介电共振器是一种非导电性但可极化的介电材料,通常由陶瓷制成,专为作为无线电波的共振器而设计,尤其在微波和毫米波范围内。微波被限制在共振材料内,因为其表面介电常数的突然变化,并在两侧之间反弹。当频率达到特定的共振频率时,微波会在共振器中形成驻波,并且以大幅度振荡。
介电共振器的主要用途是用于毫米波电子振荡器(介电共振器振荡器,DRO),以控制产生的无线电波频率。
这些共振器通常由一块具有高介电常数和低损耗因子的陶瓷“圆盘”组成。共振频率由共振器的物理尺寸和材料的介电常数决定。与光滑的金属腔体共振器相比,介电共振器的工作原理有一定的相似性,但无线电波是由介电常数的大变化反射,而不是金属的导电性。在毫米波频率下,金属表面变成损失反射器,因此介电共振器在这些频率下被广泛使用。
早在19世纪末,Lord Rayleigh便展示了无限长的介电材料圆柱形棒可以作为导波管。 20世纪初德国进行的理论和实验研究进一步揭示了电磁波在介电棒导波管中的行为。由于介电共振器可以被视为截断的介电棒导波管,这些研究对于理解介电共振器中的电磁现象至关重要。
1939年,Robert D. Richtmyer发表了一项研究,证明了介电结构可以与金属腔体共振器相同地工作,他适当地称这些结构为介电共振器。 Richtmyer还展示了如果暴露于自由空间,介电共振器必须因为介电到空气的边界条件而辐射。这些结果在后来的介电共振器天线(DRA)发展中得到了应用。
介电共振器在20世纪60年代时的重要性不断上升,因为高频电子学和现代通讯行业的兴起。
尽管介电共振器与金属腔体有许多相似之处,但两者之间有一个重要的区别:金属腔体的外部电场和磁场均为零(即开路边界条件完整满足),而介电共振器的墙壁外部的电场和磁场则不是零。即便如此,电场和磁场在远离共振器墙壁的地方会显著衰减。对于给定的共振频率,能量大部分储存于具有足够高介电常数的共振器中。
介电共振器可以显示出与金属腔体相当的极高Q因子。
在介电共振器中,可以激发三种类型的共振模式:横电模式(TE),横磁模式(TM),以及混合电磁模式(HEM)。理论上,每组模式中有无限种模式,所选择的模式通常依据应用需求。一般来说,TE01n模式是在大多数无辐射应用中使用的,但其他模式可能在特定应用中具有某些优势。
介电共振器的最常见应用包括:过滤应用(最常见的是带通和带阻滤波器)、振荡器(二极管、反馈型、反射型、传输型和反应型振荡器)、频率选择限制器以及介电共振器天线的元件。
随着材料科学和制造技术的进步,尽管近期已经在减轻介电共振器对温度变化和机械振动的敏感性方面取得了一些改善,但仍然可能需要补偿技术来稳定电路性能。这使得我们思考,未来的技术将如何进一步改进介电共振器的效能和应用范围呢?