微波技术圆柱谐振腔
微波谐振腔中场强计算公式
微波谐振腔中场强计算公式摘要：一、引言二、微波谐振腔简介1.定义与作用2.类型及应用三、场强计算公式1.微波谐振腔中场强计算基本原理2.常见微波谐振腔中场强计算公式四、公式推导与解析1.矩形谐振腔中场强计算公式推导与解析2.圆柱形谐振腔中场强计算公式推导与解析五、结论正文：一、引言微波技术在我国的通信、雷达、遥感等领域有着广泛的应用。
微波谐振腔作为微波系统中的重要组成部分，对微波信号的传输、放大、衰减等起着关键作用。
为了更好地理解和设计微波谐振腔，掌握场强计算公式是十分必要的。
本文将详细介绍微波谐振腔中场强计算公式的相关知识。
二、微波谐振腔简介1.定义与作用微波谐振腔是一种具有特定电磁特性的人工结构，能够在腔内产生并增强微波电磁场。
它可以对微波信号进行存储、振荡、放大、衰减等处理，从而实现微波信号的传输、分配和控制等功能。
2.类型及应用微波谐振腔根据其结构和工作原理可分为矩形谐振腔、圆柱形谐振腔、同轴谐振腔等。
这些谐振腔在通信、雷达、遥感等领域有着广泛的应用。
三、场强计算公式1.微波谐振腔中场强计算基本原理微波谐振腔中场强计算是基于麦克斯韦方程组和边界条件进行的。
首先需要求解微波电磁场在腔内的分布，然后根据边界条件求解腔内场强。
2.常见微波谐振腔中场强计算公式针对不同类型的微波谐振腔，其场强计算公式也有所不同。
以下将分别介绍矩形谐振腔和圆柱形谐振腔的场强计算公式。
四、公式推导与解析1.矩形谐振腔中场强计算公式推导与解析矩形谐振腔中场强计算公式为：E = (4*pi*f*Q*L*E_0) / (c*sqrt(2*A*L))其中，E 为腔内电场强度，f 为微波频率，Q 为品质因子，L 为谐振腔长度，E_0 为输入电场强度，c 为光速，A 为矩形谐振腔的面积。
2.圆柱形谐振腔中场强计算公式推导与解析圆柱形谐振腔中场强计算公式为：E = (2*pi*f*Q*L*E_0) / (c*sqrt(2*A*L*R))其中，E 为腔内电场强度，f 为微波频率，Q 为品质因子，L 为谐振腔长度，E_0 为输入电场强度，c 为光速，A 为圆柱形谐振腔的底面积，R 为圆柱形谐振腔的高度。
微波谐振腔
微波技术与天线哈尔滨工业大学（威海）微波谐振器一．引言在微波领域中，具有储能和选频特性的元件称为微波谐振器，它相当于低频电路中的LC振荡回路，它是一种用途广泛的微波元件。
低频LC振荡回路是一个集中参数系统，随着频率的升高，LC回路出现一系列缺点，主要是，①损耗增加。
这是因为导体损耗、介质损耗及辐射损耗均随频率的升高而增大，从而导致品质因数降低，选频特性变差。
②尺寸变小。
LC回路的谐振频率，可见为了提高必须减少LC数值，回路尺寸相应地需要变小，这将导致回路储能减少，功率容量降低，寄生参量影响变大。
因为这些缺点，所以到分米波段也就不能再用集中参数的谐振回路了。
在分米波段，通常采用双线短截线作谐振回路。
当频率高于1GHz时，这种谐振元件也不能满意地工作了。
为此，在微波波段必须采用空腔谐振器作谐振回路。
实际上，我们可以把空腔谐振器（简称谐振腔）看成是低频LC回路随频率升高时的自然过渡。
图7-1-1表示由LC回路到谐振腔的过渡过程。
为了提高工作频率，就必须减小L 和C，因此就要增加电容器极板间的距离和减少电感线圈的匝数，直至减少到一根直导线。
然后数根导线并接，在极限情况下便得到封闭式的空腔谐振器。
二．微波谐振器的基本参量根据不同用途，微波谐振器的种类也是多种多样。
图7-2-1示出了微波谐振器的几种结构。
(a)为矩形腔，(b)为圆柱腔，(c)为球形腔，(d)为同轴腔，(e)为一端开路同轴腔，(f)为电容加载同轴腔，(g)为带状腔，(h)为微带腔。
在这些图中，省略了谐振器的输入和输出耦合装置，目的是使问题简化。
但在实际谐振器中，必须有输入和输出耦合装置。
微波谐振器的主要参量是谐振波长（谐振频率或、固有品质因数Q0及等效电导G0。
图7-2-1 几种微波谐振器的几何形状1、谐振波长与低频时不同，微波谐振器可以在一系列频率下产生电磁振荡。
电磁振荡的频率称为谐振频率或固有频率，记以。
对应的为谐振波长。
是微波腔体的重要参量之一，它表征微波谐振器的振荡规律，即表示在腔体内产生振荡的条件。
微波技术基础10-微波谐振腔的微扰理论
微波谐振腔的微扰理论
在实际应用中，常常需要对谐振器的谐振频率进行微调。
➢ 什么是微扰？
在腔内引入金属调谐螺钉、压缩腔壁或放入介质，使腔 内场分布受到微小扰动（称为微扰）从而引起谐振频率 相应变化。
➢ 计算方法：微扰法—微扰法就是通过微扰前的量来近
似求得微扰后的改变量。
微波谐振腔
微扰分两种情况 （1）腔壁微扰：尺寸微小变化 （2）介质微扰：尺寸不变，腔内介质作微小变化
0
4
V
Ey E*ydV
0abl
16
E1201
带入（6.8-17），最后可得
0 ( r 1)t
0
2b
练习: 在腔体正中央放如一微小介质杆, 求介质的 r
(习题6.21)
如果采用模式TE105，结果有什么区别？？？
微波谐振腔 作业
6.17, 6.21
Continue……
0
V 0 E0 2 0 H0 2 dV
（空腔全填充介质——微扰公式）
微波谐振腔
对于介质微扰的第二种情形：
利用
0 V E0 2 H0 2 dV
0
V 0 E0 2 0 H 0 2 dV
0
V
E0 2 H0 2
dV
V
E0 2 H0 2
dV
可见，有耗介质的实部引起谐振频率偏移， 虚部引起空腔Q0改变。
[例]半径为r0的细金属螺钉从顶壁中央旋入TE101模式 矩形空气腔内深度h，求微扰后谐振频率变化表示式。
解： 未微扰时TE101模式矩形腔的场分量为
x z
Ey E101 sin a sin L
Hx
jE101 ZTE
sin
x
物理实验技术中微波谐振腔的使用与尺寸调控技巧
物理实验技术中微波谐振腔的使用与尺寸调控技巧导语：微波谐振腔是物理实验技术中常用的实验装置，具有广泛的应用。
本文将介绍微波谐振腔的使用方法和尺寸调控技巧，以帮助读者更好地理解和应用这一实验工具。
一、微波谐振腔的基本原理微波谐振腔是由金属壁体构成的封闭结构，能够在特定频率下形成驻波场。
其基本原理是在腔内形成的驻波场中，微波信号可以进行反射、传输和吸收等过程，进而实现信号的转换和测量。
二、微波谐振腔的使用方法1. 脉冲测量法脉冲测量法是微波谐振腔常用的测量方法之一。
通过将腔体与微波源相连，在波导输入端施加一个微弱的脉冲电压。
利用谐振腔的回波特性，可以测得微波源的输出功率、频率稳定度、谐波等参数。
2. 理论计算法微波谐振腔的共振频率可以通过理论计算得到。
根据腔体的几何形状和尺寸，可以利用谐振腔模型的多级耦合方程，经过推导得出共振频率的表达式。
该方法在实验室中广泛应用，有助于优化谐振腔的设计。
三、微波谐振腔尺寸调控技巧1. 腔体长度调控腔体的长度是微波谐振腔的一个关键参数。
通过调节腔体的长度，可以实现对谐振腔频率的调控。
一般情况下，缩短腔体长度会导致谐振频率升高，而延长腔体长度则会导致谐振频率降低。
2. 腔体宽度与高度调控除了长度，腔体的宽度和高度也可以对谐振腔的频率产生影响。
增加腔体的宽度和高度，会导致谐振频率降低；减小腔体的宽度和高度，会导致谐振频率升高。
3. 金属壁体材料选择微波谐振腔的金属壁体一般采用电导率较高的金属材料，如铜、铝等。
这是因为高电导率的金属材料可以降低电阻损耗，提高谐振腔的品质因数 Q 值。
四、微波谐振腔的应用领域1. 高频电子学微波谐振腔在高频电子学领域中应用广泛。
例如，在射频通信系统中，微波谐振腔可用于信号调制、解调、合并和分离等功能。
2. 量子计量学由于微波谐振腔能够提供高速、高灵敏度的信号转换和测量功能，因此在量子计量学中也得到了广泛应用。
例如，在研究微观粒子的测量与操控过程中，微波谐振腔可以用于实现粒子的精确测量和受控操控。
微波谐振腔的原理及设计
微波谐振腔的原理及设计微波谐振腔是一种用于产生或探测微波信号的装置，它是微波技术中非常重要的组成部分。
本文将从原理和设计两个方面介绍微波谐振腔。
一、原理微波谐振腔的原理基于谐振现象，即当微波信号的频率与腔体的固有频率相等时，能量在腔体内部得到最大的传输和储存。
谐振腔通常采用金属腔体，其内部光滑的金属壁面能够反射微波信号，使其在腔内来回传播，形成驻波。
当微波信号的波长等于腔体的长度的整数倍时，驻波达到最大值，这就是谐振现象。
微波谐振腔的固有频率取决于腔体的几何形状和尺寸，通常用谐振模式的编号来表示。
常见的谐振模式包括长方形腔、圆柱腔和球形腔等。
不同的谐振模式有不同的场分布和能量分布特性，可以根据具体需求选择合适的谐振模式。
二、设计微波谐振腔的设计是为了满足特定的工作频率和谐振模式。
设计时需要考虑以下几个因素：1. 腔体的几何形状和尺寸：腔体的形状和尺寸直接影响谐振腔的固有频率和谐振模式。
设计时需要根据工作频率和谐振模式选择合适的腔体形状和尺寸。
2. 材料的选择：腔体通常采用导电材料制作，如铜、铝等。
导电材料能够有效地反射微波信号，提高能量的传输效率。
3. 耦合装置：为了将微波信号引入或从腔体中提取出来，需要设计合适的耦合装置。
常用的耦合装置包括波导耦合和同轴耦合等。
4. 电磁屏蔽和泄漏控制：微波谐振腔中的微波信号很强，容易对周围环境产生干扰。
因此，设计时需要考虑电磁屏蔽和泄漏控制，以减小对周围设备和系统的干扰。
5. 调谐和调制：为了满足不同应用需求，有时需要对微波谐振腔进行调谐和调制。
常用的调谐和调制方法包括机械调谐、电子调谐和压控调制等。
微波谐振腔的设计需要综合考虑上述因素，以实现对微波信号的高效产生和探测。
设计合理的微波谐振腔可以提高微波系统的性能和稳定性，广泛应用于通信、雷达、卫星导航等领域。
总结起来，微波谐振腔是一种基于谐振现象的装置，通过选择合适的谐振模式和设计合理的腔体结构，可以实现对微波信号的高效产生和探测。
微波课件4-微波技术与微波器件-栾秀珍-清华大学出版社
的填充介质无关，仅决定于腔的型式、尺寸和工作模式。
2．品质因数(Q0)
品质因数：描述谐振系统的频率选择性优劣和能量损耗
程度的物理量。
定义：谐振时腔中储能W与一个周期内腔中损耗能量之
比的2π倍，即
Q0
2
W WT
PL :一周期内腔的平均损耗功率 ， WT PL T
对于非色散波(TE于色散波(TE、TM 波)
p g
谐振波长为
1 ( c )2
o
1
1
c
2
p 2l
2
TEM 波
TE 波、TM 波
o
2l p
o
1
1
c
2
p 2l
2
注意：谐振波长 o 是指谐振时电磁波在腔内填充介质中的
介质波长，仅当腔中为真空(或空气填充)时，它才相应于
波节间距 p/2 的整数(p)倍，即
l p p , ( p 1,2,....)
2
p
2l p
结论：在一定的腔体尺寸下，不是任意波长的电磁波都
能在腔中振荡的，只有那些能够在腔中满足一定驻波分
布的电磁波才能够振荡，它们的相波长由腔的尺寸决定，
即
p
2l p
谐振波长：能形成稳定驻波振荡的电磁波所对应的波长。
第 4 章 微波谐振腔
(Microwave Resonant Cavity)
4 . 1 概论 4 . 2 谐振腔的基本参量 4 . 3 矩形谐振腔 4 . 4 圆柱形谐振腔 4 . 5 同轴腔和微带线谐振腔
第 4 章 微波谐振腔
4 . 6 谐振腔的调谐、激励与耦合 4 . 7 谐振腔的等效电路 和它与
第4章--微波谐振腔
QL1 Q01 Qe1
QL
Q0 Qe Q0 Qe
Q0
1 Q0
Qe
第四章 微波谐振腔
二、谐振腔的电磁能量关系及功耗
微波谐振腔中电磁能量关系和集总参数LC 谐振回路中能
量关系有许多相似之处，如图。
第四章 微波谐振腔
但微波谐振器和LC谐振回路也有许多不同之处。 1.LC谐振回路的电场能量集中在电容器中，磁场能量集
3.讨论
1）多模性。m、n、q的不同组合导致多种不同场分布的
谐振模式，记为TE mnq和TM mnq，其中下标m、n和q分
别表示场分量沿波导宽壁、窄壁和腔长度方向上分布的驻 波数。
2）单模谐振。矩形波导中可单模传输TE10,故矩形腔只可 能单模谐振TE10q中之一种。
第四章 微波谐振腔
单模传输TE10条件
(f0D)2的坐标系内，则可得到一系列的
直线，这些直线构成了右图所示的模
式图。即使同一个腔长，对于不同的
模式都会同时谐振于同一个频率上，
这就是圆柱腔存在的干扰模问题。
精品课件！
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第四章 微波谐振腔
为了使谐振腔正常工作，就必须合理选择工作方框，使工 作方框内不出现或少出现不需要的干扰模式。工作方框是以
1、 TM010模
圆波导TM01模的截止波长c = 2.62R和p = 0
圆柱腔TM010模的谐振波长0的计算公式为0 TM010 2.62R
2、TE111模
圆柱腔TE111模的谐振波长0的计算公式
为3、TE011模
0 TE111
1
1 3.41R
2
1 2l
2
圆柱腔TE011模的谐
振波长0的计算公式
2）谐振具有多模性
微波技术基础讲义6—谐振器
0
1 LC
减小L、C，高频时获得较低感抗和容抗
微波技术基础
微波谐振器
用途：
选频 滤波 灵敏测量（波长计、介质测量等）
主要参数：
谐振频率0 品质因数Q
微波技术基础
谐振频率
谐振频率0（f0）
谐振器中该模式的场发生谐振的频率。它是描 述谐振器中电磁能量振荡规律的参量。 在谐振时, 谐振器内电场能量和磁场能量达到 某种电磁平衡，可以自行彼此转换, 故谐振器 内总的电纳（电抗）为零。如果采用某种方法 得到谐振器的等效电路, 并将所有的电纳（电 抗）归算到同一个参考面上, 则在谐振时, 此参 考面上总的电纳（电抗）为零, 即
Wm
1 1 2 1 I L,We I 2 2 4 4 C
0
1 LC
Z in
2 Pin R 2 |I|
Wm We 平均存贮能量 0 Q 0 能量损耗 谐振时 Pl
2Wm Q 0 0 Ploss
2 I L / 4
2
谐振时
I R/2
2
0 L
R
1 0 RC
串联和并联谐振电路
串联谐振电路
输入阻抗
1 Z in R j L C
1 2 I R 2 1 Wm I 2 L 4 We 1 Vc 2 C 4 Ploss Pin
电阻R上损耗的功率
储存在电感L中的平均磁能
1 I2 1 4 2C
储存在电容C中的平均电能
由此可见，当外导体内直径D一定时，Q0是（D/d）的函数 计算结果表明，(D/d) 3.6时，Q0值达最大， 而且在2 (D/d) 6范围内， Q0值的变化不大。
谐振腔原理
谐振腔原理谐振腔是一种能够在内部产生谐振现象的空间结构，是微波器件中常见的一种重要元件。
它可以用来限制电磁波的传播范围，增强电磁波的能量，从而起到放大、选择和稳定电磁波的作用。
谐振腔广泛应用于微波通信、雷达、天线、微波加热、光子学等领域，对于研究电磁波的特性和应用具有重要意义。
首先，谐振腔的基本结构是由金属壁构成的封闭空腔。
其内部有一定的几何形状，如矩形、圆形、椭圆形等。
当电磁波进入谐振腔后，会在内部来回反射，并且与谐振腔的几何尺寸相适应，从而在腔内形成驻波场。
这种驻波场会使电磁波在谐振腔内得到增强，形成共振现象。
这就是谐振腔的基本工作原理。
其次，谐振腔的共振频率与其几何尺寸有密切的关系。
对于矩形谐振腔来说，其共振频率与腔长、腔宽、腔高等参数有关。
当电磁波的频率与谐振腔的共振频率相匹配时，谐振腔内的电磁波将得到增强，从而起到放大的作用。
因此，通过设计不同几何形状和尺寸的谐振腔，可以实现对不同频率的电磁波进行选择和放大，满足不同应用的需求。
此外，谐振腔还可以用来稳定电磁波的频率。
由于谐振腔的共振频率是固定的，当电磁波进入谐振腔后，只有在共振频率附近才能得到增强。
因此，谐振腔可以起到滤波的作用，稳定电磁波的频率，减小频率的波动，提高信号的稳定性和准确性。
最后，谐振腔在微波通信、雷达、天线等领域有着广泛的应用。
在微波通信系统中，谐振腔可以用来放大和选择特定频率的微波信号，提高通信质量和传输距离。
在雷达系统中，谐振腔可以用来接收和发射雷达信号，并对信号进行放大和稳定处理。
在天线系统中，谐振腔可以用来增强天线的辐射效率，提高信号的接收和发射性能。
综上所述，谐振腔作为一种重要的微波器件，具有放大、选择和稳定电磁波的作用，对于微波通信、雷达、天线等领域具有重要的应用价值。
通过对谐振腔的结构和工作原理的深入理解，可以更好地设计和应用谐振腔，推动微波技术的发展和应用。
谐振腔的作用
谐振腔的作用
谐振腔，通信术语，微波技术中作谐振回路的金属空腔。
谐振腔是磁控管和速调管等微波电子管的主要组成部分。
有空心金属腔及同轴腔两种。
前者有矩形、圆柱形、环形等；后者由一端或两端用金属片封闭的一段同轴线制成。
品质因数很高，可达几千或几万。
谐振腔可用于测量微波波长。
1、提供光学正反馈作用
激光器内受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。
振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强;二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。
这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束损耗的变化。
2、对振荡光束的控制作用。
微波谐振腔特性参数的计算和仿真
毕业论文二0一一年六月微波谐振腔特性参数的计算和仿真专业班级：通信工程3班姓名：指导教师：摘要微波谐振腔其内部的电磁场分布在空间三个坐标方向上都将受到限制,均成驻波分布.微波谐振腔在微波电路中起着与低频LC振荡回路相同的作用,是一种具有储能和选频特性的谐振器件.这次主要研究矩形谐振腔和圆柱体谐振腔的特性参数的计算和仿真.计算时用VC++中的MFC编写一个小界面计算工具，当输入变量参数时，类似计算器形式直接输出计算结果，仿真所用软件为HFSS，对矩形谐振腔和圆柱谐振腔进行仿真，输入变量得出仿真结果并与上述结算结果进行比较。
本文首先介绍了微波谐振腔的发展及前景和理论基础知识和MFC,Hfss等软件.然后分别进行了:1.对金属谐振腔中特性参数的特性及计算方式进行深入探讨，学习其基本特性与基本分析方法。
2.矩形谐振腔和圆柱谐振腔特性参数的计算在小界面计算方式方式下表示，并举例输入变量得出计算结果。
3.用Hfss微波技术仿真软件对矩形谐振腔和圆柱谐振腔仿真,与之前的结果进行比较。
4.在小界面计算工具在输入不同尺寸，内部填充不同材料，以及用铜，铁，铝等材料作为谐振腔表面材料等多种情况下计算，得出不同结果，并用仿真软件对矩形及圆柱谐振腔仿真，两组数据比较并得出结果。
本文主要研究金属谐振腔中矩形谐振腔及圆柱谐振腔特性参数的特性及计算方法，对其特性参数的特点，计算方式进行深入研究，然后运用编程软件对其编程，得到一个便捷的计算工具，并对矩形及圆柱谐振腔仿真，计算结果与仿真结果比较来判别计算工具的实用性与便捷性。
关键词：金属谐振腔，特性参数，MFC，小界面，Hfss，仿真AbstractMicrowave resonant cavity of internal electromagnetic field distribution in space three coordinate direction will be limited, all into standing wave distribution. Microwave resonator in microwave circuits plays and low frequency oscillation loop of the same role LC, is one kind has the energy storage and choose the resonance frequency characteristics of the device. The main research rectangular resonant cavity and cylinder of resonance cavity characteristic parameters of the calculation and simulation calculation with vc + +. When the MFC write a small interface calculation tool, when the input variable parameter, similar calculator form output calculation result directly, and the simulation software for HFSS, used for rectangular resonant cavity and cylindrical a rectangular resonant cavity simulation, the input variables that the simulation results and the results were compared with the settlement. This paper first introduces the development of microwave resonator and prospects and theoretical knowledge and MFC, Hfss and software. And then, the:1. To metal in a resonant cavity characteristic parameters of the characteristics and calculation way further discusses the basic characteristics and learning basic analysis method.2. Rectangular resonant cavity and cylindrical resonator parameters calculation in small interface calculated method, and an example is said that the calculation results input variables.3. With Hfss microwave technology simulation software of the rectangular resonant cavity and cylindrical resonant cavity, and the results of the simulation before the comparison.4. In a small interface computing tools in different size, internal filling input, and different material with copper, iron, aluminum and other materials as a resonant cavity surface material, etc cases calculated, different results, and the simulation software of the rectangular cylinder and resonant cavity simulation, two sets of data and compared to obtain the result.This paper makes a study of the metal in a resonant cavity rectangular resonant cavity and cylindrical resonator characteristic parameters of the characteristics and calculation method, and the characteristic parameters of the method for calculating the characteristics, further research and study, and then use of its programming software programming, get a convenient calculation tool, and in rectangular cylinder and resonant cavity simulation, the results and simulation results is discrimination computing tools of practicality and convenience.Keywords:metal resonator, characteristic parameters, MFC, small interface, Hfss,目录第1章绪论 (1)1.1研究背景及概况 (1)1.2谐振腔的发展和应用 (2)1.3本文主要的工作 (3)第2章微波谐振腔的基本理论 (4)2.1 引言 (4)2.2 谐振频率f0的概念与计算方法 (5)2.3 品质因数Q的概念与计算方法 (7)第3章：金属波导型谐振腔 (10)3.1 矩形谐振腔 (10)3.1.1 矩形谐振腔谐振频率f0的计算方法 (13)3.1.2 矩形谐振腔品质因数Q的计算方法 (13)3.2 圆柱谐振腔 (15)第3章微波谐振腔特性参数的计算 (18)4.1 关于MFC (18)4.2 运用MFC进行编写的具体步骤 (18)4.2.1 对矩形腔编程 (19)4.2.2 对圆柱腔编程 (20)4.3 具体数据代入计算 (21)第5章微波谐振腔的仿真 (23)5.1 电磁仿真软件ANSOFT HFSS (23)5.2谐振腔的的仿真步骤 (24)5.2.1 矩形谐振腔的的仿真步骤 (24)5.2.2 圆柱谐振腔的的仿真步骤 (26)5.3 对实验结果进行分析 (27)第6章：总结 (31)参考文献 (32)致谢 (33)微波谐振腔特性参数的计算和仿真第1章绪论1.1研究背景及概况目前，随着移动通信，卫星通信的迅速发展，和通讯设备的进一步向多功能,便携化，全数字化和高集成化方向发展，极大地推动了电子元器件的小型化，片式化和低成本化，以及其间组合化，功能集成化的发展进程。
圆柱重入式谐振腔的理论设计与实验
圆柱重入式谐振腔的理论设计与实验1陈绳乾，王秩雄，黄建仁空军工程大学电讯工程学院，陕西西安 (710077)摘 要：设计了一种用于微波电真空二极管6D3D 整流的圆柱重入式谐振腔结构，利用微波工作室软件，通过计算机辅助设计，找到了最佳的谐振腔尺寸；制作加工了腔体和耦合装置，设计了一套利用双定向耦合器测量谐振频率的方案；实验测量了谐振腔的谐振频率，驻波比和品质因素，测得的谐振频率为2.46GHz ，驻波比为2.0，品质因素为 294，测得的频率与计算机模拟结果相当吻合。
关键词：谐振腔，微波整流，无线输电1 引言在微波输电中，一项关键的技术就是把微波或激光束的能量转变为直流电的整流器技术。
在大功率无线输电中，主要采用快回旋电子束波微波整流器，俄罗斯Торий微波公司的В.К.Росновский和 К.И.Сигорин设计的回旋波整流器输入微波频率2.45GHz ；当输入微波功率10kW 时的转换效率为60％～70％，最高达到83％；输出电压约15kV 。
小功率的微波整流器主要是采用半导体二极管，但是半导体二极管的输出电压一般为10－20V ,功率容量比较小，寿命也不长，而且在线路过载时容易导致雪崩击穿。
近年来，随着微波电子管技术的迅速发展，电子管的性能参数都有很大的改善，很多半导体器件都可以用电子管来代替，并具有更好的性能，利用电子管进行微波整流，功率容量比较大，寿命也长，且不会发生血崩击穿。
本文根据电子管6D3D 的结构和尺寸，设计了利用6D3D 进行微波整流的谐振腔。
2 建模仿真与腔体设计2.1 设计思路微波整流器分为电真空和半导体两类，半导体整流器主要是应用肖特基二极管，它需要一个由微波传输线构成的微波整流座，波导结构的微波整流座比较常见，现在可以做成微带或者贴片天线的形式，利用肖特基二极管进行整流整个波导结构整流装置比较大，而且肖特基二极管整流的功率容量比较小，要想功率容量大些的话就要将许多二极管并联起来，而这又容易导致整个系统的不稳定，只要有一个二极管损坏就可能导致所有二极管过载而全部损坏。
03微波技术第3章微波谐振腔
1
2Δf
:几千至几万之间 此时腔内总的储能为：
0.707
f0
f
：电磁场的幅值
损耗的计算:
对于金属封闭腔，没有辐射损耗，仅 有导体损耗，即
微 波 谐 振 腔
有载品质因数:
微 波 谐 振 腔
三、等效电导（谐振电导）
定义： ：为腔内损耗。所以等效电导是与谐 振腔内损耗功率有关的一个参数。
微 波 谐 振 腔
H111是H 模式中的最低模式,n=i=p=1代入场 表达式：
微 波 谐 振 腔
微 波 谐 振 腔
讨论：a.场结构
b.壁电流：在侧壁上有纵向电流（由Hφ 引起 的），流到侧面，故两者之间必须有良好的接 触，须采用接触式活塞进行调谐。 c.特点：l >2.05a时，为最低模式，单一模式 的频带较宽,但其Q值比TE011模式低近一半，常 用于制作中等精度的带宽频率计。
微 波 谐 振 腔
微 波 谐 振 腔
这种腔的电场和磁场已分布在整个腔内， 再也分不出哪是电场哪是磁场了。
微 波 谐 振 腔
谐振腔的形式有多种多样。一般来
说，任何为导体所包围的空腔无论其形 状如何，都可以作为谐振腔。但实际上， 常用腔的几何形状往往都是有规则的， 如矩形腔、圆形腔和同轴腔。
微 波 谐 振 腔
TEmnp与TMmnp模式当对应的模式标号相同时， 其谐振频率相同，表明矩形腔中存在简并。 对于TMmn0模式谐振波长与对应的TMmn模式截 止波长相等。
三、最低振荡模式
当谐振腔中激励起某一模式的振荡后， 腔内就储有电磁能量，因此谐振腔具有储能特 性，可以证明:谐振时，腔中的电磁场能量保 持不变。
微 波 谐 振 腔
微 波 谐 振 腔
§5-2---圆柱形谐振腔-微波技术基础-课件-PPT
§5－2 圆柱形谐振腔——一、电磁场的表达式
（二）TMmnp
与求TEmnp类似 ▪ 行波状态下，圆波导中TMmn
模： ▪ 圆波导中两个传播方向相反的行波叠加时：
▪ 圆柱形谐振腔， 假定是在z＝0和z＝l处放导体板短路， 则 Er(z=0)= Er(z= l)=0
▪ 缺点： (a) m0,有极化简并 腔体稍有变化就会出现极化简并模，测量误差大 (b) Q值低,约为TE011模的一半
▪ 应用 (a) 适宜于中等精度要求的波长计 (b) 由于能产生极化简并，且在同一fr上又有体积最小的特点 可用作多模频率滤波器的谐振腔体。
§5－2 圆柱形谐振腔——四、常用的三种模式
▪ 一般干扰型
• 与工作波型调谐曲线平行，斜率为(vp/2)2 • 下标p相同，但m、n不同 • 调谐时，不同l有相同fr或同一l有多个fr
▪ 交叉型
• 与工作波型调谐曲线相交,场结构完全不同 • 相交处fr相同，应避免 • 下标m、n、p均不同
▪ 简并型
• 与工作波型调谐曲线完全重合、fr相同 • 场结构完全不同
TE011/TM111
TE211
TM110
TM011
TE111
TM010
D 2 l
§5－2 圆柱形谐振腔——二、谐振频率与波型图——（二）波型图
➢ 单模腔与多模腔
➢ 谐振腔中的几种干扰波型 ▪ 自干扰型
• 场结构在横截面内与所选工作波型分布 规律相同，但纵向场结构和谐振频率不同 • 下标m、n相同，p不同（如TE011与TE012） • 与工作波型耦合最强，难抑制
TE012（自干扰型） TE312 /TM112 TE212 TM012 TE112
微波谐振腔
微波谐振腔
y b
ax 1
z
图 5 – 27 矩形谐振器及其坐标
微波技术
微波谐振腔
下面讨论在主模条件下矩形空腔谐振器的主要参量。
（1）谐振频率f0
f0 c
a2 l2 2al
式中, c为自由空间光速。
(2) 品质因数Q0
Q0
W0
W P1
(kal)3b 2 2RS
1 2a3b 2bl3 a3l al3
微波技术
微波谐振腔
微带 线导带
微带 腔
图 5 – 29 微带谐振器的耦合
微波技术
微波谐振腔
用平行耦合微带线来实现激励和耦合, 如图 5 - 29 所示。 不管是哪种激励和耦合, 对谐振器来说, 外接部分要吸收部分 功率, 因此品质因数有所下降, 此时称之为有载品质因数记作 Ql , 由品质因数的定义得
式中，v为媒质中波速，λc为对应模式的截止波长。
可见谐振频率由振荡模式、腔体尺寸以及腔中填充介质(μ, ε)所确定, 而且在谐振器尺寸一定的情况下, 与振荡模式相对应 有无穷多个谐振频率。
(2)
品质因数Q0是表征微波谐振器频率选择性的重要参量, 它 的定义为
微波技术
微波谐振腔
Q2
2 W
WT
w0
W p1
Q1
w0W P1
w0W P1 Pe
( 1 Q0
1 )1 Qe
, Pl′=Pl+Pe, Pe为外部电路损耗的功率, Qe称为有载品质 因数。一般用耦合系数τ来表征外接电路和谐振器相互影响的
程度, 即
r Q0 Qe
微波技术
微波谐振腔
于是
Q1
Q0
1
《微波技术》[第6章]
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1 U 2 CU 2 2 2 L
1 LC
f0
1
2 LC
合肥工业大学物理学院
讨论：
当外界供给电源频率f=f0时，回路发生谐振。 无损耗，振荡不止。
合肥工业大学物理学院
边界条件z=0处，Hz=0(垂直方向Hn=0, Ht≠0)，所
第 六 章
微 波 谐 振 腔
以D+= -D-→D(反射,位相相差π)，得 m n 2 jz jz H z jk c D(e e ) cos( x) cos( y) a b e jz e jz m n 2 2k c D( ) cos( x) cos( y) 2j a b m n 2 2k c D cos( x) cos( y ) sin( z ) a b 边界条件z=l处，Hz=0，由此得 m n cos( x) cos( y ) sin( l ) 0 βl为π 的整数倍 a b (p=1,2,3,……) sin( l ) 0 l p
合肥工业大学物理学院
4、有载品质因数QL
Q降低。工程上QL更有实用意义。
第 六 章
Q0是无负载品质因数；当有负载时，即对外耦合，
腔体内储存的电磁场总能量 QL 2 一个周期中腔体和耦合系统损耗的能量 谐振时
W0 1 1 1 微 2 ( P0 P )T0 QL Q0 Qe 波 谐 振 其中Qe：耦合；Q0：固有。 腔 Q0越高，振荡回路的选择性越好。Qe越小，耦合
v
2 ( E dl )
b
第 六 章
微波原理与技术
微波原理与技术
微波原理与技术是一门研究微波的传播、辐射和控制的学科，涉及到电磁场理论、波导理论、腔体理论等知识。
微波技术的应用广泛，包括通信、雷达、卫星导航、医疗诊断、无线电频率检测等领域。
微波是一种频率在300 MHz至300 GHz之间的电磁波。
与其他频率的电磁波相比，微波具有波长较短、穿透能力强、传输损耗小的特点，因此在信号传输和通信中被广泛应用。
微波技术中的一个重要概念是谐振腔。
谐振腔可以用来集中微波能量，从而增强微波的辐射或接收效果。
常见的谐振腔包括矩形波导腔、圆柱波导腔和螺旋腔等，它们具有不同的特性和适用范围。
微波技术还包括微波电路的设计与制造。
微波电路主要包括功分器、相移器、滤波器、放大器等器件，以及射频开关、微波传输线等组件。
为了提高微波电路的性能，常常采用微带线、脊线和微波衬底等技术来减小器件的尺寸，降低传输损耗。
此外，微波技术还涉及到微波天线的设计与制造。
微波天线是将电磁波转化为电能或从电能中产生电磁波的装置，直接影响到微波信号的辐射和接收效果。
微波天线的设计包括天线的形状、尺寸和辐射频率等参数的确定，以及天线阵列的配置和相控阵技术的应用。
综上所述，微波原理与技术是一门涉及微波的传播、辐射和控
制的学科，涵盖了电磁场理论、波导理论、腔体理论、微波电路设计与制造以及微波天线设计与制造等内容。
通过研究微波原理与技术，可以实现对微波信号的有效利用和控制，推动微波技术在各个领域的发展和应用。
第十讲 谐振腔
三、简答题
1．微波的概念和特点？ 2．微波发生反射的基本条件? 波导开口时是否有反射波?，为什么？ 四、计算题
设矩形波导中主模的截止频率fc=3GHz，工作频率f=5GHz，求波导波长，相速，群速。
可调圆柱体
环形腔的电感调谐
一、单项选择题
《微波技术基础》测试1
1. 波长为1米的场源，在自由空间中的频率( )
A. 30MHz
B. 300MHz
C. 3000MHz
D. 3MHz
2. 微波从一种介质入射到另一种介质会发生全反射是( )
A. 水到空气
B. 空气到水
C. 空气到玻璃
D. 空气到金属
3. 可以导引电磁波的装置称为导波装置，传播不受频率限制的导波装置是( )
2n1
v f
f
1
谐振频率f 2n1 n为自然数
4l
四、同轴谐振腔
• 实际结构
内导体可移 动，用于改 变谐振频率
可调 l
一段截止圆波导， 防止电磁辐射
2020/3/18
五、 环形谐振腔
1. 谐振波长
（1）等效电容C
C0
S d
0
πb2 d
（2）等效电感L
L 0h ln a
2π b
（3）谐振波长
1
Qd
1
或
11 1
Q QC Qd
介质损耗功率
（三）等效电导G0
G0
2 PL
U
2 m
2020/3/18
C
R
L Um
谐振腔的等效电路
二、矩形谐振腔
矩形谐振腔是由一段两端短路的矩形波导构成，它的
横截面尺寸为ab，长度为l，如下图所示。
第十讲(补) 谐振腔
多个谐振频率；
3、微波谐振器可以集中较多的能量，且损耗较小，因此 它的品质因数远大于LC集中参数回路的品质因数。
一、 微波谐振器的基本参量
x z x
E y 2 k 2 E 0 sin k x x cosk y y sin k z z c E z 2 E 0 sin k x x sin k y y cosk z z H j2 k y E sin k x cosk y cosk z 0 x y z x k c2 m, n 1,2,3, k x H y j2 E 0 cosk x x sin k y y cosk z z p 0,1,2,3, 2 kc H z 0 m、n 、p 不能同时为零
（1）等效电容C
S πb 2 C 0 0 d d
中心轴
d
r
l
（2）等效电感L
L
0 h
2π
ln
a b
(a)
b a (b)
（3）谐振波长
πb
2h a ln d b
环形谐振腔 a）几种不同形状的环形腔
b）剖面尺寸图
五、 环形谐振腔
2. 调谐 （1）电容调谐：通过改变等效电容来调整谐振频率。 （2）电感调谐：通过改变等效电感来调整谐振频率。
（1）谐振波长
TE 101
2al a2 l2
（2）固有品质因数
Q0 a 3
三、圆柱谐振腔
• 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a。应采用两端短路的方 式； • 有无穷多个TE、TM谐振模式，谐振频率可用公 式计算； • 有三种常用谐振模式，场结构各不相同，各有 其优点；可通过合理选择尺寸，得到需要的谐振 φ＝0 模式，抑制其他模式；
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谐振波长l0
l0
l
0
1
mn 2pR
2
p 2l
2
1
mn 2pR
2
p 2l
2
TEmnp 模 TM mnp 模
其中最主要的
(l0 )T E111
1
3.4112 R
2
1 2l
2
l0
T M 010
2.62R
比较可知l＜21R时，(l0) TM010是最低模式。
(32-7) (32-8)
m m
sin
pp
l
z
Ez 0
H r
pp
kcl
H mnpJ
m
(kc
r
)
cos sin
m m
cos
pp
l
z
H
mpp
kc2rl
H
mnp
J
m
(kc
r
)
sin cos
m m
cos
pp
l
z
H z
H
mnp
J
m
(kc
r
)
cos sin
m m
sin
pp
l
z
(32-6)
一、圆柱腔中的场和l0
0 0
j
0
j
0
0
j
r 1 E
z
j
0
r
0
0
H z r 1 H
z
r
(32-3)
一、圆柱腔中的场和l0
于是有
Er
j
k
2 c
r
H z
E
H
r
H
j H z
k
2 c
r
H z
k
2 c
r
r
H z
k
2 c
(32-4)
一、圆柱腔中的场和l0
注意到谐振腔与波导的不同，重新作变换 ， 即
圆柱谐振腔
Cylindrical Resonator
研究z与方矩向形行腔波的场情—况—类也似即，传我输们线以情T况Em。n波为例，先
Hz
Amn
J
m
(
k
c
r
)
cos sin
m m
e
jz
(32-1)
在z=0处放一金属板，Hz=0的全反射条件
Hz
Amn
J
m
(
k
c
r
)
cos sin
m m
(e
jz
e jz )
z
Er
j
k
2 c
r
H z
E
j H z
k
2 c
r
H
r
H
1 2Hz
k
2 c
rz
1 2Hz
k
2 c
r
z
(32-5)
一、圆柱腔中的场和l0
可以得到TEErmnp模jk场c2rm表H达mnp式J m
(kc
r
)
sin cos
m m
sin
pp
l
z
E
j
kc2 H mnp J
m
(kmn (kcr) sin m sin z
一、圆柱腔中的场和l0
其 中 ， kc=mmn/R，mmn 是 m 阶 Bessel 函 数 导 数 的 根。再在z=l处放一金属板，又一次构成Hz=0的全反 射条件。
图 32-1 圆柱谐振腔
一、圆柱腔中的场和l0
由sinbl=0可得到b=pp /l，且
Hz
H
mnp
J
m
(
k
c
r
)
cos sin
m m
sin
pp
l
z
(32-2)
我们再次看到尽管圆柱腔和矩形腔横向截面完全
不同，但是纵向因子 谐振腔的共同特点。
sin plp是z一样的，这正是传输线型
一、圆柱腔中的场和l0
在波导中，横向分量用纵向分量表示得到不变量
矩阵
Ez
Er
E
H
r
H
1 k c2