第五章微波諧振腔1課件

第5章微波諧振腔

§5.1

概論

§5.2

諧振腔的基本參量

§5.3

同軸腔和微帶線諧振腔

§5.4矩形諧振腔

§5.5

圓柱形諧振腔

§5.6

諧振腔的調(diào)諧、激勵(lì)與耦合

§5.7

諧振腔的等效電路和它與外電路的連接第5章微波諧振腔(MicrowaveResonantCavity)§5.1

概述一、低頻LC諧振回路向微波諧振腔的過(guò)渡

二、諧振腔中振蕩的物理過(guò)程三、諧振腔的分類一、低頻LC諧振回路向微波諧振腔的過(guò)渡在低頻段，諧振器是用集中參數(shù)的電感和電容構(gòu)成的

LC

串聯(lián)或并聯(lián)電路。

但是，到了微波波段，如果仍用集中參數(shù)的LC諧振電路，就會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題。1）由于微波波段的波長(zhǎng)很小，LC諧振電路的幾何尺寸能夠與電磁波的波長(zhǎng)相比擬，這將很容易引起輻射效應(yīng)；

2）若要減小元件的幾何尺寸，不僅會(huì)降低諧振電路的工作容量，而且還會(huì)引起元件機(jī)械強(qiáng)度下降；3）微波波段工作頻率高，電磁波的趨膚效應(yīng)加劇，熱損耗增大，介質(zhì)損耗也增大；

4）輻射損耗，導(dǎo)體熱損耗以及介質(zhì)損耗增大，將使諧振電路品質(zhì)因數(shù)

Q

下降。

由此可見，在微波波段不能用

LC電路作諧振器。在微波波段用封閉的空腔體來(lái)作諧振器，稱為諧振腔。諧振腔可以認(rèn)為是由諧振電路演化過(guò)來(lái)的，如圖5.1-1所示。圖5.1-1

集中參數(shù)的LC

諧振電路演變?yōu)橹C振腔結(jié)構(gòu)示意圖

微波波段頻率較高，需要大大地減小電容量和電感量，可以拉大

LC諧振電路電容器兩極板之間的距離減小電容量，再拉直電感線圈減小電感量。

并聯(lián)若干根直導(dǎo)線進(jìn)一步降低電感量，直至直導(dǎo)線的根數(shù)增多到無(wú)限多根，成為封閉的空腔體。

這樣就由LC

諧振電路過(guò)渡成了諧振腔。圖5.1-1

集中參數(shù)的LC

諧振電路演變?yōu)橹C振腔結(jié)構(gòu)示意圖1）由于諧振腔是一個(gè)空腔體，避免了輻射損耗。2）腔體有較大的內(nèi)表面，表面電流密度減小，熱損耗減小?？梢?，諧振腔可克服LC電路應(yīng)用在微波短時(shí)的缺點(diǎn)。二、諧振腔中振蕩的物理過(guò)程

在LC

諧振回路中，電能儲(chǔ)存在電容器中，磁能儲(chǔ)存在電感線圈中，回路中的電壓與電流隨時(shí)間變化的相位差為/2。因此，諧振就是電磁場(chǎng)能量在電容和電感中相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程，當(dāng)電場(chǎng)能量為最大時(shí)，磁場(chǎng)能量就為零；當(dāng)電場(chǎng)能量為零時(shí)，磁場(chǎng)能量就為最大。

諧振腔中，電磁場(chǎng)被限制在腔體內(nèi)，振蕩實(shí)際上是由電磁波在腔壁上來(lái)回反射而形成的穩(wěn)定駐波。電場(chǎng)和磁場(chǎng)在時(shí)間上有

/2的相位差，即在電場(chǎng)為最大時(shí)磁場(chǎng)為零，而在電場(chǎng)為零時(shí)，磁場(chǎng)為最大。純駐波電場(chǎng)和磁場(chǎng)雖然交織在一起，但是在電場(chǎng)波腹處，磁場(chǎng)為零；在磁場(chǎng)波腹處，電場(chǎng)為零。

諧振腔中的振蕩過(guò)程與在LC諧振回路中相似，也是電磁場(chǎng)能量以電能和磁能兩種形式相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

諧振腔和LC回路的比較：共性：1.都是諧振元件，都具有儲(chǔ)能和選頻的特性;2.具有相同的振蕩過(guò)程。不同之處:1.

諧振腔是分布參數(shù)電路，而LC回路是集中參數(shù)電路；2.諧振腔具有多諧性，即相應(yīng)于腔中不同的駐波場(chǎng)分布，可以存在有許多個(gè)不同的諧振頻率，而LC回路只能有單個(gè)諧振頻率；3.諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q值要比LC回路高得多。三、諧振腔的分類

諧振腔的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，通常按其構(gòu)成原理可分為兩大類。(一)傳輸線型諧振腔。它們是由一段微波傳輸線所構(gòu)成的，如矩形腔、圓柱腔、同軸腔、微帶腔和介質(zhì)腔等。（二）非傳輸線諧振腔它們不是由簡(jiǎn)單的傳輸線段所構(gòu)成，它們的形式是多樣的，幾何形狀較復(fù)雜，例如環(huán)形腔和多瓣腔等。本章只討論前一類諧振腔，即傳輸線型諧振腔。第5章微波諧振腔5.2諧振腔的基本參量一、諧振波長(zhǎng)二、品質(zhì)因數(shù)三、等效電導(dǎo)

集中參數(shù)的LC諧振回路的基本參量是電感L，電容C

和電阻R(或電導(dǎo)G)

。作為基本參量，它們具有物理意義明確、便于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的特點(diǎn)。諧振回路的諧振頻率f0，品質(zhì)因數(shù)Q0和諧振阻抗等所有的其他參量都可由這幾個(gè)基本參量推導(dǎo)出來(lái)。但是，對(duì)于諧振腔，電感L

和電容C已沒有明確的物理意義，因此根據(jù)上述對(duì)基本參量的要求，選擇諧振波長(zhǎng)

0(或諧振頻率f0)、品質(zhì)因數(shù)Q0

和等效電導(dǎo)G0

作為它的基本參量。一、諧振波長(zhǎng)諧振波長(zhǎng)(或諧振頻率)：可以在諧振腔中激勵(lì)起電磁振蕩的工作波長(zhǎng)(或工作頻率)。對(duì)于兩端由導(dǎo)體壁封閉的傳輸線型諧振腔，產(chǎn)生振蕩的條件是腔內(nèi)能夠形成穩(wěn)定駐波，這要求腔兩端壁間的距離l

等于駐波波節(jié)間距

g/2

的整數(shù)倍，即上式表明，在一定的腔體尺寸下，不是任意波長(zhǎng)的電磁波都能在腔中振蕩的，而只有那些能夠在腔中滿足一定駐波分布的電磁波才能夠振蕩，它們的波導(dǎo)波長(zhǎng)是由腔的尺寸所決定的，即

滿足上述條件的電磁波所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就稱為諧振波長(zhǎng)。

對(duì)于非色散波(TEM

波)，因?yàn)?/p>

g=0，所以諧振波長(zhǎng)為對(duì)于色散波(TE、TM波)，因?yàn)樗灾C振波長(zhǎng)為TEM波TE波、TM波注意：諧振波長(zhǎng)

0

是指諧振時(shí)電磁波在腔內(nèi)填充介質(zhì)中的介質(zhì)波長(zhǎng)，僅當(dāng)腔中為真空(或空氣填充)時(shí)，它才相應(yīng)于自由空間波長(zhǎng)。

因此，對(duì)于非色散波(TEM

波)，相應(yīng)的諧振頻率為對(duì)于色散波(TE、TM波)，相應(yīng)的諧振頻率為TEM波TE波、TM波上式中，c為真空中光速，r

為腔中填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。結(jié)論：傳輸線型諧振腔的諧振頻率f0

與腔的型式、尺寸、工作模式和填充的介質(zhì)有關(guān)，但它的諧振波長(zhǎng)

0則與腔的填充介質(zhì)無(wú)關(guān)，而僅決定于腔的型式、尺寸和工作模式。二、品質(zhì)因數(shù)

諧振腔中的電磁能量是靠激勵(lì)源建立并不斷補(bǔ)充的。

所謂激勵(lì)源不過(guò)就是小型的天線而已，即電偶極子型的直天線或磁偶極子型的小環(huán)天線。

激勵(lì)源的類型、位置與所需要形成的波型模式有關(guān)。

諧振腔雖然是由良導(dǎo)體構(gòu)成的，但其電導(dǎo)率

并不可能真正是無(wú)限大，腔壁內(nèi)表面的電流總是要把一部分電能轉(zhuǎn)換為熱能引起損耗。

諧振腔損耗的電磁能量通過(guò)激勵(lì)源不斷地進(jìn)行補(bǔ)充，使腔內(nèi)總的電磁能量

W

保持不變。與LC

諧振電路相似，諧振腔內(nèi)電場(chǎng)能量We

與磁場(chǎng)能量Wm

之間不斷地相互轉(zhuǎn)換，但是可以證明，任何瞬間總的電場(chǎng)能量We

與總的磁場(chǎng)能量Wm

之和保持不變。

任何瞬間諧振腔內(nèi)總的電場(chǎng)能量We

與總的磁場(chǎng)能量Wm

之和W

保持不變，即W=We

Wm當(dāng)某瞬時(shí)電場(chǎng)能量We

=0

時(shí)，該瞬時(shí)磁場(chǎng)能量Wm

=

W最大；當(dāng)某瞬時(shí)磁場(chǎng)能量Wm

=0

時(shí)，該瞬時(shí)電場(chǎng)能量We=W最大。如果諧振腔內(nèi)的損耗功率為

PL，則在一個(gè)周期

T

內(nèi)電磁能量總的損耗量為品質(zhì)因數(shù)：諧振腔內(nèi)總的電磁能量W與一個(gè)周期內(nèi)損耗的電磁能量WL

的比值的

2

倍定義為諧振腔的品質(zhì)因數(shù)

諧振腔在一個(gè)周期T內(nèi)熱損耗的電磁能量WL

遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總的電磁存儲(chǔ)能量W，因此Q0

值相當(dāng)大。一般說(shuō)來(lái)，諧振腔的

Q0

值可達(dá)上萬(wàn)數(shù)量級(jí)?？梢宰C明，計(jì)算品質(zhì)因數(shù)

Q0

值的一般公式為上式中，為腔壁導(dǎo)體的趨膚深度。

對(duì)于非磁性材料，c==0，|H

|

為腔中磁場(chǎng)，|Ht|

為腔壁導(dǎo)體表面的切向磁場(chǎng)。上式適用于各種型式的諧振腔，只要能夠求出腔中的磁場(chǎng)分布就能夠用它來(lái)計(jì)算

Q0

值。

事實(shí)上，只有少數(shù)形狀簡(jiǎn)單的諧振腔才可用場(chǎng)理論的方法求出其電磁場(chǎng)分布，從而計(jì)算出

Q0

值，而且由于計(jì)算中忽略了某些非理想的因素，如導(dǎo)體的光潔度等，計(jì)算所得的理論值往往要比實(shí)際值高得多。

因此，在工程中更多的是利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)確定

Q0

值。三、等效電導(dǎo)

等效電導(dǎo)是將諧振腔等效為集中參數(shù)諧振回路而得到的一個(gè)等效參數(shù)。

工作中，在諧振頻率附近常將諧振腔等效為一個(gè)集中參數(shù)并聯(lián)諧振回路，如圖5.2-1所示。圖5.2-1

諧振腔的并聯(lián)等效電路

在并聯(lián)等效電路中電壓振幅值為

Um，腔的功率損耗為PL，則并聯(lián)的等效電導(dǎo)為上式表明，等效電導(dǎo)

G0

表征了諧振腔的功率損耗特性和腔口高頻電場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度。圖5.2-1

諧振腔的并聯(lián)等效電路

諧振腔的損耗越小，腔口電壓越高，等效電導(dǎo)

G0

的值就越小。

G0

的計(jì)算與

Q0

一樣，必須知道腔中的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于復(fù)雜形狀的腔是困難的，而且即使能計(jì)算其理論值也與實(shí)際值相差較大。在工作中，等效電導(dǎo)通常也是由實(shí)驗(yàn)確定的。第5章微波諧振腔§5.2

同軸諧振腔和微帶諧振腔一、同軸線諧振腔二、微帶諧振器

同軸線和微帶線分別工作于TEM模和準(zhǔn)TEM模，因此由它們所構(gòu)成的諧振腔具有工作頻帶寬、振蕩模式簡(jiǎn)單和場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一、同軸線諧振腔(CoaxialCavity)同軸線諧振腔共有三種形式：/2同軸腔，/4同軸腔和電容加載同軸腔。

1．/2同軸線諧振腔

/2

同軸線諧振腔是由一段兩端短路的同軸線構(gòu)成的，如圖5.2-1所示。圖5.2-1

/2同軸線諧振腔圖中D=2b

為同軸腔的外導(dǎo)體的內(nèi)直徑，d=2a

為同軸腔的內(nèi)導(dǎo)體直徑。圖5.2-1

/2同軸線諧振腔為了滿足腔的兩端面為純駐波電壓波節(jié)點(diǎn)的邊界條件，在諧振時(shí)其腔長(zhǎng)應(yīng)等于

0/2的整數(shù)倍，即

l=p

0/2(p=1，2，3，)。

因此，

/2同軸線諧振腔的諧振波長(zhǎng)為當(dāng)腔長(zhǎng)l一定時(shí)，相應(yīng)于不同的p值存在許多個(gè)諧振波長(zhǎng)l0，這種特性稱為多諧性；

2）當(dāng)諧振波長(zhǎng)一定時(shí)，存在許多個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度

l

滿足該諧振頻率f0。同軸腔的品質(zhì)因數(shù)可由以下公式計(jì)算由此可見，當(dāng)外導(dǎo)體內(nèi)直徑

D一定時(shí)，Q0是(D/d)的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，(D/d)

3.6時(shí)，Q0值達(dá)最大，而且在2

(D/d)

6范圍內(nèi)，Q0值的變化不大。

2．/4同軸線諧振腔

/4同軸線諧振腔是由一段一端短路，一端開路的同軸線構(gòu)成的，如圖5.2-2所示。圖5.2-2

/4同軸線諧振腔

/4同軸線諧振腔的開路端是利用一段處于截止?fàn)顟B(tài)的圓形波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)兩端面邊界條件，在諧振時(shí)，其腔長(zhǎng)等于

0/4的奇數(shù)倍，即

l

=[(2p

1)0]/4(p=1，2，3，)

。

因此，

/4同軸線諧振腔的諧振波長(zhǎng)為/4同軸線諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為/4同軸線諧振腔與

/2同軸線諧振腔的差別僅在于它少一個(gè)端面的導(dǎo)體損耗。

/2和/4同軸線諧振腔的橫向尺寸的選擇應(yīng)由下列條件確定：

(1)為保證同軸線諧振腔工作于TEM模而不出現(xiàn)高次模要求(d

D)/2<0min

即(a

b)<0min

(2)為保證同軸線諧振腔有較高的Q0值，應(yīng)取2

(D/d)

6即2

(b/a)

6

(3)對(duì)于

/4同軸線諧振腔還要保證開路端的圓形波導(dǎo)處于截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)要求：1.71D<0min，即3.41b<0min

。

同軸線諧振腔主要用于中、低精度的寬帶波長(zhǎng)計(jì)及振蕩器、倍頻器和放大器等。

3．電容加載同軸線諧振腔

電容加載同軸線諧振腔的結(jié)構(gòu)和尺寸關(guān)系如圖5.2-3所示。圖5.2-3

電容加載同軸腔電容加載同軸線諧振腔的等效電路如圖5.2-4所示。

圖5.2-4

電容加載同軸腔的等效電路

從等效電路可以看出，其內(nèi)導(dǎo)體的間隙部分可看作為一個(gè)集中電容，而其余部分可看作一段終端短路的同軸線，因此稱它為電容加載同軸線諧振腔。圖5.2-3

電容加載同軸腔圖5.2-4

電容加載同軸腔的等效電路諧振電路的諧振條件是：諧振時(shí)在某一參考面上，電路的總電納應(yīng)等于零，即B(f0)=0。在圖5.2-4所示的等效電路中，對(duì)于參考面AA，應(yīng)該有求解上式給出的方程即可確定諧振頻率f0

。圖5.2-4

電容加載同軸腔的等效電路等效電路中集中參數(shù)的電容C由兩部分組成：一部分是由內(nèi)導(dǎo)體端面與端壁構(gòu)成的平板電容，另一部分是由內(nèi)導(dǎo)體側(cè)面與端壁構(gòu)成的邊緣電容。圖5.2-5給出了內(nèi)導(dǎo)體端面與端壁之間電容的示意圖。圖5.2-5

電容加載同軸腔的邊緣電場(chǎng)線作為定性分析，假設(shè)圖5.2-5中邊緣電場(chǎng)線為1/4圓弧。圖5.2-5

電容加載同軸腔的邊緣電場(chǎng)線內(nèi)導(dǎo)體端面與端壁之間平板電容可按下式來(lái)計(jì)算：假設(shè)邊緣電場(chǎng)線為1/4圓弧的邊緣電容可按下式近似計(jì)算：等效電路中集中參數(shù)的電容C為兩部分之和，即C

=C1+

C2圖5.2-5

電容加載同軸腔的邊緣電場(chǎng)線C

=C1+

C2求出等效的集中參數(shù)電容

C

之后，可以從上面余切函數(shù)方程解出

l

的長(zhǎng)度。因?yàn)槿呛瘮?shù)是周期函數(shù)，所以當(dāng)l和C

一定時(shí)，存在有許多個(gè)諧振頻率

01，

02，。另一方面，如果給定

0

和

C，則由上式可求得諧振腔的長(zhǎng)度上式中，p=0，1，2，。C

=C1+

C2但是，由于上式是關(guān)于圓頻率0

的超越方程，因此只能通過(guò)圖解方法或者通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)求解。由于

0<arctan(1/0CZ0)</2，所以

l<0

/4，也就是說(shuō)集中電容的存在將使諧振腔的長(zhǎng)度要比沒有電容存在時(shí)的

/4同軸線諧振腔來(lái)得短，且C越大，l越短。因此，這個(gè)電容被稱為“縮短電容”。電容加載同軸線諧振腔主要應(yīng)用于振蕩器和混合式波長(zhǎng)計(jì)中。二、微帶諧振器(MicrostripResonator)

1．/2和

/4微帶線諧振器

1）一段兩端短路或兩端開路的微帶線段可構(gòu)成

/2微帶諧振器；2）一段一端短路、一端開路的微帶線段可構(gòu)成

/4微帶諧振器。注意：微帶導(dǎo)帶的中斷并非是理想的開路。它的邊緣效應(yīng)在忽略其輻射損耗時(shí)可以用一個(gè)接地電容來(lái)等效，而該電容又可用一段長(zhǎng)

l</4的理想開路線等效。

因此，

/2開路微帶線諧振器可等效成圖5.2-6所示電路。圖5.2-6

/2開路微帶諧振器等效電路圖5.2-6

/2開路微帶諧振器等效電路由于兩端開路的微帶線的對(duì)地電容可以等效成一段長(zhǎng)

l</4的理想開路傳輸線，長(zhǎng)度為l

的兩端開路微帶線相當(dāng)于長(zhǎng)度為l+2l

的理想傳輸線。因此，這種諧振腔的諧振條件為

由此可見，開路微帶邊緣電容的存在將使微帶線諧振器所需的實(shí)際長(zhǎng)度縮短，稱為波長(zhǎng)縮短效應(yīng)。圖5.2-6

/2開路微帶諧振器等效電路而縮短長(zhǎng)度

l的值可由下面近似公式計(jì)算上式中，

e

為微帶線的有效介電常數(shù)，W和h分別為導(dǎo)帶寬度和襯底厚度。當(dāng)

W／h

0.2，2

r

50時(shí)，上式的誤差小于4%。實(shí)際中也經(jīng)常采用

l=0.33h

作近似值。類似地，對(duì)于一端短路、一端開路的

/4微帶諧振器應(yīng)有

l

l

=(2p

1)

p/4(p=1，2，3，)

2．微帶環(huán)形諧振器

微帶環(huán)形諧振器是由將微帶做成閉合圓環(huán)所構(gòu)成的，如圖

5.2-7所示。圖

5.2-7

微帶環(huán)形諧振器

當(dāng)微帶環(huán)的平均周長(zhǎng)等于帶內(nèi)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，在微帶環(huán)內(nèi)可形成穩(wěn)定的行波振蕩。

因此，微帶環(huán)諧振器的諧振條件為(a+b)=pp

(p=1，2，3，)

上式中，a、b分別為環(huán)的內(nèi)、外半徑，而為帶內(nèi)波長(zhǎng)。

為避免高次模的出現(xiàn)，選擇環(huán)線的寬度應(yīng)滿足

3．微帶諧振器的品質(zhì)因數(shù)(Q0

值)

在計(jì)算微帶諧振器的品質(zhì)因數(shù)時(shí)，它的功率損耗一般不僅要考慮導(dǎo)體損耗而且還應(yīng)考慮介質(zhì)損耗和輻射損耗。上式中，Qc、Qd

和Qr

分別為僅考慮導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗時(shí)的品質(zhì)因數(shù)值。

將品質(zhì)因數(shù)用微帶線參數(shù)來(lái)表示，有上式中，

p

為微帶的線內(nèi)波長(zhǎng)，

為衰減常數(shù)。另外可以求出，微帶開路端的輻射功率和

/4微帶中的儲(chǔ)能分別為上式中

對(duì)于兩端開路的

/2微帶，它的輻射功率

Pr

和電磁儲(chǔ)能

W

都要增大一倍。因此，/4微帶諧振器和

/2開路微帶諧振器輻射損耗引起的品質(zhì)因數(shù)都為第5章微波諧振腔§5.3

矩形諧振腔

(RectangularCavity)矩形諧振腔是由一段兩端用導(dǎo)體板封閉的矩形波導(dǎo)構(gòu)成的，如圖5.3-1所示，腔體的尺寸為a

b

l

。圖5.3-1矩形諧振腔

矩形諧振腔是幾何形狀最簡(jiǎn)單的一種空腔諧振器，可用作微波爐的加熱腔體、頻率較低的速調(diào)管的振蕩腔體以及濾波器和寬帶天線開關(guān)的腔體等。

可用駐波的觀點(diǎn)分析矩形腔中能夠存在電磁振蕩的原理。如果把傳輸

H10

模的矩形波導(dǎo)在z=l=g(10)/2

橫截面處短路，則在z<l

的區(qū)域內(nèi)將形成沿

z

方向傳播的

H10

模。

這樣在矩形波導(dǎo)中將同時(shí)存在著沿相反方向傳輸?shù)腡E10

模(H10

模)，它們之間所有對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)都相同。

圖5.3-1矩形諧振腔

矩形波導(dǎo)一端短路后，將同時(shí)存在著沿相反方向傳輸?shù)腍10

模，它們之間所有對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)都相同，其中相位常數(shù)為即設(shè)矩形波導(dǎo)是由空氣填充的，考慮到上面兩式，把沿

z

方向傳輸?shù)?/p>

H10

模場(chǎng)表達(dá)式改寫為沿

+

z方向傳輸沿

z方向傳輸沿相反方向傳播的傳輸?shù)?/p>

H10

模在波導(dǎo)中同時(shí)存在，它們將彼此疊加。沿

+

z方向傳輸沿

z方向傳輸

彼此疊加后的合成場(chǎng)為由上式可見，傳輸方向相反的等幅H10

模彼此疊加的結(jié)果是沿z方向形成純駐波。合成波電場(chǎng)在z=0，z=l

處為波節(jié)平面，合成波電場(chǎng)的振幅恒為零。如果在

z=0處加上理想導(dǎo)體板，將不會(huì)引起純駐波電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)。這樣，在長(zhǎng)方體空腔的內(nèi)部就形成了一種純駐波的電磁場(chǎng)分布。實(shí)際上，這就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的矩形諧振腔。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l從原來(lái)的矩形波導(dǎo)橫截面上看，電場(chǎng)和磁場(chǎng)沿a邊和

b邊的分布仍與原來(lái)的H10

模相同，半駐波數(shù)仍分別是1和0。

但是，沿l

邊方向看，則變成了純駐波，半駐波數(shù)為1。這樣的場(chǎng)結(jié)構(gòu)記作TE101

模(H101

模)，下標(biāo)的數(shù)字“101”分別代表沿a，b和l三個(gè)邊的半駐波數(shù)。矩形諧振腔H101

模與原來(lái)矩形波導(dǎo)的H10模相比，電場(chǎng)線分布相同，磁場(chǎng)線分布也相同，但是沿z方向看，電場(chǎng)線分布與磁場(chǎng)線分布交錯(cuò)了

g(10)/4

。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l

如果把z=l=g(10)/2處的短路板移到z=l=g(10)

處，z=l=3g(10)/2處，，z=l=pg(10)/2處，則沿l邊的半駐波數(shù)將變?yōu)?，3，

，p。這樣的矩形諧振腔就分別記作TE102

模(H102

模)，TE103

模(H103

模)，

，TE10p

模(H10p

模)?？梢?，對(duì)傳輸TE10

模(H10

模)的矩形波導(dǎo)在距離為

l=pg(10)/2的兩個(gè)橫截面處短路，就可以容易地構(gòu)成一個(gè)TE10p

模(H10p

模)的矩形諧振腔。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l可以證明，把傳輸任意模式TMmn

模(Emn

模)或TEmn

模(Hmn

模)的矩形波導(dǎo)在l=pg

/2的兩個(gè)橫截面處短路，都能夠容易地構(gòu)成一個(gè)TMmnp

模(Emnp

模)或TEmnp

模(Hmnp

模)的矩形諧振腔。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l如果把矩形諧振腔TE101

模(H101

模)的a

l平面看成是原來(lái)矩形波導(dǎo)的橫截面，由于磁場(chǎng)線在這個(gè)橫截面之內(nèi)，所以可以看成是TM波(E波)構(gòu)成的諧振腔。

根據(jù)純駐波分布來(lái)看，它應(yīng)該是

TM110

模(E110

模)。由此可以得知，對(duì)于矩形諧振腔中某種確定的諧振狀態(tài)，如果從不同方向看，波型模式的名稱可能是不同的。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l例如矩形諧振腔TE102

模(H102

模)，當(dāng)把a(bǔ)

l

平面看成是原來(lái)矩形波導(dǎo)的橫截面時(shí)，由于磁場(chǎng)線在這個(gè)橫截面之內(nèi)，所以可以看成是TM210

模(E210

模)或TM120

模(E120

模)

。

諧振腔與以前我們學(xué)過(guò)的LC諧振電路相比，有相同之處，也有不同之處。相同之處是電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間相互交換電磁能量。從純駐波表達(dá)式可以看出，電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間有90

相位差，電場(chǎng)瞬時(shí)值達(dá)到純駐波振幅值的瞬間，磁場(chǎng)瞬時(shí)值為零，腔內(nèi)電場(chǎng)能量最大，磁場(chǎng)能量為零；

在相隔1/4

周期的瞬間，磁場(chǎng)瞬時(shí)值達(dá)到純駐波的振幅值，電場(chǎng)瞬時(shí)值為零，腔內(nèi)磁場(chǎng)能量最大，電場(chǎng)能量為零。矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l不同之處是，LC諧振電路有電區(qū)域與磁區(qū)域之分，電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電容器極板之間，磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電感線圈之中；而諧振腔則沒有電區(qū)域與磁區(qū)域之分，腔體內(nèi)部是電磁能量的共同空間。

矩形諧振腔的TE101模場(chǎng)結(jié)構(gòu)l不過(guò)，以

TE101

模(H101模)為例，從腔內(nèi)電磁能量的分布上看，腔體中心是純駐波電場(chǎng)的波腹(電場(chǎng)振幅的最大處)，也是純駐波磁場(chǎng)的波節(jié)(磁場(chǎng)振幅為零處)；

腔體左右和前后四周的內(nèi)表面中心線處是純駐波磁場(chǎng)的波腹(磁場(chǎng)有最大的切向分量)，也是純駐波電場(chǎng)的波節(jié)(電場(chǎng)的切向分量為零)。

如果空氣填充的諧振腔長(zhǎng)度是原來(lái)所傳輸模式半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即l=(pg

/2)，由前面幾節(jié)討論可知上式中，

c

是原來(lái)波導(dǎo)中所傳輸波型模式的截止波長(zhǎng)，0

是波導(dǎo)中原來(lái)的工作波長(zhǎng)，波導(dǎo)兩端短路成為諧振腔后，它就是諧振腔的諧振波長(zhǎng)，從上式中把它解出來(lái)，即把代入上式，可得

對(duì)于空氣填充的矩形諧振腔，其諧振頻率為對(duì)于矩形諧振腔TEmnp

模(Hmnp

模)，上面兩式中m和n最多只能有一個(gè)取0，但p不能取0；對(duì)于矩形諧振腔TMmnp

模(Emnp

模)，上式中m和n都不能取0，但p可以取0。必須注意，尺寸為a

b

l

的矩形諧振腔，當(dāng)m，n和p選取不同值時(shí)，將得到不同的諧振波長(zhǎng)。給定幾何尺寸的矩形諧振腔可能存在著若干種不同的諧振頻率，這種現(xiàn)象稱為多諧性，而LC諧振電路只有單一的諧振頻率。這是LC諧振電路與諧振腔的又一個(gè)顯著區(qū)別。對(duì)于尺寸為a

b

l，以及m，n和p分別相同的矩形諧振腔，TEmnp

模和

TMmnp

模由上面的諧振波長(zhǎng)和諧振頻率公式可以看出，二者具有相同的諧振波長(zhǎng)和相同的諧振頻率?？梢?，矩形諧振腔也存在E-H簡(jiǎn)并現(xiàn)象。第5章微波諧振腔§5.4

圓柱形諧振腔

(CylindricalCavity)一、圓柱形諧振腔的構(gòu)成及諧振波長(zhǎng)一、圓柱形諧振腔的構(gòu)成及諧振波長(zhǎng)

圓柱形諧振腔是由一段兩端用導(dǎo)體板封閉的圓形波導(dǎo)構(gòu)成的，如圖5.4-1所示。它的半徑為R，長(zhǎng)度為l。圖5.4-1圓柱諧振腔與矩形諧振腔構(gòu)成的原理相同，把傳輸任意模式TMmn(Emn)或

TEmn(Hmn)的圓形波導(dǎo)在

l=(pg

/2)的兩個(gè)橫截面處短路，就可以構(gòu)成一個(gè)

TMmnp

模(Emnp)或

TEmnl

模(Hmnp模)的圓柱形諧振腔。和矩形諧振腔一樣，圓柱形諧振腔中也可以存在無(wú)窮多個(gè)振蕩模式。有時(shí)為了避免與矩形諧振腔混淆，可以用上標(biāo)來(lái)加以區(qū)別，例如用來(lái)表示圓柱形諧振腔的兩種波型。圖5.4-1圓柱諧振腔用來(lái)表示圓柱形諧振腔的兩種波型模式。表示矩形諧振腔的兩種波型模式。

不會(huì)發(fā)生混淆的時(shí)候，可以省略波型模式符號(hào)的上標(biāo)。

圓波導(dǎo)模式中，下標(biāo)m表示場(chǎng)沿圓周分布的駐波數(shù)，n表示場(chǎng)沿半徑分布的半駐波數(shù)，p表示場(chǎng)沿z

方向分布的半駐波數(shù)。圓柱形諧振腔的TMmnp

(Emnp)?；?/p>

TEmnl

(Hmnp)模的前兩個(gè)下標(biāo)m=0，1，2，，n=1，2，3，。第3個(gè)下標(biāo)對(duì)于TEmnl

(Hmnp)模，p=1，2，3，；

而對(duì)于

TMmnp

(Emnp)模，p=0，1，2，，p可以為零。

圓柱形諧振腔的TMmnp

(Emnp)?；?/p>

TEmnl

(Hmnp)模的諧振波長(zhǎng)也是通過(guò)對(duì)應(yīng)的圓形波導(dǎo)TMmn

(Emn)?；?/p>

TEmn

(Hmn)模的截止波長(zhǎng)來(lái)求由電磁場(chǎng)理論可知，圓形波導(dǎo)

TE11(H11)，TE01(H01)和TM01(E01)三種模式的截止波長(zhǎng)分別為通過(guò)上面3個(gè)參數(shù)便可以計(jì)算出與它們對(duì)應(yīng)的振蕩模式TE11p

(H11p)，TE01p(H01p)和TM01p(E01p)的諧振波長(zhǎng)。由上面求諧振波長(zhǎng)的通式可知，p

值選取得越小，諧振波長(zhǎng)就越大。

TE01p(H01p)模p

的最小值可選為1，

TM01p(E01p)模p

的最小值可選為0。因此，圓柱形諧振腔對(duì)應(yīng)于圓形波導(dǎo)TE11(H11)，TE01(H01)和TM01(E01)三種模式的最低振蕩模式為

TE111(H111)，TE011(H011)和

TM010(E010)三種模式。與矩形諧振腔一樣，圓柱形諧振腔中電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間也存在著90

的相位差。二、TE111

?！猅Emnp

模的最低震蕩模式在中取p=1，便可得到圓柱形諧振腔TE111

模的諧振波長(zhǎng)因?yàn)樵趫A形波導(dǎo)中TE11

模的截止波長(zhǎng)

lc=3.41R最大，所以取p=1時(shí)，TE111

模是圓柱形諧振腔

TEmnp

各模式中的最低振蕩模式。圓柱形諧振腔

TE111模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和腔壁內(nèi)表面電流分布如圖5.4-2所示。

(a)

場(chǎng)結(jié)構(gòu)(b)

壁電流分布圖5.4-2圓柱腔中TE111

模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流分布ll由圖可見，其壁電流有從側(cè)壁流向端壁的電流，因此利用活塞調(diào)諧時(shí)，必須采用抗流活塞或良好的接觸活塞。

TE111模具有極化簡(jiǎn)并現(xiàn)象，因此為了避免由于加工偏差產(chǎn)生模式分裂而引起的雙峰諧振，就必須要求較高的加工精度。

TE111

模的品質(zhì)因數(shù)值為上式中，D=2R。當(dāng)D/l

1.5時(shí)，Q0最大，Q0m=0.2760/。如

0=10

cm的紫銅腔，Q0m

22800。

TE111

模是圓柱形諧振腔

TEmnp

各模式中的最低振蕩模式，在給定工作波段下，占據(jù)的體積較小，單模調(diào)諧范圍較寬；但和其他模式相比，它的Q0

值不高，可用作中等精度的波長(zhǎng)計(jì)。由TE111

模對(duì)加工精度要求較高，從而使它的應(yīng)用受到限制。三、TM010

?！猅Mmnp

模的最低震蕩模式

在中取p=0，可得到圓柱形諧振腔TM010

模的諧振波長(zhǎng)由上式可見，它的諧振波長(zhǎng)決定于腔半徑

R，而與腔長(zhǎng)l無(wú)關(guān)，因此它的調(diào)諧不能采用調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而只能通過(guò)在腔端壁軸線處插入一長(zhǎng)度可調(diào)的金屬銷釘來(lái)進(jìn)行微調(diào)。由于選取p=0，TM010

模的諧振波長(zhǎng)是TMmnp

模中最長(zhǎng)的。

TM010

模與TE111模相比較，當(dāng)柱體的高度

l=2.1R

時(shí)，兩者有相同的諧振波長(zhǎng)

0

=

2.62R。1）當(dāng)柱體的高度l<2.1R時(shí)，TE111

模的諧振波長(zhǎng)0<

2.62R，這時(shí)TM010模是圓柱形諧振腔的最低模式；2）當(dāng)柱體的高度

l>2.1R

時(shí)，TE111模的諧振波長(zhǎng)

0

>

2.62R，這時(shí)TE111

模是圓柱形諧振腔的最低模式。圓柱形諧振腔TM010模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流分布如圖5.4-3所示。圖5.4-3模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流從圖(a)的場(chǎng)分布可以看出，TM010模電場(chǎng)只有縱向分量

Ez，且在軸心最強(qiáng)；磁場(chǎng)只有圓周方向分量H，且在靠近腔壁處最強(qiáng)；場(chǎng)沿軸向沒有變化。從圖(b)可以看出,在兩端面內(nèi)壁表面電流只有徑向分量；在側(cè)壁只有軸向分量。圓柱形諧振腔TM010模的品質(zhì)因數(shù)由下式確定從上式可以看出，TM010模的

Q0值隨腔長(zhǎng)l的增加而增大，并逐漸趨向一個(gè)近似恒定的值，在

0=3~10

cm范圍內(nèi)，Q0值約為104

數(shù)量級(jí)。圓柱形諧振腔TM010模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，且具有明顯的電場(chǎng)和磁場(chǎng)集中的區(qū)域，因此它常用作參量放大器的振蕩腔和介質(zhì)測(cè)量的微擾腔。圓柱形諧振腔TM010模由于在軸線上具有較強(qiáng)的軸向電場(chǎng)，所以它還用于作電子直線加速器和在微波電子管中作為高頻場(chǎng)與所穿過(guò)的電子注有效地交換能量的部件。四、TE011

?！逹值的最低震蕩模式

在中取p=1，便可得到圓柱形諧振腔TE011

模的諧振波長(zhǎng)

TE011

模是圓柱形諧振腔的高次模。因?yàn)閳A形波導(dǎo)中的TE01

波具有低損耗的特點(diǎn)，所以圓柱腔中與它相應(yīng)的TE011

模也具有低損耗、高

Q0

值的特性。圓柱形諧振腔TE011

模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流分布如圖5.4-4所示。圖5.4-4圓柱腔TE011

模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流分布圓柱形諧振腔TE011

模的電場(chǎng)只有圓周方向的

E

分量，磁場(chǎng)有軸向Hz分量和徑向Hr

分量，而沒有圓周方向分量。腔壁電流不論在端壁或側(cè)壁上都只有圓周方向分量，且在端壁和側(cè)壁接觸處通過(guò)的電流為零。圖5.4-4圓柱腔TE011

模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壁電流分布由于它的諧振波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)l有關(guān)，因此在實(shí)用中可方便地將一端壁做成不接觸式活塞來(lái)進(jìn)行調(diào)諧而不會(huì)影響它的特性。圓柱形諧振腔TE011

模由于m=0而不存在極化簡(jiǎn)并模式。這樣，即使腔體有微小變形或加工偏差也不會(huì)引起極化面的偏轉(zhuǎn)?？梢?，TE011

模還具有場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。圓柱形諧振腔TE011

模的品質(zhì)因數(shù)為上式中，D=2R。由于TE011

模不是圓柱形諧振腔的主模，從而在工作頻帶中容易出現(xiàn)較多的干擾模式。因此，在使用該模式工作時(shí)必須設(shè)法避免它們的影響。由于TE011

模具有高

Q0

值的特性，因而主要用于高Q0

值的波長(zhǎng)計(jì)、振蕩器的穩(wěn)頻腔和雷達(dá)回波箱等。第5章微波諧振腔§5.6

諧振腔的調(diào)諧、激勵(lì)與耦合一、諧振腔的調(diào)諧二、諧振腔的激勵(lì)與耦合一、諧振腔的調(diào)諧諧振腔調(diào)諧方法：

1）活塞調(diào)諧法；2）微擾法。

活塞調(diào)諧法的原理非常簡(jiǎn)單，調(diào)整諧振腔柱體的高度l，諧振波長(zhǎng)就發(fā)生變化TEM波TE波、TM波本節(jié)只討論微擾法。當(dāng)諧振腔的腔壁有微小變化，或填充的介質(zhì)有微小的變化時(shí)，諧振頻率將發(fā)生微小的變化。通過(guò)這種微調(diào)諧振腔頻率的方法稱為微擾法。微擾理論研究能量變化與頻率變化之間的關(guān)系，而不去研究微擾引起的場(chǎng)分布變化。

1．腔壁微擾

當(dāng)腔壁受到微擾時(shí)，由電磁場(chǎng)理論可得以下關(guān)系上式中，

為微擾后的諧振頻率；0

為微擾前的諧振頻率；v為體積變化，當(dāng)腔壁內(nèi)凹時(shí)，v<0；當(dāng)腔壁外凸時(shí)，v>0；由微擾關(guān)系公式可知，對(duì)于內(nèi)向微擾，因?yàn)?/p>

v<0，所以當(dāng)腔壁變化發(fā)生在強(qiáng)磁場(chǎng)、弱電場(chǎng)區(qū)域即時(shí)，

0>0，即頻率升高；而當(dāng)腔壁變化發(fā)生在強(qiáng)電場(chǎng)、弱磁場(chǎng)區(qū)域即時(shí)，

0<0，即頻率降低。v<0，，

0>0，即頻率升高v<0，，

0<0，即頻率降低。對(duì)于外向微擾其結(jié)論恰好與上面相反。表5.6-1給出了頻率隨諧振腔壁變化的情況。表

5.6-1

腔壁微擾時(shí)頻率的變化微擾性質(zhì)微擾區(qū)域內(nèi)向微擾(v

<

0)外向微擾(v>0)強(qiáng)磁場(chǎng)弱電場(chǎng)

>0

<0弱磁場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)

<0

>0圓柱形諧振腔的E010

模電磁場(chǎng)分布如圖5.6-1所示。圖5-6-1圓柱形諧振腔

E010

模場(chǎng)分布使這部分壁在機(jī)械壓力下向內(nèi)或向外有一微小變形，就可改變它的諧振頻率。

如果將其上底和下底的中央部分做成具有彈性的壁，因?yàn)樵趶?qiáng)電場(chǎng)即弱磁場(chǎng)區(qū)域微擾，當(dāng)腔壁向外擴(kuò)張時(shí)諧振頻率

上升，當(dāng)腔壁向內(nèi)壓縮時(shí)諧振頻率

下降

。注意，如果腔的上下底整個(gè)地向內(nèi)或向外變化，其諧振頻率

將不變化。因?yàn)閳A柱形諧振腔E010

模的諧振波長(zhǎng)0=2.62R，與柱體的高度l

無(wú)關(guān)。

2．介質(zhì)微擾

若在諧振腔中一小區(qū)域

v

內(nèi)介質(zhì)參數(shù)由

，

改變?yōu)?/p>

+

和

+，則有上式中，E1，H1

分別為微擾前的場(chǎng)量，是諧振腔內(nèi)總的平均電磁能量。

上式表明，在諧振腔內(nèi)，

和

的任何增加都將使頻率降低。

上面的討論也適用于波導(dǎo)，只要將諧振頻率換成截止頻率即可。

當(dāng)只考慮波導(dǎo)的橫截面時(shí)，則可以把波導(dǎo)的橫截面看作一個(gè)“二維的諧振腔”在其橫方向諧振，“諧振頻率”就是波導(dǎo)的截止頻率fc

。

因?yàn)檠貍鞑シ较蚴切胁?，所以與fc

無(wú)關(guān)。

把波導(dǎo)的橫截面看作一個(gè)“二維的諧振腔”在其橫方向諧振，“諧振頻率”就是波導(dǎo)的截止頻率fc

。

若用諧振腔微擾的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)波導(dǎo)的橫截面發(fā)生變化時(shí)，相當(dāng)于諧振腔壁發(fā)生變化，因此必定引起截止頻率

fc

的變化。圖5.6-3給出了圓角對(duì)矩形波導(dǎo)的影響。圖5.6-3圓角對(duì)矩形波導(dǎo)截止頻率fc

的影響

由微擾公式和

TE10

模場(chǎng)分布可知，由于微擾發(fā)在磁場(chǎng)強(qiáng)、電場(chǎng)弱的區(qū)域，因而相應(yīng)的TE10

模的截止頻率fc

升高。

圖

5.6-4給出了矩形波導(dǎo)中加脊的情形。

圖5.6-4脊形波導(dǎo)截止頻率

fc

降低。

由脊型波導(dǎo)

TE10

模場(chǎng)分布可知，加脊的微擾發(fā)生在強(qiáng)電場(chǎng)、弱磁場(chǎng)區(qū)域，根據(jù)微擾公式

不過(guò)，如果脊的尺寸較大，用微擾法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果就不精確了。

除了上述機(jī)械調(diào)諧外，還可在腔中引入變?nèi)荻O管，通過(guò)改變?cè)谄淦珘憾淖冸娙?，從而?shí)現(xiàn)諧振腔的電調(diào)諧；還可以在腔中引入YIG鐵氧體單晶小球，通過(guò)改變加在它上面的直流磁場(chǎng)來(lái)改變其諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)諧振腔的磁調(diào)諧。二、諧振腔的激勵(lì)與耦合

微波諧振腔必須與外電路相連接組成微波系統(tǒng)才能工作，而且還必須由外電路中的微波信號(hào)激勵(lì)才能在腔體中建立振蕩；而腔體中的電磁振蕩又必須通過(guò)耦合才能輸出到外界負(fù)載上去。

由于微波元件電磁能量傳輸?shù)目赡嫣匦?，諧振腔的激勵(lì)元件和耦合元件的結(jié)構(gòu)和工作特性是完全相同的。

也就是說(shuō)，一個(gè)元件用作激勵(lì)和用作耦合時(shí)所具有的特性完全相同，它們兩者的差別僅在于波在其中的傳輸方向相反。

對(duì)諧振腔激勵(lì)(耦合)元件的基本要求：必須能夠在腔中激勵(lì)(耦合)所需模式的振蕩，而且必須能夠避免激勵(lì)(耦合)其他不需要的干擾模式。

諧振腔中的某些激勵(lì)元件實(shí)際上就是小型的天線。

這些在腔體中某處設(shè)置的激勵(lì)元件激勵(lì)出與所需激勵(lì)模式相一致的電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量，然后再由這個(gè)電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量在整個(gè)腔中激勵(lì)起所需模式的振蕩。根據(jù)耦合激勵(lì)方式的不同，諧振腔的耦合可分為電耦合、磁耦合、繞射耦合和電子耦合。

1．電耦合(探針耦合)插入諧振腔壁孔的一個(gè)小探針就是一個(gè)直天線。探針的軸線方向和腔中所需模式在該處的電場(chǎng)線方向相一致，因?yàn)檫@時(shí)主要是通過(guò)電場(chǎng)的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合的，所以稱之為電耦合。探針耦合常用于同軸線與諧振腔的耦合。同軸線內(nèi)導(dǎo)體在腔中的延伸就構(gòu)成了探針。圖5.6-5(a)給出了同軸線與同軸線諧振腔的探針耦合，圖

5.6-5(b)給出了同軸線與矩形諧振腔TE10p

模的探針耦合。圖5.6-5探針耦合探針耦合的強(qiáng)弱決定于探針在腔中的位置和插入的深度，探針?biāo)谔幥恢须妶?chǎng)越強(qiáng)、插入深度越深，其耦合就越強(qiáng)。通常探針常裝置在腔中電場(chǎng)最強(qiáng)處，通過(guò)調(diào)節(jié)它的插入深度來(lái)改變耦合度。

2．磁耦合(環(huán)耦合)

如圖5.6-6所示，插入諧振腔壁孔的耦合環(huán)相當(dāng)于一個(gè)小環(huán)形天線。圖5.6-6同軸腔的環(huán)耦合從圖中可以看出，耦合環(huán)是由同軸線內(nèi)導(dǎo)體在腔中延伸彎曲而成的。

耦合環(huán)的環(huán)平面與腔中所需模式在該處的磁場(chǎng)線相交鏈，因?yàn)檫@種耦合方式主要是通過(guò)磁場(chǎng)的作用實(shí)現(xiàn)的，所以稱為磁耦合。圖5.6-6中給出的是同軸線與同軸線諧振腔的磁耦合。

磁耦合的強(qiáng)弱決定于耦合環(huán)與腔中磁場(chǎng)線交鏈的多少，環(huán)所在處的磁場(chǎng)越強(qiáng)，環(huán)的面積越大及環(huán)平面越垂直于磁場(chǎng)線，與環(huán)平面交鏈的磁通就越多，耦合就越強(qiáng)。

通常耦合環(huán)常安置在腔中磁場(chǎng)最強(qiáng)處，且環(huán)平面常與磁場(chǎng)線垂直。

3．繞射耦合(孔耦合)

諧振腔與波導(dǎo)的耦合常采用孔耦合。這種耦合方式是利用諧振腔與波導(dǎo)公共壁上的小孔槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

耦合孔位置的選擇應(yīng)使孔所在處腔中所需模式的電場(chǎng)線或磁場(chǎng)線與波導(dǎo)中傳輸波型在該處的同類矢量線相一致。

因?yàn)檫@種耦合是利用電磁波的繞射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以稱為繞射耦合。根據(jù)耦合孔位置不同，可以是單一的電場(chǎng)線耦合或單一的磁場(chǎng)線耦合，也可以是電、磁場(chǎng)線耦合同時(shí)存在的混合耦合。由圖可見，在耦合孔附近矩形波導(dǎo)中，矩形波導(dǎo)

H10

波的磁場(chǎng)線與圓柱腔中相應(yīng)模式的磁場(chǎng)線是一致的。

因此，它們主要依靠的都是磁耦合。孔耦合的耦合度大小取決于耦合孔的位置、大小和形狀。還應(yīng)該指出，不論耦合探針、耦合環(huán)的引入還是耦合孔的引入都將引起腔諧振頻率的微小改變。探針的深入相當(dāng)于在強(qiáng)電場(chǎng)處壓縮腔壁，根據(jù)諧振頻率微擾的公式可知，這將使諧振頻率降低；而環(huán)的深入相當(dāng)于在強(qiáng)磁場(chǎng)處壓縮腔壁，根據(jù)上式可知，諧振頻率將升高。耦合孔的存在使腔中的電磁場(chǎng)向外擴(kuò)展。由微擾公式可以看出，如果孔在強(qiáng)磁場(chǎng)處，則使諧振頻率降低，如果孔在強(qiáng)電場(chǎng)處，則使諧振頻率升高。

4．電子耦合在微波電子管中，諧振腔中的振蕩是由電子束來(lái)激勵(lì)的，這種耦合方式稱為電子耦合。在這種情況下，電子束首先由直流高電壓電場(chǎng)加速，隨后讓它通過(guò)諧振腔中電場(chǎng)集中區(qū)域的間隙，使它在腔壁上產(chǎn)生高頻感應(yīng)電流。當(dāng)高頻場(chǎng)的相位能保證在電子束通過(guò)時(shí)為減速場(chǎng)，則電子束就把部分動(dòng)能交給腔中的高頻場(chǎng)，從而在腔中激勵(lì)起振蕩，這樣就實(shí)現(xiàn)了直流能量向高頻能量的轉(zhuǎn)換。

5．耦合裝置避免干擾模式的方法為了使諧振腔中保持單一的模式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須避免干擾模式的影響。

避免干擾模式的方法有：

(1)使在耦合元件處所需激勵(lì)或耦合模式的場(chǎng)矢量線方向與干擾模式的場(chǎng)矢量線方向不同，從而使干擾模式不能被激勵(lì)或耦合。

(2)把耦合元件的位置選在所需模式的場(chǎng)為最大、而干擾模式的場(chǎng)為最小的位置附近。

(2)把耦合元件的位置選在所需模式的場(chǎng)為最大、而干擾模式的場(chǎng)為最小的位置附近。例如在圖