電磁諧振腔

簡介

電磁諧振腔

用於微波波段的諧振電路，通常是在波導的兩端用導電板短路而構成的封閉腔體。電磁場被限制在腔內，沒有輻射損耗，諧振腔的品質因數 Q值較高。隨著諧振頻率的提高，要求腔體的尺寸減小,致使損耗加大、Q值下降，所以在毫米波、亞毫米波還採用開放腔。

原理

電磁諧振腔

在理想的無耗諧振腔內，任何電磁擾動一旦發生就永不停歇。當擾動頻率恰使腔內的平均電能和平均磁能相等時便發生諧振，這個頻率稱為諧振頻率。腔內的電磁場可根據諧振腔的邊界條件求解麥克斯韋方程組而得出，它是一組具有一定正交性的電磁場模式的疊加。按波導兩端被短路的觀點，腔內的電磁場也可認為是波在腔壁上來回反射而形成的駐波場。當腔長等於某種模式的1/2波導波長整數倍時,該模式發生諧振，稱為諧振模。諧振腔與外電路的能量耦合方式有：環耦合、探針耦合和孔耦合。

參數

諧振腔的主要參數是諧振頻率f和品質因數Q。諧振頻率決定於腔的形狀、尺寸和工作模式。諧振腔的有載品質因數QL為

電磁諧振腔

電磁諧振腔

諧振腔的損耗包括內部損耗和外部損耗，前者為腔壁導體的損耗和腔內介質的損耗；後者取決於通過耦合孔反映的外電路負載情況

電磁諧振腔

式中Qi稱為內部品質因數（也稱為固有品質因數或無載品質因數），Qe稱為外部品質因數。

類型

常用的電磁諧振腔有同軸腔、重入式同軸腔、矩形波導腔、圓柱形波導腔、微帶腔、介質腔和開放腔等類型。

電磁諧振腔

同軸腔 　由一段同軸線構成，常用作波長計和振盪迴路，腔內的最低模式是TEM模，常用的有圖2中的三種形式。

電磁諧振腔

重入式同軸腔 　又名凹形腔(圖3)。其外形與電容載入式同軸腔相似,所不同的是:後者的高度L、半徑ρ1、ρ2 都與工作波長λ0屬同一數量級;而前者的ρ1 和ρ2 均遠小於λ0。從電磁場分布的觀點看,電場主要集中在圖中的B區,可等效為一個電容；而磁場主要集中在A區,可等效為一個電感。因此，這種諧振腔可等效為並聯諧振電路。

矩形波導腔 　在矩形波導兩端用導電壁短路而構成，其諧振頻率為

電磁諧振腔

式中c為光速，m、n、l為整數（對於TE模,其中之一可為零，對於TM模，三者均不能為零）。

圓柱形波導腔 　在圓波導兩端用導電壁短路而構成。在圓柱形波導腔中,與圓波導主模TE11相應的最低諧振模式是TE111。由於圓波導中TE01模的損耗小,相應的諧振腔模式為TE011，它沒有縱向電流，管壁損耗小,其Q值可比TE111模高2～3倍，是圓柱形諧振波長計的工作腔中最有用的模式，但它不是最低模,而且與TM111模簡併,須特別注意耦合結構的設計。林為乾在1950年發現圓柱形波導腔中至少存在五個簡併模，此外，還發現了球形腔中的簡併模。

電磁諧振腔

介質腔 　由低耗高介電常數的介質構成。利用電磁波在介質分界面上的全反射現象，使能量限制在介質內而不向外輻射。這種腔的Q值可高達10000。介質腔的外形可以做成角柱形、圓柱形和球形等。

開放式諧振腔 　由兩塊線度遠大於工作波長的金屬板對置而成，金屬板的形狀可以是平面鏡、球面鏡或拋物面鏡,通過端板上的小孔與波導耦合。這種腔的Q值可高達數萬。