圆柱形谐振腔 微波技术基础 课件.ppt
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圆柱形谐振腔 微波技术基础 课件.ppt
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可看作是两端用导体板封闭的一段圆波导长为l,半径为R,结构、坐标系如图所示,52圆柱形谐振腔,优点:
具有较高的固有品质因数Q调谐方便结构坚固且易于加工制作等,因此得到广泛应用,例如:
可用作谐振回路、波长计和回波箱等,分析方法:
场叠加方法,与圆波导中的模式TEmn和TMmn模式相对应,在圆柱腔内有TEmnp和TMmnp两种模式,52圆柱形谐振腔,一、电磁场的表达式,
(一)TEmnp,行波状态下,圆波导中TEmn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z0和zl处放导体板短路,则,52圆柱形谐振腔一、电磁场的表示式TE模,在三个方向上均呈纯驻波状态p/l(p=1,2,3,)不同于圆波导中那样可以取任意值,已知Hz,且Ez0,由纵横关系可求得横向分量,52圆柱形谐振腔一、电磁场的表示式TE模,TEmnp场分量为:
多谐性:
当腔体尺寸(R,l)和填充介质(、)给定时,腔内可存在无穷多谐振模式,对应有无穷多个谐振频率,52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z0和zl处放导体板短路,则Er(z=0)=Er(z=l)=0,52圆柱形谐振腔一、电磁场的表示式TM模,已知Ez,且Hz0,由纵横关系可求得横向分量,52圆柱形谐振腔一、电磁场的表示式TM模,TMmnp场分量为:
同样具有多谐性,52圆柱形谐振腔,二、谐振频率与波型图,
(一)谐振频率,52圆柱形谐振腔二、谐振频率与波型图,
(二)波型图,为反映圆柱腔谐振频率与谐振模式及腔体尺寸的变化关系将fr与腔内直径D、腔长l的关系绘出波型图(又称模式图),对于给定的模式,(frD)2与(D/l)2的关系在波型图上是一条直线,通常腔中填充的是空气,v3108m/s=31010cm/s。
若以cm为长度单位,Hz为频率单位,则得,若将fr和尺寸表示成两个无量纲的量(frD/v)2与(D/l)2所得模式图可适用于不同尺寸的圆柱腔,52圆柱形谐振腔二、谐振频率与波型图
(二)波型图,每条直线表示一种或几种谐振波型的谐振频率与腔体尺寸D和l的关系,即工作模式的调谐曲线,在设计可调谐圆柱腔中非常有用,由D和l可确定fr;由D和fr也可确定l,已知调谐范围(和Q0),可利用图选定谐振波型、D以及l的变化范围;并要求在调谐范围内不出现或少出现干扰波型,已知D以及l变化范围,则可利用图选定谐振波型以及工作频率变化范围,并从图中判断出,各种可能出现的各种干扰波型,52圆柱形谐振腔二、谐振频率与波型图
(二)波型图,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,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,简并型,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,与工作波型调谐曲线完全重合、fr相同场结构完全不同,单模腔与多模腔,52圆柱形谐振腔二、谐振频率与波型图
(二)波型图,工作方块,52圆柱形谐振腔二、谐振频率与波型图
(二)波型图,凡模式线穿过工作方块就是可能出现的干扰模式.通过选择和l1及l2,改变工作方块的位置及大小,可抑制非简并模,52圆柱形谐振腔,由前可知,若已知谐振腔的工作波型、频率范围、填充介质和腔体内表面的材料,则可求得Q0:
圆柱形谐振腔中,三、固有品质因数及等效电导G,固有品质因数,等效电导G,52圆柱形谐振腔,场表达式:
四、常用的三种模式,
(一)TE011模,场结构,52圆柱形谐振腔四、常用的三种模式
(一)TE011模,特点:
(电场只有分量,磁场只有r,z分量)场结构比较稳定腔壁表面只有沿方向的电流,损耗小且随频率增加而减小,(a)可利用非接触式活塞进行调谐便于制作、磨损小、还可抑制一些干扰模式,缺点:
不是最低次模,,(b)可用于高Q值要求的应用,如高精度的波长计/频率计、稳频腔和回波箱等;,体积大因此同样工作频率范围情况下,对应腔体体积大;但在毫米波段,体积大反而有利于加工工作频率带窄(存在简并模TM111)为了抑制其他干扰模,需要限制使用的频率范围,一般为1.2:
1,52圆柱形谐振腔四、常用的三种模式,场表达式:
(二)TE111模,场结构,52圆柱形谐振腔四、常用的三种模式
(二)TE111模,优点:
当腔长l2.1R时,TE111模是腔中的最低次模式,(a)可避免干扰模的影响,调谐范围较宽(b)体积小,缺点:
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。
52圆柱形谐振腔四、常用的三种模式,场表达式:
(三)TM010模,场结构,即l2.1R时,TM010为最低振荡模式;反之为TE111模,52圆柱形谐振腔四、常用的三种模式(三)TM010模,特点:
1)场结构简单稳定、有明显的电场和磁场的集中区;具有轴对称性,无极化简并;2)l2.1R时,TM010模是腔中的最低次振荡模式,可避免干扰模影响,且体积最小;但Q0值低,比TE011模低,适合于精度要求不高的波长计等应用3)调谐范围宽(r=2.62R与l无关)通常在腔的一个端面中央插入导体棒(不再是纯粹的TM010模),通过调节其插入深度来调谐,可调范围大,可作宽带振荡器;4)Ez集中在r=0的轴心附近,可用于测量介质介质常数的微扰腔;5)轴心附近有较强的纵向电场,可用于微波管、加速腔;,
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