微波

微波报告
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微波谐振器
本学期，我们学习了有关于微波的许多东西，可谓是收获良多。

当然在学习微波的过程中，我们也会了解到许许多多的微波元件。

在众多的元件当中，微波谐振器是微波系统中的一个最基本的元件。

它广泛应用于振荡器，放大器，滤波器，频率计等器件中。

微波谐振器的工作情况和电路理论中的LC 集总参数谐振电路类似，在微波电路中也起着储能和选频的作用。

在一个LC 并（或串）联电路中，当激励源的信号频率与LC 电路的谐振频率0f 相同时，源的能量储存在LC 电路中。

磁场能量集中在电感线圈，电场能量集中在电容器中，并且电场能力最大时，磁场能量为零；磁场能量最大时，电场能量为零。

电能与磁能随时间不停地互相转换，转换频率是谐振频率的两倍。

这时若从谐振电路耦合输出，则输出信号的频率就是谐振频率0f 。

在微波波段同样需要这样的储能和选频，但是由于频率太高，集总参数的LC 谐振电路已失去了作用，因此需要微博分布参数的电路来实现。

一段理想的终端短路（或开路）传输线，沿线的电磁场是驻波分布。

若在距终端短路（或开路）面半波整数倍处再加一短路（或开路）面，显然其内部的场仍是驻波分布。

在此谐振器内，电场能力最大时，磁场能量为零；磁场能量最大时，电场能量为零。

电能与磁能随时间不停地互相转换，其能量转换关系与LC 谐振电路一致。

所不同的是电能和磁能分布在整个结构中，不能截然分开，这主要是由于传输线上分布参数作用的结果。

因此在微波波段，一段两端短路（或开路）的传输线起到的作用与LC 串并联电路所起的作用完全一样。

微波谐振器用于描述性能的特性参数与集总LC 谐振电路不同，它们是谐振波长0λ，谐振器的品质因数Q 及谐振器的等效损耗电导G 。

这三个量既有确切的物理意义，又可通过测量得到。

谐振波长0λ：1、谐振波长就是工作波长。

在谐振器内填充空气介质时，f c/0=λ，并且谐振波长与谐振器的尺寸、传输模式有关。

2、对于TEM 摸谐振器，同一谐振器可对应无数个谐振波长0λ；同一工作波长，可对应无数个谐振器的结构尺寸。

因此是一个单模多谐系统。

3、非TEM 波传输线型谐振器是一种多模、多谐系统。

4、若传输线两端接的不是理想电壁（或磁壁），则0λ还与加载情况有关。

品质因数Q ：品质因数Q 是谐振器的一个基本特性参数，Q 值的大小与谐振器的损耗有关。

无论是集总参数谐振回路，还是微波分布参数电路的谐振器，品质因数的定义均为Pl W 2Q 0ωπ==耗能谐振器在一个周期内的谐振器内的储能
等效电导G ：等效电导G 表示谐振器功率损耗的大小，定义为：2l ||P 2G u =
其中U 为广义传输线的模式电压。

由于模式电压不唯一，所以G 值不是单值。

微波谐振器的结构形式很多，即可由TEM 波和非TEM 波传输线构成，也可以由非传输线的特殊腔体构成。

无论是何种结构的谐振器，要获得对其的完整理论描述，必须得从电磁场方程出发，解其满足特定边界条件的场方程，所以场理论是分析微波谐振器的基本理论。

但对于单模工作的传输线型谐振器，用分布参数的等效“路”理论来研究更为方便，因此在这
里主要讨论微波谐振器的基本特性，传输线型谐振器的等效电路与设计公式和几个基本的微波谐振器，对场分析法不作叙述，只给出场分析的一些重要结论。

任何的一个单模微波谐振器都可以看作是一个单端口网络。

由网络理论可知，在某一频点上，任何单端口网络都可用集总参数的R （或G ）LC 串（或并）联电路来等效。

但是要使这种等效不局限在某一点频上，就需要增加一些等效条件。

在这里，串联和并联电路分开来进行了讨论。

串联谐振频率的特性：1、在0w 附近，电阻R 不随频率变化，是个常数。

2、在w=0w 时，电抗X 等于零。

3、在0w 附近，电抗斜率是个常数，并且大于零。

当微波谐振器在谐振频率点附近满足上诉条件时，就可以等效为一RLC 的串联谐振电路。

电路中的元件L 、C 的值可由电抗斜率参数χ确定。

并联谐振频率的特性：1、在0w 附近，电导G 不随频率变化是一个常数。

2、在w=0w 时，电纳B 等于零。

在0w 附近，电纳斜率是个常数，并且大于零。

当微波谐振器在谐振频率点附近满足上诉条件时，就可以等效为一GLC 的串联谐振电路。

电路中的元件L 、C 的值可由电纳斜率参数B 确定。

因此等效条件就是看微波谐振器在谐振频率点附近对外呈现的频率特性，与一个集总参数的R(G)LC 谐振电路对外呈现的频率特性是否完全相同。

若一样，就可以彼此相互等效。

另外，传输线谐振器等效电路的参数也是极其重要的。

串联谐振器中主要研究了半波长终端短路谐振器和1/4波长终端开路谐振器。

在0w 附近，半波长终端短路谐振电路的输入阻抗的频率特性符合串联谐振电路的特性，所以在0w 附近将其等效为集总参数的RLC 串联谐振电路，等效电路的参数为2
00000000002000000)()1(j 1,1)(22
αλπλχχ
χλλπχαλαp in p R L w Q w w w w j R wC wL R Z W C W L c
w w z n z p n l z R ==-+=-+======
== 在0w 附近，1/4波长终端开路谐振器谐振电路的输入阻抗的频率特性符合串联谐振电路的特性，所以在0w 附近将其等效为集总参数的RLC 串联谐振电路，等效电路的参数为 2
0000000002000000)()1(1,1)(4124
12R αλπλχχχ
λλπχαλαp in p p R L w Q w
w w w j R wC wL j R Z w C w L C w L w Z n Z n l Z ==-+=-+=====+=
+==
并联谐振电路包括半波长终端开路谐振器和1/4波长终端短路谐振器。

在0w 附近，半波长终端开路谐振电路的输入导纳的频率特性符合串联谐振电路的特性，所以在0w 附近将其等效为集总参数的GLC 串联谐振电路，等效电路的参数为
2
00000002000000)(1,1)(22Y G αλπλλλπαλαp in p p Q w
w w w j G j G Y w L w C L w C w Y n Y n l =-B +=B +=B
=B ====
B =
= 在0w 附近，1/4波长终端短路谐振电路的输入导纳的频率特性符合串联谐振电路的特性，所以在0w 附近将其等效为集总参数的GLC 串联谐振电路，等效电路的参数为
2
00000002000000)(
1,1)(4124
12G λπλλλπαλαp in p p Q w w w w jB G Y B
w L w C L
w C w Y n Y n l Y =-+==B ===+=B +== 在前面我们总的叙述了一下微波谐振器。

同时我们也应该了解一下具体的实用的微波谐振器。

首先，了解到的就是同轴谐振腔，比较常用的有λ/2,λ/4及电容加载型。

λ/2谐振腔：腔的长度l 固定时，对应有无穷多个谐振波长；反之，当谐振波长0λ固定时，对应有无穷多个谐振长度。

相邻两个谐振长度之差0λ/2。

这表明谐振腔具有多谐性。

两端短路的同轴腔腔体为0λ/2的整数倍，故称为二分之一波长型同轴谐振腔。

λ/4同轴腔内导体长度为0λ/4的奇数倍，故称为四分之一波长型同轴谐振腔。

波导谐振腔也是比较常见的一种。

矩形波导的主传输模式为10TE 波，故最低的谐振模式为101TE 模，谐振波长为220112
l a +=λ，矩形腔的固有品质因数与腔体尺寸关系为
332
20)2()2(Q a b l l b a l a abl
++++=δ。

将长度为l 的圆形波导两端用理想电壁封闭就构成圆形谐振腔。

常用谐振模有010TM 、111TE 、011TE 三种。

带线状与微带线状谐振器也同样经常遇到。

其中带线状谐振器分为λ/2、λ/4两种结构形式。

微带线状谐振器的品质因数Q 值在X 波段以下主要取决于微带的导体损耗，在X 段以上则不容忽视微带基片的介质损耗，以及表面波导致的辐射损耗，它们都会使Q 值下降，使微带的性能变差。

介质谐振器由一段介质传输线构成。

为了使介质谐振器有明显的边界以及缩小谐振器的体积，介质谐振器由高介电常数和低损耗的介质材料制成，以使尽可能多的电磁波能量集中在介质谐振器内部。

介质谐振器的介质块可以是圆柱体，长方体或环状圆柱体。

介质谐振器若采用高介质电常数低损耗的介质材料，与其他传输线型谐振器相比，在相同的谐振频率下，其几何尺寸要小得多。

因此，在小型化的微波元部件中，介质谐振器的应用有着广阔的前景。

任何的实际的谐振器都有耦合电路，为了简化分析，总是将实际谐振器分解成耦合电路和谐振电路的组合。

谐振器用串联电路还是并联电路等效与谐振器和外电路的连接方式有关。

谐振器的激励和耦合本质上是一类问题。

通常我们用物理观点来定性地解释，可以归结为以下几点：
1、应用某种激励装置，它能在被激励的一侧建立起这样的电场分布，这种电场分布与所希望建立的波形的电场分布相一致。

2、应用某种激励装置，它能在被激励的一侧建立起这样的磁场分布，这种磁场分布与所希望建立的波形的磁场分布相一致。

3、应用某种激励装置，它能在被激励的一侧电壁上建立起这样的高频电流，这种电流分布与所希望建立的波形的电流分布相一致。

微波谐振腔与外电路的耦合结构随传输线类型的不同可以多种多样。

就电磁作用来分，大体有三类：1、电场耦合，即通过电场使谐振腔与外电路相耦合，有时又称为电容耦合，这一类耦合有电容膜片或探针。

2、磁场耦合，即通过磁场使谐振腔与外电路相耦合，故又称为电感耦合，这一类耦合结构有电感膜片或耦合环，3、电磁耦合，即通过电场和磁场使谐振腔与外电路相耦合，这一类耦合有耦合小孔，总之，采取哪种方式应根据谐振腔的类型及外接传输线的形式来确定。

对于微波谐振器的学习大致就如上所述。

通过这段时间的学习，我了解了许多的东西，扩展了课外的知识，收获非常丰富。