專利名稱：一種大功率切角方腔濾波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率切角方腔濾波器，屬于微波濾波器領域。
背景技術：
在衛星通信系統中，腔體濾波器是不可或缺的無源器件。它可以單獨作為一個部件對某一頻段的信號起濾波作用，也可以組合起來作為多工器的通道濾波器形成一個多工器網絡。隨著通信衛星通信容量的不斷增大，對腔體濾波器的功率、質量、體積的要求也越來越高。目前國際和國內常用的腔體濾波器有矩形波導膜片式濾波器，殷鋼薄壁圓腔雙模濾波器等，前者一般用于寬帶濾波器，其Q值(即濾波器的品質因數，衡量濾波器的濾波器特性的關鍵參數)也相對較低，后者則常作為傳統輸出多工器的通道濾波器。由于圓腔雙模濾波器一個諧振腔體內包含兩個模式，發熱量大且圓波導腔體的諧振器散熱性能較差， 限制了功率容量，目前Ku頻段150W的功率容量已經成為殷鋼薄壁圓腔雙模濾波器的極限， 在需要高Q值，大功率的場合，現有技術已經不能滿足需求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種大功率切角方腔濾波器，該濾波器具有大功率、高Q值、單模工作范圍寬、調試簡單、可以應用于窄帶設計等特點，可以滿足現階段日益增加的通信系統應用要求。本發明的技術解決方案是一種大功率切角方腔濾波器，包括上散熱片、側散熱片、散熱片固定夾、上半腔體、下半腔體、下散熱片、支架、頻率調諧螺釘和耦合調諧螺釘；所述大功率切角方腔濾波器為4階濾波器，由上半腔體和下半腔體扣合形成四個諧振腔體，均為長方體，呈田字形分布，且四個諧振腔體排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信號在所述大功率切角方腔濾波器中的傳輸順序，四個諧振腔體依次為第一諧振腔、第二諧振腔、第三諧振腔和第四諧振腔；所述四個諧振腔體均對四個側壁的棱切圓角，第一諧振腔側壁有長方形輸入耦合窗口 ；第四諧振腔側壁有長方形輸出耦合窗口 ；在第一諧振腔和第二諧振腔之間、第一諧振腔和第四諧振腔之間、第三諧振腔和第四諧振腔之間的側壁上有長方形耦合窗口 ；在第二諧振腔和第三諧振腔之間有兩個耦合窗口，一個為U形窗口，另一個為長方形窗口 ；所述耦合窗口位于各個諧振腔體的圓角處；上半腔體的頂部，在每一個諧振腔體的正對中心處位置有螺紋孔，用于安裝頻率調諧螺釘；上半腔體的頂部位于諧振腔體之間的長方形耦合窗口的位置有螺紋孔，用于安裝耦合調諧螺釘；上散熱片通過螺釘連接在上半腔體上，下散熱片通過螺釘連接在下半腔體上，支架通過螺釘連接在下散熱片上，側散熱片由散熱片固定夾按壓通過螺釘連接在上散熱片和支架上。
所述對諧振腔體四個側壁的棱切圓角半徑大小在5mm 12mm之間。本發明與現有技術相比的有益效果是(1)本發明結構上考慮將整個濾波器各耦合腔體垂直底面排布，呈田字型，使整個濾波器成平面排布結構，并在濾波器周圍增加散熱片。這樣做的可以增加散熱面積，即增強熱輻射能力；同時加大濾波器與冷基板的接觸面積，增強傳導散熱能力。能夠滿足真空環境中300W以上的大功率設計要求。(2)本發明將濾波器諧振腔設計為介于方腔和圓腔之間的切角方腔，并使其工作在模式TEOll模。各耦合孔都位于諧振腔的中心部位，形成側壁耦合，且均為磁耦合孔。各耦合孔開孔都較大，沒有形成小縫隙，從而減小了低氣壓放電和微放電的可能性。(3)本發明的濾波器諧振腔采用TEOll模式，該模式具有很高的Q值，遠高于矩形諧振器的TElOl模式，也高于目前常用圓腔雙模濾波器使用的TE113和TE114模式。(4)本發明的濾波器采用的TEOll模及使用的耦合窗口結構具有很寬的單模工作范圍，完全能夠滿足多工器的通道濾波器的需求，且由于本發明頻率調整螺釘和耦合調整螺釘的設計，濾波器的耦合和頻率均可以方便的進行調試，濾波器能夠實現窄帶和交寬帶的設計，能夠滿足廣泛的通信系統應用要求。
圖1是一個典型的四階廣義切比雪夫帶兩個傳輸零點的S參數幅度曲線；圖2是一個典型的大功率切角濾波器在CST中的傳輸特性仿真曲線。圖3是本發明大功率切角濾波器的整體結構示意圖；圖4是本發明大功率切角濾波器的爆炸結構示意圖；圖5是本發明大功率切角濾波器在CST中的仿真結構示意圖；圖6是本發明大功率切角濾波器的腔體正面示意圖；圖7是本發明切角方腔濾波器輸入/輸出耦合孔計算模型；圖8是本發明切角方腔濾波器輸入/輸出孔群時延計算結果；圖9是本發明切角方腔濾波器腔間耦合計算模型。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行進一步的詳細描述。發明的濾波器為帶一對傳輸零點的四階廣義切比雪夫濾波器，其耦合矩陣的綜合與典型的廣義切比雪夫濾波器相同，現有自編程序或商用軟件可以得出滿足指標要求的濾波器耦合矩陣，如圖1為耦合矩陣求出的濾波器傳輸特性曲線。圖2為CST中最終得到的傳輸特性仿真曲線。如圖3、圖4、圖5、圖6所示，本發明提供了一種大功率切角方腔濾波器，包括上散熱片1、側散熱片2、散熱片固定夾3、上半腔體4、下半腔體5、下散熱片6、支架7、頻率調諧螺釘8和耦合調諧螺釘9 ；所述大功率切角方腔濾波器為4階濾波器，由上半腔體4和下半腔體5扣合形成四個諧振腔體，均為長方體，呈田字形分布，且四個諧振腔體排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信號在所述大功率切角方腔濾波器中的傳輸順序，四個諧振腔體依次為第一諧振腔、第二諧振腔、第三諧振腔和第四諧振腔；所述四個諧振腔體均對四個側壁的棱切圓角，該切角不同于一般的為了方便加工的導圓角，是針對諧振腔體工作在TEOll模式進行的切角，諧振腔體四個側壁的棱切圓角半徑大小在5mm 12mm之間，本發明中采用半徑8. 5mm，如圖5中a為長方形耦合窗口，b 為U形耦合窗口分。第一諧振腔側壁有長方形輸入耦合窗口 ；第四諧振腔側壁有長方形輸出耦合窗口 ；在第一諧振腔和第二諧振腔之間、第一諧振腔和第四諧振腔之間、第三諧振腔和第四諧振腔之間的側壁上有長方形耦合窗口 ；在第二諧振腔和第三諧振腔之間有兩個耦合窗口，一個為U形窗口，如圖5中b所示，另一個為長方形窗口 ；所述耦合窗口位于各個諧振腔體的圓角處；諧振腔體的大小根據濾波器頻率的不同進行設計，耦合窗口的大小根據濾波器帶寬的不同進行設計，輸入輸出耦合窗口連接到波導端口，波導端口也由上半腔體4 和下半腔體5扣合而成，并設計了對外通過螺釘連接的法蘭接口。上半腔體4的頂部，在每一個諧振腔體的正對中心處位置有螺紋孔，用于安裝頻率調諧螺釘8 ；上半腔體4的頂部位于諧振腔體之間的長方形耦合窗口的位置有螺紋孔，用于安裝耦合調諧螺釘9 ；上散熱片1通過螺釘連接在上半腔體4上，下散熱片6通過螺釘連接在下半腔體 5上，支架7通過螺釘連接在下散熱片6上，側散熱片2由散熱片固定夾3按壓通過螺釘連接在上散熱片1和支架7上，為了增強導熱性能，連接面處均涂抹導熱材料。上半腔體4和下半腔體5均有法蘭面，上半腔體和下半腔體通過兩個法蘭面使用緊固螺釘連接，諧振腔體間的金屬墻壁上也設計有垂直于諧振腔體上下表面的螺孔，可通過螺釘連接，同時，諧振腔體間金屬墻壁上為了安裝緊固螺釘，對金屬墻壁局部進行了擴大，預留了緊固螺釘的安裝位置。上半腔體4和下半腔體5使用低膨脹合金材料，并進行表面處理。本發明大功率切角濾波器新穎的設計，即平面的諧振腔排列，大切角的方腔，精巧的窗口排列，側壁耦合等都是在考慮大功率的前提下進行設計的。這樣的設計有利于整體的散熱，從而實現大功率。同時整個濾波器耦合孔均為磁耦合孔，避免了電場聚集，且沒有小的間隙和尖刺，因此可以有效減小微放電和低氣壓放電發生的可能性。大功率切角濾波器既可以作為單獨的濾波器也可以作為多工器的通道濾波器使用。在第二諧振腔和第三諧振腔之間的U形窗口和長方形窗口共同實現了第二諧振腔和第三諧振腔之間的耦合，U形窗口和長方形窗口實現的物理電磁特性極性相反，且U形窗口的耦合量遠大于長方形窗口的耦合量，所以總體電磁特性為U形窗口的電磁特性，且可以通過調節長方形窗口處的調諧螺釘來調諧第二諧振腔和第三諧振腔之間的耦合量。本發明的濾波器為帶一對傳輸零點的四階廣義切比雪夫濾波器，其耦合矩陣的綜合與典型的廣義切比雪夫濾波器相同，現有自編程序可以得出滿足指標要求的濾波器耦合矩陣。本發明濾波器，共有輸入輸出，主耦合，交叉耦合和四個自耦合共八個耦合量，都可以對應在6)(6的耦合矩陣中找到相應耦合量。大功率切角方腔濾波器在各腔體上下都可以增加溫補裝置(如溫補橋)以改善溫度特性，故有溫補裝置(包括溫補橋)的改進方案也屬于本發明范疇，同時散熱片的形式也可以根據實際選用其他形式。大功率切角方腔濾波器的切角方形諧振腔平面結構排布，濾波器腔體各腔為各角有較大切角的方腔組成，其形狀不同于一般的方腔，也不同于一般的圓腔，而是其形狀介于方腔與圓腔之間。各耦合窗都開在切角的四個角上；所有耦合孔都為磁耦合孔，因此孔都較大。濾波器涂覆有溫控漆、導電膠、導熱膠，并在內表面鍍銀。傳統的圓波導濾波器由于受限于與冷基板接觸面積，因此在大功率下熱耗無法散發，限制了其功率容量。而本發明中平面排布的諧振腔結構，使濾波器與冷基板接觸面積大大增加，有利于熱傳導，大大解決了高功率下熱傳導的設計瓶頸，而增加的上下散熱片和側散熱片也增加了熱輻射的面積，同樣有利于散熱。采用切角方腔的原因是為了使濾波器工作于TEOll模式，在該模式下Ku頻段，單模工作帶寬可以> 500MHz，同時該種濾波器可以設計成為窄帶濾波器，因此結合這兩方面因素，可以將該種濾波器應用于多工器設計中，作為多工器的一個通道濾波器使用。各耦合孔開孔位置都在諧振器的四個角上，其原因是其他位置均不利于TEOl模的傳輸，開在四個角上，不僅有利于TEOl模的傳輸，同時可以抑制其他模式的傳輸，從而拓寬單模工作帶寬。大功率另外一個限制是如果各耦合孔聚集強電場則容易擊穿或者發生低氣壓放電和微放電，大功率切角方腔濾波器所有耦合窗設計均采用磁耦合，沒有小間隙，避免了聚集電場的產生，成功的解決了高功率濾波器設計中遇到的微放電、常壓氣體放電問題。大功率切角方腔濾波器在第二諧振腔與第三諧振腔之間主耦合采用了一個負耦合結構，本發明巧妙的將一個耦合量用兩個耦合窗來共同實現。其中一個耦合窗成U形，位于濾波器諧振器內側，產生一個較大的負耦合量，另一個矩形窗位于濾波器諧振器外側，產生一個較小的正耦合量，共同作用下產生一個總的負耦合量。獨特設計的U形耦合窗精巧的實現了負耦合，且保證了傳輸函數的對稱特性，即可以通過改變U形窗的尺寸調整傳輸曲線的對稱性，在另一角開一個正耦合窗的原因是，由于U形窗位于濾波器結構內側，較難直接調節，而通過在另一個靠外的切角處開一個矩陣耦合窗，則可以很方便地實現一個正耦合量，通過調節該正耦量則容易調節主耦合的耦合量了。大功率切角方腔濾波器可以在諧振腔上下部添加溫度補償裝置，改善溫度特性。 大功率產品往往受到工作溫度的影響，隨著工作溫度的變化，通帶會隨之偏移，影響工作性能。雖然選擇溫度系數小的材料如殷鋼可以改善溫度特性，但是能力有限。傳統的圓波導濾波器諧振器上下都為開孔位置，沒有辦法采用溫補弓等物理的溫補裝置，而本發明所有耦合孔都開在諧振器的側面，在使濾波器結構成平面而有利于散熱的同時，最大的好處是可以在諧振器的上下面添加入溫補弓之類的溫補裝置。溫補裝置(如溫補弓)是通過溫度變化時，溫補弓拉緊或放松造成諧振器上下面形變從而改變諧振頻率的方法來彌補由于溫度引起的頻率偏移。因此，添加了溫補裝置后可以非常明顯的改善濾波器溫度特性。大功率切角方腔濾波器螺釘有三種，如圖3、圖4、圖6所示，9為耦合量調諧螺釘， 位于各耦合窗垂直方向，濾波器各耦合窗，包括輸入、輸出耦合窗口，1-4耦合窗以及2-3主耦合的矩形窗都加入調諧螺釘，可以對耦合量進行微調減小由于加工公差等原因導致的耦合量誤差；8為頻率調諧螺釘，位于各諧振腔的中心位置，可以對各諧振腔的頻率進行微調，同時實現各諧振器的自耦合；緊固螺釘10位于各腔體周圍。濾波器腔體加工時分為上下兩部分，然后通過緊固螺釘安裝到一起。為了防止泄露，需要在濾波器周圍加足夠多的緊固螺釘，同時在中間腔體間也需要加緊固螺釘，以防止各耦合腔之間的能量泄露，破壞濾波器性能。大功率切角方腔濾波器的仿真計算包括以下步驟1)在商用仿真軟件CST或者HFSS中利用特征模求解器，建立諧振腔模型，通過調整諧振腔大小和切角的大小，使諧振腔諧振在所需頻點，并具有良好的Q值和單模工作帶寬。由于這里計算的為一個獨立的諧振器，而實際上還需要開耦合窗，開耦合窗會降低諧振器的諧振頻率，因此此處應該使諧振頻率略高于所需頻率。2)為諧振腔添加輸入或輸出耦合窗，利用群時延仿真法，對應耦合矩陣計算出的
輸入輸出群時延，群時延與輸入輸出耦合量的關系為M01 =松赤，其中Mtll為輸入或輸出
耦合，Βω為帶寬，τ (COtl)為群時延；調整耦合窗大小，使仿真的群時延與耦合矩陣計算出的群時延相等。得出濾波器的輸入輸出窗口尺寸，如圖7和圖8。3)腔間耦合窗的計算采用本征模求解方式。在仿真軟件中建立兩腔的模型，如圖 9，通過特征模求解器計算出兩腔之間的耦合量。兩腔之間的耦合量等于求解的模式之間的差值，該值應該等于耦合系數與設計帶寬的乘積，即=Coup = MijXBu，其中Mij為對應耦合系數；Βω為帶寬，Coup為對應的實際耦合量。4)上述步驟完成后，需要對濾波器進行整體仿真，通過步驟1)、步驟幻和步驟3) 得到了初始的濾波器尺寸和窗口尺寸，可以反復調節各尺寸，通過比較S參數的優略來改變耦合窗口及頻率螺釘的尺寸，最終達到優良的仿真結果。當然也可以采用其它方法進行整體仿真。最終本發明的能夠達到下列性能參數及指標，如表1所示表 權利要求
1.一種大功率切角方腔濾波器，其特征在于包括上散熱片(1)、側散熱片(2)、散熱片固定夾(3)、上半腔體(4)、下半腔體(5)、下散熱片(6)、支架(7)、頻率調諧螺釘(8)和耦合調諧螺釘(9)；所述大功率切角方腔濾波器為4階濾波器，由上半腔體(4)和下半腔體(5)扣合形成四個諧振腔體，均為長方體，呈田字形分布，且四個諧振腔體排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信號在所述大功率切角方腔濾波器中的傳輸順序，四個諧振腔體依次為第一諧振腔、第二諧振腔、第三諧振腔和第四諧振腔；所述四個諧振腔體均對四個側壁的棱切圓角，第一諧振腔側壁有長方形輸入耦合窗口 ；第四諧振腔側壁有長方形輸出耦合窗口 ；在第一諧振腔和第二諧振腔之間、第一諧振腔和第四諧振腔之間、第三諧振腔和第四諧振腔之間的側壁上有長方形耦合窗口 ；在第二諧振腔和第三諧振腔之間有兩個耦合窗口，一個為U形窗口，另一個為長方形窗口 ；所述耦合窗口位于各個諧振腔體的圓角處；上半腔體(4)的頂部，在每一個諧振腔體的正對中心處位置有螺紋孔，用于安裝頻率調諧螺釘(8)；上半腔體(4)的頂部位于諧振腔體之間的長方形耦合窗口的位置有螺紋孔， 用于安裝耦合調諧螺釘(9)；上散熱片(1)通過螺釘連接在上半腔體(4)上，下散熱片(6)通過螺釘連接在下半腔體(5)上，支架(7)通過螺釘連接在下散熱片(6)上，側散熱片(2)由散熱片固定夾(3)按壓通過螺釘連接在上散熱片(1)和支架(7)上。
2.根據權利要求1所述的一種大功率切角方腔濾波器，其特征在于所述對諧振腔體四個側壁的棱切圓角半徑大小在5mm 12mm之間。
全文摘要
一種大功率切角方腔濾波器，包括上散熱片、側散熱片、散熱片固定夾、上半腔體、下半腔體、下散熱片、支架、頻率調諧螺釘和耦合調諧螺釘，用于通信系統中，可單獨作為一個部件對某一頻段的信號起濾波作用，也可以組合起來作為多工器的通道濾波器形成一個多工器網絡，實現了濾波器諧振腔體TE011模的成功應用，顯著提高了濾波器的功率容量，具有很高的品質因數，巧妙設計了一個U形窗和矩形窗兩窗共同實現一個負耦合的結構，既降低了濾波器低氣壓放電和微放電的可能性，又保證了濾波器的傳輸對稱特性，且易于調試，整個濾波器成平面排布結構能夠很好的散熱且可以安裝外部溫度補償裝置，保證了濾波器的溫度穩定性。
文檔編號H01P1/208GK102185170SQ20111004772
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者夏亞峰, 張燚, 殷新社 申請人:西安空間無線電技術研究所