4.5 同轴线谐振腔

实验三利用谐振腔及微扰法测试介质参数试验一、预习要求1、什么是微波谐振腔？2、什么是微扰法？3、了解测试系统的基本组成二、实验目的1、认识谐振腔，理解耦合的原理和作用2、通过了解介质微扰的特性3、掌握介质参数测试原理三、实验原理本装置的基本形式是四分之一波长开路同轴传输线谐振腔（以后简称开路腔）。

通过加装短路块，可构成电容加载的同轴传输线谐振腔（以后简称加载腔）。

与标量网络分析仪配合，可做谐振腔各项参数的测量，也可用作介质参数测量的传感器。

`本装置由腔体、内导体、耦合元件及传动、读数机构组成。

通过耦合元件可在谐振腔中激励（或耦合）同轴传输线中的TEM模。

腔体机构图如图1，其内径为24mm、内导体直径为8mm、内导体自短路面伸入腔体最大长度42mm、调节范围25mm。

对开路腔而言，其谐振频率范围为1.8~4.3GHz。

腔体和内导体均为HPb—59黄铜制作。

表面涂复7μm银层。

特性阻抗65.8Ω。

本装置配备有耦合环和耦合探针各两件。

学生可根据兴趣组成不同耦合方式的反射型或传输型谐振腔。

通过螺旋测微器，可精确调节和显示内导体的位置，并可将其固定。

在开路腔、内导体开路端内外导体间，装入小尺寸的介质样品环。

读出加入样品前后，谐振频率和有载品质因数的变化。

根据微扰原理，可计算样品的介电常数实部ε'和损耗角正切tanδ。

端盖图1谐振腔结构示意图四、实验内容与步骤1、谐振腔的激励与耦合；谐振腔由其耦合方式不同可以分为反射型和传输型两种类型，分别介绍如下：1.1．反射型谐振腔：将耦合环和耦合探针插入谐振腔任一耦合孔中，将其与标量网络分析仪的定向器件（驻波比桥或定向耦合器）测试端相连。

扫描范围设定为1.8~4.3GHz，调节耦合环的插入深度、方向。

可在显示屏上观测到谐振腔反射的频率响应曲线（反射谐振曲线）。

继续调节耦合环的插入深度和方向，使在感兴趣的频率上接近匹配状态。

（反射损耗—dB数最大或驻波比最小）。

覆铜板资讯2020年第6期1.研究背景在微波电路设计时，微波介质基板的电磁参数极为重要。

本课题专注于介质的电特性参数的测量，介质的电特性参数主要用相对介电常数εr（D k）和损耗角正切t a nδ(D f)表征。

采用不同的测试方法，同一材料测试出的介电性能也不尽相同，寻找合适的方法测试介电性能对于电路设计和材料应用极为重要。

鉴于当下的应用环境，行业对于Z 轴方向的D k值更为看重。

电路板材D k各向异性是在各个频段都普遍存在的，在高频频段这个问题更加值得关注，原因有以下几点：（1）毫米波环境下，为了增加信号的传输速度，高k介质受到广泛应用，基数变大，相应的，x-y平面与z轴方向的D k差值相应放大。

（2）高频板材小且薄，为了增加电路板的韧性，一般会加入玻纤布，网格状的玻纤布D k值一般是介质材料的2~3倍，玻纤布的存在，更加重了介电常数的各向异性。

在毫米波频段下不同测试方法测得的D k值差异更大，为适应当下应用场景，选择适当的测试方法对测试结果以及材料使用尤为重要。

当下介电性能的测试方法大多是对x-y 平面的D k进行测试，对Z轴方向的相对较少，传统的S P D R法，发展成熟且性能稳定，其谐振模式为T E模，只能测量x-y平面的介电常数。

在实际的电路板应用中，其Z轴的D k更为重要，因此当下电路设计者更关基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统研究西安交通大学微电子系功能材料研究中心顾腾向锋摘要：随着5G时代的到来,高频下介质电性能的精确测量对微波电路设计愈发重要。

毫米波频段下，器件尺寸减小、高k材料的应用等各方因素作用，致使材料Z轴方向（厚度方向）的介电性能受到更多关注。

业界至今还未形成对毫米波频段下介电材料性能测试的标准，寻得一种精确测量D k、D f的测试方法是必要的。

本课题基于I P C-T M650-2.5.5.5c，对当下高频领域的测试方法进行比对，并针对当下需求及其存在的问题，设计并提出一种基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统解决方案，从腔体设计、耦合方式以及基板等各方面实现优化。

【关键字】情况、方法、条件、模式、有效、和谐、加大、规律、稳泄、理想、方式、作用、结构、关系、简化、保证、取决于、方向、提髙、中心4-1谐振腔有哪些主要的参疑？这些参量与低频集总参数谐振回路有何异同点？答:谐振腔的主要特性参数有谐振频率、品质因数以及与谐振腔中有功损耗有关的谐振电导, 对于一个谐振腔来说，这些参数是对于某一个谐振模式而言的，若模式不同，这些参数也是不同的。

谐振频率具有多谐性，与低频中的回路，当其尺寸、填充介质均不变化时，只有一个谐振频率是不相同的。

任谐振回路中，微波谐振腔的固有品质因数要比集总参数的低频谐振回路髙的多。

一般谐振腔可以等效为集总参数谐振回路的形式。

4-2何谓固有品质因数、有载品质因数？它们之间有何关系？答：固有品质因数是对一个孤立的谐振腔而言的，或者说，是谐振腔不与任何外电路相连接 (空载)时的品质因数。

当谐振腔处于稳泄的谐振状态时，固有品质因数Qo的左义为WQo=27r——,其中W是谐振腔内总的储存能量，略是一周期内谐振腔内损耗的能量。

W T有载品质因数是指由于一个腔体总是要通过孔、环或探针等耦合机构与外界发生能量的耦合，这样不仅使腔的固有谐振频率发生了变化，而且还额外地增加了腔的功率损耗，从而导致品质因数下降，这种考虑了外界负载作用情况下的腔体的品质因数称为有载品质因数Q O 对于一个腔体，英中k为腔体和外界负载之间的耦合系数。

1 + R4-4考虑下图所示的有载RLC谐振电路。

计算其谐振频率、无载0。

和有载0“解：此谐振电路属于并联谐振电路，苴谐振频率为：无载时，Q = — =竿==/ *°°= 17.9说[L7 720X10~9/10X10_,2有载时，Qe=d = = --------- ---- ---------- = 40.25叫上/Z7 ^OxlO-'/lOxlO-12根据有载和无载的关系式—=—+丄得：Q L Q Q4-5有一空气填充的矩形谐振腔。

微波同轴腔滤波器无源互调的分析和优化我们研究如何计算空气腔体滤波器中无源互调功率产生，以及如何优化滤波器的设计来减小无源互调信号的幅度。

为了达到这个目的，我们使用仿真的结果来最优化滤波器的多个参数。

空气腔体滤波器中的PIM的大小取决于耗散在其腔体中的功率大小。

PIM功率随该耗散功率的减小而减小。

我们的实验结果说明，设计和生产低互调滤波器是完全有可能的。

I.简介当两个或两个以上射频信号通过传输线或通信系统所产生的无源互调信号会减少信道容量[1]。

PIM信号是由RF器件功率响应的非线性产生的。

可能产生PIM信号的器件有各种波导和腔体结构、滤波器、合路器，以及天线[3]-[5]。

PIM信号是非常麻烦的，一旦产生就不能补偿，这是因为PIM信号超过了滤波器的抑制范围。

PIM信号的产生机理已经被大家所认识，可以概括为信号通过非线性的接触和非线性的材料而产生互调信号。

许多研究人员对于PIM问题非常感兴趣。

例如，F. Arazm et al.[6]提出金属间的非线性接触会产生互调产物。

他们聚焦在相同或不同金属间接触面上产生的PIM信号，包括铜、铍铜、黄铜，以及各种其他材料。

B. Deats et al.[7]通过PIM源的模型预言了电缆组件产生的互调。

J Wilcox et al. [8]计算了由于加热使得同轴电缆壁变热而产生的互调产物。

实际上，降低互调的方法是高质量的工艺水平。

我们研究的主要内容是空气腔体滤波器产生的PIM信号。

论文以一个简短的对于腔体结构的互调问题评论以及延伸到在腔体滤波器中PIM特性的讨论为开头。

我们计算每个组成腔体滤波器的谐振腔中的功率耗散，从而发现在通带内哪个谐振腔会使主要的PIM信号增大。

然后我们讨论了一个六腔的滤波器在各种大小的腔体时的PIM值，还研究了我们是否可以采用在保持滤波器腔体外径不变的情况下，调整腔体内径来最小化PIM信号。

我们的研究表明了RF性能和产生PIM信号程度之间的关系。