 因不同振荡模其场分布不同因不同振荡模其场分布不同,品质因数不同品质因数不同,故故谐振器的品质因数与谐振波长一样是对某一模式谐振器的品质因数与谐振波长一样是对某一模式而言的而言的,即品质因数具有多值性即品质因数具有多值性.前言前言 4.1 谐振回路的基本性质谐振回路的基本性质4.2
10、微波谐振器的基本参数微波谐振器的基本参数 重点内容重点内容一、重点物理量一、重点物理量(概念概念)1、微波谐振腔、微波谐振腔二、谐振波长的计算公式二、谐振波长的计算公式三、谐振器件谐振状态下能量具有的特征三、谐振器件谐振状态下能量具有的特征2、三个品质因数、三个品质因数3、谐振频率、谐振频率四、微波谐振器的谐振波长和品质因数具有多值性四、微波谐振器的谐振波长和品质因数具有多值性4、谐振波长、谐振波长五、了解微波谐振器采用腔结构的原因五、了解微波谐振器采用腔结构的原因4.3 4.3 矩形金属谐振腔矩形金属谐振腔 构成构成:由一段两端面封闭的矩形波导由一段两端面封闭的矩形波导(形成纯驻波形成纯驻波
11、)加加上适当的激励与耦合装置上适当的激励与耦合装置,即成为一个实际的谐振器即成为一个实际的谐振器(本本节只讨论腔体本身节只讨论腔体本身)1.1.场分布见场分布见(4-27)(4-27)式式,给出推导给出推导 4.3.1 4.3.1 矩形谐振腔中的振荡模矩形谐振腔中的振荡模(名称类似于波导中的名称类似于波导中的传输模式传输模式)一、一、TE型振荡模型振荡模 确定振荡模过程的实质和方法确定振荡模过程的实质和方法:实质为求出腔内的实质为求出腔内的电磁场分布电磁场分布;方法为在利用矩形波导传输线结果的基础方法为在利用矩形波导传输线结果的基础上再加上另外两个端面的边界条件上再加上另外两个端面的边界条件.
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