諧振器

金屬波導(dǎo)與金屬諧振腔廣泛應(yīng)用于分米波、厘米波以及較長的毫米波段。由于波導(dǎo)的橫截面及諧振腔的尺寸與波長相近，例如矩形波導(dǎo)工作在 TE01 模時(shí)，其寬邊尺寸大于二分之一波長，因此到了短毫米波段以及亞毫米波段，金屬波導(dǎo)及諧振腔的尺寸太小，難于制造。在紅外波段或可見光波段，即波長為微米量級時(shí)應(yīng)用金屬波導(dǎo)或諧振腔更不可能。為此，介質(zhì)波導(dǎo)以及介質(zhì)諧振器迅速的發(fā)展起來并獲得廣泛的應(yīng)用。 雖然介質(zhì)波導(dǎo)及介質(zhì)諧振器的尺寸也處于波長可以相比的量級，但易于用微細(xì)加工手段制成微小尺寸。例如，截面尺寸為微米量級的光學(xué)纖維及光波導(dǎo)都屬于介質(zhì)波導(dǎo)。 金屬波導(dǎo)中的場可以被看成是平面波在導(dǎo)體面之間往復(fù)反射造成的，介質(zhì)波導(dǎo)中的場也可被看成是電磁波在介質(zhì)界面之間全反射所造成的。因此，被疏媒質(zhì)包圍的密媒質(zhì)就形成介質(zhì)波導(dǎo)。 理想的金屬波導(dǎo)內(nèi)電磁場沿橫向呈駐波，在波導(dǎo)邊界以外近似于理想導(dǎo)體，不存在電磁場。在介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)電磁場沿橫向呈駐波，但在介質(zhì)波導(dǎo)外仍然存在電磁場，它沿橫向呈漸減狀態(tài)，稱漸消場。 在充填均勻媒質(zhì)的金屬波導(dǎo)中，TE 模和 TM 模可以單獨(dú)的滿足波導(dǎo)壁的短路邊界條件，因此永遠(yuǎn)可以將 TE 模與 TM 模分開，他們都可以在金屬波導(dǎo)中傳播。當(dāng)金屬波導(dǎo)中填充兩種以上的媒質(zhì)時(shí)，或部分充填介質(zhì)時(shí)，電磁場除滿足導(dǎo)體壁上的邊界條件外，還必須滿足媒質(zhì)界面的連續(xù)條件。在均勻填充兩種以上媒質(zhì)的情況下只能有 TE 與 TM 的混合模式 HEM 模式。在了解了以上內(nèi)容以后，可以接下來進(jìn)一步了解介質(zhì)諧振器。

早在1939 年，介質(zhì)諧振器的概念和理論就已經(jīng)被提出但因?yàn)闆]有找到適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料，這個(gè)理論沉睡了 20 多年，未獲得實(shí)際的發(fā)展，到了 20 世紀(jì) 60 年代金紅石瓷等高介電率陶瓷（ε≈80100）的研制成功，使介質(zhì)諧振器又開始被人們注意。但是因?yàn)榻鸺t石瓷的溫度系數(shù)太高，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。20 世紀(jì) 70 年代研制了鈦酸鋇系和鈦酸鋯系陶瓷，它們的介電率高，損耗小，溫度系數(shù)低，才使得介質(zhì)諧振器實(shí)用化。 介質(zhì)諧振器具有體積小，重量輕，品質(zhì)因數(shù)高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。特別是便于應(yīng)用在微帶電路或微波集成電路中和毫米波段，受到很大重視，發(fā)展很快。當(dāng)介電率很高時(shí)介質(zhì)與空氣的界面近似于開路面，電磁波在界面上的發(fā)射系數(shù)接近于 1。這時(shí)可以把介質(zhì)諧振器的表面看成是開路壁，即磁壁。于是介質(zhì)諧振器成為具有齊次邊界條件的封閉系統(tǒng)，即等效開路壁（磁壁）諧振腔。

諧振器前言

最基本的諧振器件是介質(zhì)諧振器。要想了解介質(zhì)諧振器的工作原理首先要了解金屬波導(dǎo)與諧振腔。

諧振器一般特性

金屬波導(dǎo)的一般特性

傳輸電磁能量或電磁信號的途徑可分為兩類，一類是電磁波在空間或大氣中的傳播，另一類是電磁波沿波導(dǎo)系統(tǒng)的傳播。人類最初應(yīng)用的電磁波導(dǎo)波系統(tǒng)是雙線傳輸線，雙線傳輸線主要用在頻率較低的場合，當(dāng)使用頻率逐步提高時(shí)，雙線傳輸線的傳輸損耗以及輻射損耗急劇的增加，為了克服輻射損耗，采用了同軸線結(jié)構(gòu)。但是同軸線中所采用的模式仍然是TEM 模，必須有內(nèi)外兩根導(dǎo)體，到了頻率更高時(shí)內(nèi)導(dǎo)體的損耗變得很嚴(yán)重。在微波頻段即分米波段和厘米波段人們發(fā)現(xiàn)，用一根中空的金屬管來傳輸電磁波是可行的和方便的。在空管中不可能傳播 TEM模式，因此采用 TE ?；?TM 模，這就是金屬波導(dǎo)或稱為波導(dǎo)管。到了短毫米波段及亞微毫米波段金屬波導(dǎo)的截面積尺寸太小，加工不易，因此采用介質(zhì)波導(dǎo)作為傳輸系統(tǒng)。在光波段使用光學(xué)纖維和光波導(dǎo)也是介質(zhì)波導(dǎo)。 光學(xué)纖維簡稱光纖已成為傳輸電磁信號的主要手段。為了近似地實(shí)現(xiàn)短路面的邊界條件可以用具有高導(dǎo)電率的導(dǎo)體即金屬構(gòu)成的邊界面，這樣就形成金屬波導(dǎo)或稱波導(dǎo)管。金屬波導(dǎo)可以由一根波導(dǎo)管構(gòu)成，也可以由多根波導(dǎo)管構(gòu)成。略去導(dǎo)體表面損耗時(shí)，可將邊界看作短路面。波導(dǎo)波的特點(diǎn)是存在一個(gè)截止頻率，當(dāng)工作頻率高于截止頻率時(shí)，縱方向?yàn)榭煨胁ǎ瑱M方向?yàn)轳v波，工作頻率低于截止頻率時(shí)，縱方向成為衰減場或漸消場，橫方向仍然為駐波。金屬波導(dǎo)的傳播特性為ωc=T/（με）1/2=cT/（με）1/2或Fc= cT/2∏（με）1/2臨界狀態(tài)下，電磁波在介質(zhì)中的波長就是橫向波長，即λT=2∏/T=1/fc（με）1/2相應(yīng)的臨界狀態(tài)下真空中的波長稱為臨界波長。當(dāng)電磁波的角頻率大于波長的臨界角頻率時(shí)，電磁波可在波導(dǎo)中傳播，反之，波導(dǎo)是截止的。臨界角波數(shù)決定于波導(dǎo)的截面形狀和尺寸。

諧振器波阻抗

金屬波導(dǎo)的波阻抗

金屬壁是由良導(dǎo)體構(gòu)成而非理想導(dǎo)體，因此電磁波在波導(dǎo)中傳播時(shí)一定會有功率損耗，從而造成電磁波沿傳播方向上的衰減。其衰減常數(shù)為： а=1/4σδ*H2dL/P； 式中，L 為波導(dǎo)的橫截面的閉合邊界線；P 為波導(dǎo)中傳輸?shù)墓β柿?，σ為波?dǎo)壁的導(dǎo)電率；δ為波導(dǎo)壁材料中電磁波的趨膚深度。完全被短路面或開路面包圍的封閉電磁系統(tǒng)就是諧振系統(tǒng)。通常用高導(dǎo)電率的導(dǎo)體即金屬近似地實(shí)現(xiàn)短路面的邊界條件，這就是金屬壁的諧振腔。當(dāng)略去腔壁損耗，即認(rèn)為腔壁由理想導(dǎo)體構(gòu)成，同時(shí)腔內(nèi)充滿不導(dǎo)電的無損媒質(zhì)時(shí)，就是理想的諧振腔。 在描述諧振腔之前先做如下定義；矩形波導(dǎo)和矩形諧振腔的邊界面與矩坐標(biāo)系統(tǒng)的做表面重合。諧振腔的高度為b、寬度為a。當(dāng)矩形波導(dǎo)中a>b時(shí)，TE10模的臨界角波數(shù)最小，即臨界角頻率最低，因此TE10模為最低模。當(dāng)ba/2 時(shí)，TE01模為次低模。 當(dāng)矩形波導(dǎo)中 a=b 時(shí)，稱為正方形截面波導(dǎo)，此時(shí) TE10 模與 TE01 模臨界角頻率相同，此時(shí)的波導(dǎo)單模的傳輸帶寬為零。因此正方形的波導(dǎo)沒有實(shí)際用途。圓柱坐標(biāo)系的波導(dǎo)與諧振腔　研究邊界面與圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)面重合的波導(dǎo)和諧振腔，他們包括圓波導(dǎo)，同軸線，圓柱腔，同軸腔，扇形截面波導(dǎo)與諧振腔等柱形系統(tǒng)。也包括徑向線，喇叭波導(dǎo)等非柱形波導(dǎo)系統(tǒng)。 柱形波導(dǎo)的臨界波長λ為：λcTM= 2∏/TTM（με）。

諧振器主要封裝型號

石英晶體諧振器主要由石英晶片、基座、外殼、銀膠、銀等成分組成。根據(jù)引線狀況可分為直插（有引線）與表面貼裝（無引線）兩種類型。常見的主要封裝型號有HC-49U、HC-49/S、UM-1、UM-4、UM-5與SMD。

諧振器型號命名方法

石英晶體諧振器的型號命名由以下三部分組成。

第一部分：用一個(gè)漢語拼音字母表示外殼的形狀與材料，如金屬殼用 "J"表示，塑料殼用"S"表示，玻璃殼用 "B"表示。

第二部分：用晶體切型符號的第一個(gè)字母表示石英片切割取向的類型。晶體的切割類型及符號見表。

諧振器特性參數(shù)

石英晶體諧振器主要特性參數(shù)有標(biāo)稱頻率、調(diào)整頻差、溫度頻差、等效電阻、激勵(lì)電平、負(fù)載電容、靜態(tài)電容、老化率及溫度范圍。

①標(biāo)稱頻率：在規(guī)定的條件下，諧振器所指定的諧振中心頻率。

②調(diào)整頻差：在規(guī)定的條件下，基準(zhǔn)溫度時(shí)的工作頻率相對標(biāo)稱頻率的最大偏離值。

③溫度頻差：在規(guī)定的條件下，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，相對于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離值。

④基準(zhǔn)溫度：測量石英晶體諧振器參數(shù)時(shí)，指定的環(huán)境溫度。對于恒溫型石英晶體諧振器，一般為工作溫度范圍的中心點(diǎn)；對于非恒溫型石英晶體諧振器，為25℃±2℃。

⑤負(fù)載諧振電阻：石英晶體諧振器與指定外部電容相串聯(lián)，在負(fù)載諧振頻率時(shí)的電阻值。

⑥激勵(lì)電平：是指石英晶體諧振器工作時(shí)消耗的有效功率，它是表示施于石英晶體元件的激勵(lì)狀態(tài)的量度。常用標(biāo)準(zhǔn)值有0.1mW，0.5mW、1mW、2mW和4mW。實(shí)際使用時(shí)，激勵(lì)電平是可以調(diào)整的，激勵(lì)強(qiáng)時(shí)容易起振，激勵(lì)太弱時(shí)頻率穩(wěn)定性變差，甚至不起振。

⑦負(fù)載電容：是指與石英晶體諧振器一起決定負(fù)載諧振頻率約有效外界電容。負(fù)載電容常用的標(biāo)準(zhǔn)值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負(fù)載電容可以根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過調(diào)整一般可以將諧振器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱值。

⑧靜態(tài)電容：石英晶體諧振器兩引腳間的靜態(tài)電容。

⑨老化率：指隨時(shí)間的增加，石英晶體老化變化而產(chǎn)生的誤差。

⑩溫度范圍：指工作狀態(tài)環(huán)境溫度允許變化的范圍。

諧振器當(dāng)固有頻率接近相等時(shí)可以得到最大振幅，我們生活中用到的收音機(jī)，當(dāng)收音機(jī)是IC回路固有頻率和發(fā)射頻率一致時(shí)，在IC回路才可以得到最大振幅的信號，從而收到清晰的聲音，通常調(diào)諧就是改變IC回路的電感或者電容的大小來實(shí)現(xiàn)改變回路的固有頻率達(dá)到調(diào)諧選臺的，諧振器就是讓某個(gè)頻率信號通過，阻擋其他頻率信號，達(dá)到選擇的目的，當(dāng)信號頻率和諧振器固有頻率相等時(shí)，該信號順利通過就像通過一個(gè)小電阻（或?qū)Ь€）一樣，當(dāng)遠(yuǎn)離固有諧振頻率的頻率試圖通過它就像一個(gè)大阻抗。2100433B

介質(zhì)諧振器可看作兩端開路的介質(zhì)波導(dǎo)，振蕩模式與介質(zhì)波導(dǎo)中的模式相對應(yīng)，有無窮多種。介質(zhì)與空氣交界面呈開路狀態(tài)，電磁波在介質(zhì)內(nèi)部反射能量．在介質(zhì)中形成諧振結(jié)構(gòu)．高介電常數(shù)介質(zhì)能保證大部分場都在諧振器內(nèi)，不易輻射或泄漏。諧振頻率由振蕩模式、諧振器所用的材料及尺寸等因素決定。分析方法有變分法、介質(zhì)波導(dǎo)模型法、混合磁壁法等．直接計(jì)算比較復(fù)雜和困難，當(dāng)給定介電常數(shù)和尺寸時(shí)，可從相關(guān)的曲線圖中查出諧振頻率。

石英諧振器常用的有圓片型、棒型、音叉型。

音叉型石英諧振器體積小，抗沖擊性能好、頻率低，其諧振頻率為32.768kHz，適于用在石英手表中。近來，不少石英鐘也采用了這種低頻石英諧振器。

圓片型為高頻石英諧振器，其諧振頻率為4.194304MHz，它大多為石英鐘采用。

棒狀石英諧振器由于其抗沖擊性能較差、體積也較大，因而不能適應(yīng)小型化的石英手 表需要。

目前，大量生產(chǎn)的是音叉型石英諧振器，石英音叉的振動屬于彎曲振動模式。叉臂一 端固定，一端自由地彎曲振動，其頻率是兩端自由彎曲振動的0.16倍。