諧振腔的基本原理及基本參數(shù)概述諧振腔的基本原理一般情況下，諧振腔是在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)沿著傳播方向短路而成的。當(dāng)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的兩端短路后，將會使電磁場在腔體內(nèi)進(jìn)入持續(xù)震蕩的狀態(tài)，將電磁場完全限制在諧振腔內(nèi)，幾乎不存在輻射損耗，故諧振腔一般都具有較高的品質(zhì)因數(shù)Q。在諧振腔內(nèi)電場與磁場相互轉(zhuǎn)化，如果激勵的頻率恰好等于諧振腔某個工作模式下的頻率，那么此時電場能量等于磁場能量，整個腔體的能量處于最大值，這就是諧振現(xiàn)象。諧振腔的諧振頻率與腔體形狀、尺寸和傳導(dǎo)電磁波的波形均相關(guān)，當(dāng)滿足特定條件諧振腔發(fā)生諧振時，腔體內(nèi)的電場以駐波形式存在，并且可以同時存在多個諧振模式。諧振腔的主要作用在于儲存電磁能量和在放大器中作為對特定頻率的選頻器件。在研究與諧振腔相關(guān)的問題時，可以從場的角度將諧振腔看成是波導(dǎo)在傳播方向上加了兩個金屬隔板。由于電磁場完全集中于腔內(nèi)，沒有輻射損耗，所以其品質(zhì)因數(shù)Q較高。諧振腔的形式很多，最常見的是矩形波導(dǎo)諧振腔和圓波導(dǎo)諧振腔。不同的形狀與尺寸會直接影響到諧振腔的電磁性能。實際上，電磁諧振腔就是無線電技術(shù)中的LC諧振回路的演化升級，對于傳統(tǒng)的LC諧振電路，不斷增加電路中電感的匝數(shù)，加大兩塊電容板之間的距離，即可逐漸從一個平面電路向一個三維立體器件轉(zhuǎn)化，當(dāng)電感匝數(shù)和電容板距離達(dá)到一個極限情況時，就會形成諧振腔。傳統(tǒng)的集總參數(shù)LC諧振電路隨著頻率的升高，電路產(chǎn)生的電磁輻射逐漸增強，電容元件也會產(chǎn)生更大的介質(zhì)損耗，所以在高頻段內(nèi)LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q會急劇下降，不再適用，而一般采用封閉金屬外殼構(gòu)成的諧振腔能夠解決傳統(tǒng)LC諧振電路存在的這些問題。利用諧振腔的儲能與選頻特性，可以構(gòu)成微波放大器與濾波器，應(yīng)用十分廣泛。圖2.SEQ圖\*ARABIC\s11 LC震蕩電路向諧振腔的演進(jìn)示意圖諧振腔有著廣泛的應(yīng)用場景，比如在光通信技術(shù)中需要光學(xué)器件的微型化與集成化，而環(huán)形諧振腔既可以實現(xiàn)微納米級別的精細(xì)尺寸，同時具有較高的品質(zhì)因數(shù)，因此在光通信技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。除此之外，諧振腔還被應(yīng)用于濾波器制作中，通過調(diào)節(jié)諧振腔的結(jié)構(gòu)尺寸、耦合比等參數(shù)，可以實現(xiàn)對寬帶、窄帶等的具體處理。諧振腔的基本參數(shù)上文介紹了微波諧振腔的基本原理和常見應(yīng)用，下面將以矩形諧振腔為例，定量的分析諧振腔中各個重要參數(shù)的含義與作用。諧振腔眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)中，除了尺寸與形狀之外，最重要的就是其諧振頻率f和品質(zhì)因素??，下文將對此作重點研究。圖2.2 矩形波導(dǎo)諧振腔（1）諧振頻率f：諧振腔在傳導(dǎo)電磁波時，如果激勵的頻率恰好等于諧振腔某個工作模式下的頻率，那么此時電場能量等于磁場能量，整個腔體的能量處于最大值，發(fā)生諧振現(xiàn)象，稱發(fā)生諧振時的這個特定頻率為諧振腔的諧振頻率f。由于發(fā)生諧振時，腔內(nèi)電場會保持駐波形式的分布，要維持駐波形式，那么就要求諧振腔的長度l必須是半波長λgl=p（2.SEQ公式\*ARABIC\s112）已知在波導(dǎo)內(nèi)，定義沿波傳播方向上兩個相鄰的等相位面的距離為波導(dǎo)波長，它與工作波長和截止波長滿足以下關(guān)系式：1（2.SEQ公式\*ARABIC\s113）由式（2.12）和式（2.13）可知，當(dāng)諧振腔發(fā)生諧振時，諧振波長λ0λ（2.SEQ公式\*ARABIC\s114）此時諧振頻率f為：f（2.SEQ公式\*ARABIC\s115）（2）品質(zhì)因數(shù)Q是表征諧振腔損耗大小的參量。由于諧振腔常用于在一定的工作模式下儲存電磁場的能量，理想狀態(tài)下駐波在諧振腔內(nèi)穩(wěn)定傳輸且不對外界產(chǎn)生輻射損耗。然而在實際應(yīng)用場景中，由于腔體金屬外壁只擁有有限的電導(dǎo)率，那么其表面電流的產(chǎn)生就會引起存儲的能量的損耗。品質(zhì)因數(shù)Q描述了諧振腔的損耗大小，同時對于品質(zhì)因數(shù)Q越高的諧振腔，其在選頻性能上也會有更好的表現(xiàn)。諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q包括無載品質(zhì)因數(shù)Q0與有載品質(zhì)因數(shù)QL。無載品質(zhì)因數(shù)是諧振腔自身固有的本征參數(shù)，是沒有外電路耦合影響，不承擔(dān)任何負(fù)載時所表現(xiàn)出來的性能。在選定工作模式的前提下，無載品質(zhì)因數(shù)是一個固定且唯一的值，所以無載品質(zhì)因數(shù)又被稱為固有品質(zhì)因數(shù)。無載品質(zhì)因數(shù)Q（2.SEQ公式\*ARABIC\s116）其中Wm+We代表諧振腔中所平均存儲的能量，然而本征結(jié)構(gòu)只存在于理論分析之中，在現(xiàn)實應(yīng)用中，諧振腔總是要通過與其他設(shè)備進(jìn)行耦合饋電，當(dāng)諧振腔與外界其他設(shè)備耦合時，由于負(fù)載的出現(xiàn)，會使得諧振腔的能量損耗變大，這時就要引入有載品質(zhì)因數(shù)QL，對與外電路相連的諧振腔進(jìn)行分析。通常情況下，有載品質(zhì)因數(shù)QL是可以通過測量與外電路耦合后諧振腔的諧振曲線來計算獲得。同時，有載品質(zhì)因數(shù)QL與無載品質(zhì)因數(shù)Q但在實際中腔體要通過耦合裝置與外界進(jìn)行能量交換，比如連接激勵或是耦合設(shè)備，外部負(fù)載還會使腔體的功率損耗增加，因此在研究諧振腔時一般要分析其有載品質(zhì)因數(shù)QL有載品質(zhì)因數(shù)QL=存儲在諧振腔內(nèi)的能量/單位弧度內(nèi)被諧振腔和外電路損耗的能量。其表達(dá)式與無載品質(zhì)因數(shù)Q0相似，即為Q除此之外，引入外品質(zhì)因數(shù)Qe的概念，