CN105337006A - 一种温度补偿型殷钢双模滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度补偿型殷钢双模滤波器，包括腔体和对称设置于腔体两侧的耦合膜片，所述腔体采用殷钢材料制作成两端敞口、中空贯通的环状，所述耦合膜片采用温度变化系数大于殷钢材料的金属材料制作成与腔体侧面形状相同的片状；所述耦合膜片包括同轴分布的膜片本体和膜片凸起，所述膜片本体通过膜片凸起延伸入腔体内腔；所述膜片本体的平面尺寸等于腔体的外径尺寸，所述膜片凸起设置于膜片本体的一侧面或双侧面、膜片凸起的平面尺寸小于腔体的内径尺寸。结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强，可将滤波器的温漂控制在合理范围，实际温漂至少比殷钢滤波器的温漂降低一半以上，且实现通信频率的有效利用。

Description

一种温度补偿型殷钢双模滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别是涉及一种温度补偿型殷钢双模滤波器，属于通信设备技术领域。

背景技术

圆波导或者方波导谐振腔具有更高Q值、更大功率容量，利用其简并模式可实现单腔双模或多模，由此可构成双、多模滤波器。高性能、小体积、重量轻、较强真空微放电试验通过能力，使得多模滤波器在宇航应用，民用微波中继通信系统中应用广泛，在国内外也是研究热点之一。

在一定尺寸的圆形或者方形金属腔中，相同的频率可以以多种不同的谐振模式发生谐振，这些以相同频率谐振的模式简称为简并谐振模式。在无扰动的情况下，两种简并的谐振模式之间没有能量耦合。通过对谐振腔实施微扰可以使两个模式之间产生耦合，进而实现多模滤波器。如图1所示，圆柱形金属波导谐振腔引入螺钉微扰后造成TE111模或者TE112模分裂为两极化简并模，两简并模式的电力线互相垂直。通常这种类型的滤波器带宽比较窄，常应用在邻道频率间隔很近的系统中。

滤波器的通带频率在高低温下会随温度变化而产品频率漂移，漂移得越多，那么系统设计对邻道间的频率间隔就会越大，对有限频段内频谱利用率就越差。因此滤波器频率随温度变化产生的漂移量越小越好，通常这项指标我们称之为滤波器的温漂，这是滤波器设计中的一项重要指标及关键技术之一，同时也是通信系统中对滤波器能力的一个关键要求。

通常我们使用的滤波器结构形式有方波导双模滤波器或者圆波导双模滤波器，这类滤波器的计算方式及设计原理已经是一种非常成熟的技术了，有相当多的文献资料都提供了设计方法。

目前，用铝材料制作双模滤波器相对较少，对重量要求很苛刻的场合下有可能会用到，所以通常采用殷钢材料来制作。然而，滤波器的频率随温度变化的情况主要是由材料的热线性膨胀系数决定的。采用铝合金材料(热线性膨胀系数为23.6ppm/k)制成的6GHz双模滤波器其频率在环境温度变化90℃时变化约为12.7MHz；假如这个频段的滤波器带宽为20MHz，邻道频率间隔为25MHz，那么高低温情况下两个通道的滤波器就会互相偏移到对方的通道中，完全不能满足系统应用。若是采用殷钢材料(热线性膨胀系数为1.6～2.4ppm/k)的话，温漂会急剧下降到0.864MHz～1.3MHz；虽然这种情况下两个通道不会相互偏移到对方的通道中去，但是会使得邻道抑制降低，从而影响到系统通信；为了避免这种影响，只有将系统中的邻道频率间隔加大，然而这样又会使得系统在固定带宽内的通道数量减少，直接降低系统的频率利用率。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种新型结构的温度补偿型殷钢双模滤波器，特别适用于在微波点对点通信中应用。

本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的温度补偿型殷钢双模滤波器，不仅可将滤波器的温漂控制在合理范围，实际温漂至少比殷钢滤波器的温漂降低一半以上，而且实现通信频率的有效利用，极具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种温度补偿型殷钢双模滤波器，包括腔体和对称设置于腔体两侧的耦合膜片，所述腔体采用殷钢材料制作成两端敞口、中空贯通的环状，所述耦合膜片采用温度变化系数大于殷钢材料的金属材料制作成与腔体侧面形状相同的片状。

其中，所述耦合膜片包括同轴分布的膜片本体和膜片凸起，所述膜片本体通过膜片凸起延伸入腔体内腔；所述膜片本体的平面尺寸等于腔体的外径尺寸，所述膜片凸起设置于膜片本体的一侧面或双侧面、膜片凸起的平面尺寸等于或小于腔体的内径尺寸。

本发明进一步设置为：所述腔体为圆形柱状，所述膜片本体和膜片凸起一体成型为台阶状的圆形板状。

本发明进一步设置为：所述腔体的轴长为33mm、外径为32mm、内径为30mm，所述膜片本体的圆形板直径为32mm，所述膜片凸起的圆形板直径为30mm、厚度为1.1mm。

本发明进一步设置为：所述腔体为方形柱状或多边形柱状。

本发明进一步设置为：所述温度变化系数大于殷钢材料的金属材料为铝合金、铜、铝镁合金或锌合金。

本发明进一步设置为：所述耦合膜片的平面中心开设有耦合窗口。

本发明进一步设置为：所述耦合窗口为一字型孔、十字型孔、矩形或曲线型孔。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过腔体和耦合膜片的设置，其中腔体采用殷钢材料制作，耦合膜片采用温度变化系数大于殷钢材料的金属材料制作，并将耦合膜片制成设置有膜片凸起的膜片本体形式，使得膜片本体通过膜片凸起延伸入腔体内腔与腔体的侧面相连，可将滤波器的温漂控制在合理范围，实际温漂至少比殷钢滤波器的温漂降低一半以上，甚至可使滤波器的频带在90℃的温度变化范围内漂移仅仅是纯殷钢滤波器的1/4而已。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为现有技术中TE11X模的极化简并的分裂示意图；

图2为本发明一种温度补偿型殷钢双模滤波器的结构示意图；

图3为本发明一种温度补偿型殷钢双模滤波器的结构剖示图；

图4为圆波导内TE111模式的电场方向分布图；

图5为建模模型在ΔT为0℃的仿真结果；

图6为建模模型在ΔT为90℃的仿真结果；

图7为仅采用殷钢材料进行本发明滤波器建模在ΔT为90℃的仿真结果；

图8为产品测试结果。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图2和图3所示的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，包括腔体1和对称设置于腔体1两侧的耦合膜片2，所述腔体1采用殷钢材料制作成两端敞口、中空贯通的环状，所述耦合膜片2采用温度变化系数大于殷钢材料的金属材料制作成与腔体1侧面形状相同的片状；所述温度变化系数大于殷钢材料的金属材料可采用铝合金、铜、铝镁合金或锌合金。

所述耦合膜片2包括同轴分布的膜片本体21和膜片凸起22，所述膜片本体21通过膜片凸起22延伸入腔体1内腔与腔体1的侧面相连；所述膜片本体21的平面尺寸等于腔体1的外径尺寸，所述膜片凸起22设置于膜片本体21的一侧面、膜片凸起22的平面尺寸等于或小于腔体1的内径尺寸。如图2所示，所述耦合膜片2的平面中心开设有耦合窗口20，耦合窗口20可设为一字型孔、十字型孔或曲线型孔。所述膜片凸起22也可设置于膜片本体21的双侧面，便于将相邻腔体1进行连接，实现多腔结构的设计需求。

图2和图3所示的腔体1为圆形柱状，膜片本体21和膜片凸起22一体成型为台阶状的圆形板状；当然腔体还可根据实际需要制成为方形柱状或多边形柱状，耦合膜片则相应地制成方形板状或多边形板状。

从现有应用的材料来看，殷钢材料是选用到的热线性膨胀系数最小的可用材料了。在这个基础上要去优化滤波器的温漂，本发明从滤波器的制作结构和材料双方面去做改进，实现温度补偿功能，从而整体降低滤波器的温漂。

首先我们从单腔双模滤波器谐振频率跟腔体各个尺寸的关系来考虑，如图3所示，L为腔体的轴长尺寸，L1为腔体两侧耦合膜片之间的距离，D为腔体的外径尺寸、也即膜片本体21的直径尺寸，D1为膜片凸起的直径尺寸。单腔滤波器内部的电场分布如图4所示，其频率跟圆腔的直径、长度成反比关系，即其圆腔的直径变大、长度变长，频率都会变低。高温时，根据材料热胀冷缩的特性，圆腔的直径和长度都会变大，从而导致腔体的谐振频率降低；低温时，根据材料热胀冷缩的特性，圆腔的直径和长度都会变小，从而导致腔体的谐振频率升高。在现有基础上降低温漂的值，本发明采用让圆腔的直径或者长度在高低温变化时少变化或者是反方向变化的改进方案。

当腔体采用殷钢材料制作，耦合膜片采用铝合金制作，分析高温情况下L、L1、D、D1的变化趋势。已经殷钢的热膨胀系数α1＝1.7ppm，铝合金的热膨胀系数α2＝23.6ppm，温度变化量ΔT为+50℃。

从图3来看，影响腔体谐振频率的主要参数是L1、D、D1：L1变短，频率变高；D变大，频率变低；D1变大，频率变高。温度变高时，耦合膜片之间的距离变化ΔL1＝L*α1*ΔT-(L-L1)*α2*ΔT；从这一公式来看，可通过控制两边铝膜片凸起的高度，实现ΔL1完全做到不变。温度变高时，腔体的外径尺寸变化ΔD＝D*α1*ΔT，这个基本没有办法控制，完全由殷钢材料来控制，ΔD为正，会导致频率变低。温度变高时，膜片凸起的直径尺寸变化ΔD1＝D1*α2*ΔT，ΔD1为正，会导致频率变高。所以得出，D1和D两者变化的结合也会导致频率变化更小。

为了更加准确地得出频率变化的准确值，可通过HFSS建模来计算频率的变化值，从而得出符合设计需求的最准确的尺寸。选用腔体的轴长为33mm、外径为32mm、内径为30mm，膜片本体的直径为32mm，膜片凸起的直径为30mm、厚度为1.1mm，即取L-L1＝2.2mm、D＝32mm、D1＝30mm、L＝33mm进行建模。

通过建模和仿真计算，如图5和图6所示，可以得出，当ΔT为0℃时，计算出来的谐振频率为7.3765GHz；当ΔT为90℃时，计算出来的谐振频率为7.3762GHz；所以计算出变化的频率仅为0.3MHz。

如果本发明滤波器采用同一种殷钢材料制作，通过建模和仿真计算，如图7所示，当ΔT为90℃时，计算出来的谐振频率为7.3754，从而计算出变化的频率为1.1MHz。因此，本发明滤波器优化后的实际温漂约为纯殷钢材料的1/4而已。进行产品测试，如图8所示的产品测试结果，可以看出温漂基本上只有0.2MHz左右，跟计算结果基本吻合。

本发明的创新点在于，巧妙利用铝或铜或铝镁合金等温度变化系数大于殷钢的金属材料和殷钢的热膨胀系数存在差异，通过改进结构和材料应用，提供新型结构的温度补偿型殷钢滤波器，解决了滤波器温漂较大的问题，从而大大提升滤波器在系统中的可应用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：包括腔体和对称设置于腔体两侧的耦合膜片，所述腔体采用殷钢材料制作成两端敞口、中空贯通的环状，所述耦合膜片采用温度变化系数大于殷钢材料的金属材料制作成与腔体侧面形状相同的片状；

所述耦合膜片包括同轴分布的膜片本体和膜片凸起，所述膜片本体通过膜片凸起延伸入腔体内腔；所述膜片本体的平面尺寸等于腔体的外径尺寸，所述膜片凸起设置于膜片本体的一侧面或双侧面、膜片凸起的平面尺寸等于或小于腔体的内径尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述腔体为圆形柱状，所述膜片本体和膜片凸起一体成型为台阶状的圆形板状。

3.根据权利要求2所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述腔体的轴长为33mm、外径为32mm、内径为30mm，所述膜片本体的圆形板直径为32mm，所述膜片凸起的圆形板直径为30mm、厚度为1.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述腔体为方形柱状或多边形柱状。

5.根据权利要求1所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述温度变化系数大于殷钢材料的金属材料为铝合金、铜、铝镁合金或锌合金。

6.根据权利要求1所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述耦合膜片的平面中心开设有耦合窗口。

7.根据权利要求6所述的一种温度补偿型殷钢双模滤波器，其特征在于：所述耦合窗口为一字型孔、十字型孔、矩形或曲线型孔。