一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器的製作方法

2023-05-08 02:12:16 1

專利名稱：一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種濾波器和雙工器，特別是一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器，主要應用在微波濾波器、多工器領域。
背景技術：
在衛星跟蹤系統中，腔體濾波器和雙工器是不可或缺的無源器件。隨著衛星技術的不斷發展，對腔體濾波器和雙工器在各種環境下承受的功率和損耗的要求也越來越高。目前國際和國內常用的腔體濾波器和雙工器有矩形波導膜片式濾波器和雙工器，殷鋼薄壁圓腔雙模濾波器和雙工器等，前者一般用於寬帶濾波器和雙工器，其Q值也相對較低，後者插損小，Q值高，在衛星通信系統和跟蹤系統中用途較多。殷鋼薄壁圓腔雙模波波器和雙工器採用雙模方式使得濾波器和雙工器腔體數目減少，可以提高性能價格比。在雙模腔中單獨地耦合和調諧某一簡併模是利用位於腔壁上的螺釘來實現的。在波導壁中插入一個可調整其插入深度的螺釘，改變螺釘的插入深度，就可以改變電抗的數值，從而進行阻抗匹配。當螺釘剛剛插入波導中時，電力線集中在其周圍，相當於在傳輸線上加上了一個電容，此時雖然螺釘上有感應的高頻電流，使其周圍有磁力線，也就是說有一定的電感量，但此時感抗要小於容抗，則總的呈現為容性電抗。當螺釘插入波導的深度增加時，電感量隨著加大，在某一插入深度呈現為由電感、電容構成的串聯諧振電路。當螺釘的深度繼續增加，則感抗超過容抗，總的呈現為感抗。在這裡，調諧螺釘用作諧振電路中的並聯電容器，以降低諧振頻率，螺釘的位置位於該模的電場最大值附近。在衛星跟蹤系統中使用的濾波器和雙工器要在衛星發射升空的過程中正常工作，因此它和其它系統中的濾波器和雙工器相比有一個很大的區別，即對低氣壓環境下濾波器和雙工器的承受功率有特殊要求，這時雙模腔中引入的耦合螺釘位於電場最大值附近，非常容易引起放電現象。對空間大功率跟蹤系統，因此提高其低氣壓環境下功率容量是主要因素。提高功率首先要解決濾波器和雙工器腔體內電場的集中分布這一對低氣壓環境下功率容量影響很大的因素。大功率工作條件下，電場強度越大，電場分布越集中，越容易造成低氣壓放電和微放電。而目前通用的濾波器和雙工器低氣壓放電閾值較低，無法滿足低壓下大功率的要求。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器，從而避免低氣壓放電問題，最終使得它們能正常工作在離地面30-100公裡的空間區域。本發明的技術解決方案一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特點在於在所述濾波器中每個圓柱形腔體(1)的側壁裝有耦合窗G)，所述耦合窗(4)為一凸出式空心稜柱或圓柱結構，所述稜柱或圓柱結構的一面與圓柱形腔體(1)的側壁相通；所述耦合窗(4)上加有耦合窗蓋板(5)，以保持圓柱形腔體(1)的密閉，從圖7a、7b可以看出，本發明這種設計大大減小了螺釘處集中的電場分布，從而減少了低氣壓放電的發生。為了進一步減少了低壓放電的發生，本發明在上述技術解決方案的同時，在所述濾波器輸入接頭加有輸入耦合環(8)，輸出接頭加有輸出耦合環(7)，輸入耦合環(8) —端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上；輸出耦合環(7) —端連接在輸出接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上。輸入輸出採用環結構，耦合方式為磁耦合方式，能夠進一步減少低壓放電的發生。為了調試的簡易和方便，本發明上述兩個技術方案的基礎上，在每個圓柱形腔體(1)的側壁中間位置安裝有兩個互相垂直深入圓柱形腔體(1)的介質螺釘(6)，其中一個介質螺釘(6)位於輸入接頭的中心和安裝輸入接頭的底面的中心；輸入耦合環(8) —端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上。所述耦合窗向外凸出的深度可調，以實現頻率和耦合的調諧。在所述每個圓柱形腔體⑴的側壁中央呈180度對稱嵌入耦合窗，便於機械加工。本發明除提供上述抗低氣壓圓腔雙模濾波器，還將上述兩個濾波器組合成雙工器，即形成一種抗低氣壓圓腔雙模雙工器，兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器公用一個輸出接頭。本發明與現有技術相比的優點在於(1)傳統的圓波導濾波器在圓腔上安裝3個螺釘，其中1個為耦合螺釘，是為了激勵起與原TElll模正交的另一簡併模式，另外兩個為頻率螺釘，分別用來調節兩個模式的諧振頻率，但是通過試驗發現，安裝的螺釘處的電場非常集中，是在低氣壓環境下引起放電的薄弱環節，為了降低電場強度，本發明抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器的諧振腔體不是常規的圓柱形腔體，而是在圓腔側面外凸式耦合窗，外凸式耦合窗改變了原圓形諧振腔體的電磁場特性，激勵起與原TElll模正交的另一簡併模式，本發明的這種外凸式耦合方窗替代了以往的頻率螺釘和耦合螺釘，大大減小了螺釘處的電場分布，提高了低氣壓放電閾值，最終使得它們在離地面30-100公裡的空間區域能正常工作。(2)本發明抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器的輸入輸出採用耦合環的形式，可以進一步避免低氣壓放電問題。(3)本發明的抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器的頻率調節機構為頻率調諧介質螺釘，位於每個圓柱形腔體的中間位置，頻率調諧螺釘採用介質螺釘進行調諧，這種介質螺釘附近的場強較低，避免低氣壓放電現象的發生。頻率調諧螺釘是通過調諧諧振腔體的電場進行頻率調諧的。(4)本發明的抗低氣壓圓腔雙模濾波器和雙工器既可以拆分作為單獨的濾波器，也可以組合作為多工器使用。總之，本發明採用外凸式耦合窗的濾波器和雙工器具有低氣壓下承受大功率、高Q值、調試簡單、可以應用於窄帶設計等優點。


圖1為本發明中的抗低氣壓圓腔雙模濾波器示意圖2為本發明中的抗低氣壓圓腔雙模雙工器示意圖；圖3為本發明中的抗低氣壓圓腔雙模雙工器外形圖；圖4a、圖4b為本發明的抗低氣壓圓腔雙模雙工器輸入腔的爆炸結構圖；圖5a、圖5b、圖5c為本發明抗低氣壓圓腔雙模雙工器輸出腔的爆炸結構圖；圖6為本發明耦合窗4的具體結構圖；圖7a為常規螺釘方案的圓腔雙模雙工器工作模式TEll模電場分布，圖7b本發明抗低氣壓圓腔雙模雙工器工作模式TEll模電場分布；圖為本發明耦合環倒角前的電場分布，圖8b為本發明耦合環倒角後的電場分布；圖9a為本發明給出的凸出式圓柱結構的示意圖，圖9b為本發明給出凸出式空心稜柱的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明抗低氣壓圓腔雙模濾波器結構由兩個圓柱形腔體1構成，兩個圓柱形腔體1，即輸入腔和輸出腔，兩個圓柱形腔體1的側壁裝有耦合窗4。耦合窗4為一凸出式空心稜柱或圓柱結構，稜柱或圓柱結構的一面與圓柱形腔體1的側壁相通。兩個圓柱形腔體1中間夾有耦合膜片9。如圖2所示，本發明低氣壓圓腔雙模雙工器結構由兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器組成，兩個濾波器公用一個輸出接頭。為了進一步減少了低壓放電的發生，在濾波器輸入接頭加有輸入耦合環8，輸出接頭加有輸出耦合環7，輸入耦合環8 一端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體1的側壁上；輸出耦合環7 —端連接在輸出接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體1的側壁上。如圖3所示，為了進一步減少低壓放電的發生，還可以在每個圓柱形腔體1的側壁中間位置安裝有兩個互相垂直深入圓柱形腔體1的介質螺釘6，介質螺釘6的材料可以為聚四氟乙烯或聚亞醯氨，其中一個介質螺釘6位於輸入接頭的中心和安裝輸入接頭的底面的中心；輸入耦合環8—端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體1的側壁上。在耦合窗4上加有耦合窗蓋板5，以保持圓柱形腔體1的密閉。如圖l、2、33a、4b、fe、5b、5c所示，本發明具體的抗低氣壓圓腔雙模雙工器，雙工器由兩個濾波器組成，兩個濾波器公用一個輸出TNC接頭。每個濾波器由兩個圓柱形腔體1，即輸入腔和輸出腔、輸入SMA接頭2、輸出TNC接頭3、耦合窗4、耦合窗蓋板5、介質螺釘頭6、輸出耦合環7、輸入耦合環8和耦合膜片9構成。兩個圓柱形腔體1沿軸心方向連接在一起組成一個圓柱體，兩個圓柱形腔體1中間夾有耦合膜片9。輸入SMA接頭2位於圓柱體的一個底面，輸出TNC接頭3位於圓柱體的另一個底面。在每個圓柱形腔體1的側壁裝有耦合窗4，本實施例中耦合窗4在每個圓柱形腔體1的側壁中央呈180度對稱嵌入耦合窗4。耦合窗4為一凸出式空心稜柱或圓柱結構(本實施例即圖2、3中給出的為圓柱結構，每個濾波器腔體上有2個)，稜柱或圓柱的一面與圓柱形腔體1的側壁相通，耦合窗4上加有耦合窗蓋板5，保持圓柱形腔體1的密閉；輸入耦合環8 一端連接在輸入SMA接頭2的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體1的側壁上；輸出耦合環7 —端連接在輸出TNC接頭3的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體1的側壁上。在每個圓柱形腔體1的側壁中間位置安裝有兩個互相垂直深入腔體的介質螺釘6，其中一個介質螺釘6位於SMA2接頭的中心和安裝SMA2接頭的底面的中心。耦合窗4上加有耦合窗蓋板5，以保持圓柱形腔體1的密閉。在耦合窗蓋板5和腔體之間有耦合窗調節墊片10，通過選擇不同厚度的調節墊片10，可以改變耦合窗4的深度。在正常工作時，通信信號從兩個輸入的SMA進入腔體，通過腔體時會濾除不需要的雜波信號，在公共的TNC接頭輸出信號。如圖6所示，耦合窗4的數量一般每個腔體上兩個。圖9a和圖9b中給出了耦合窗4為一凸出式空心稜柱或圓柱結構的示意圖，其中圖9a給出凸出式圓柱結構的示意圖，圖9b給出凸出式空心稜柱的示意圖。如圖4b所示，在每個圓柱形腔體1的側壁中央呈180度對稱嵌入耦合窗4，為什麼採用中央呈180度對稱嵌入耦合窗4，以便於機械加工。如圖4b所示，輸入耦合環8為L型金屬導體，其中的一段平行焊接在SMA2的內導體上，另外一段平行於SMA2的中心和安裝SMA2的底面的中心連線上；然後安裝圓柱形腔體1的側壁上。好處便於調節和左右移動，環大小可以變化的，設計成L型仿真計算相對準確。結構穩定，振動受力更穩定。圖8a和圖8b為本發明的耦合環倒角前後的電場分布，對比可以看出倒角後電場變弱。其中圖8a為耦合環倒角前的電場分布，圖8b耦合環倒角後的電場分布。如圖5c所示，輸出耦合環7由一金屬圓柱體、一金屬方柱體和TNC內導體共同構成，其中TNC內導體焊接在金屬圓柱體側面，金屬圓柱體兩端焊接在金屬方柱體一端處，金屬方柱的另一端固定在濾波器腔體上，金屬方柱與TNC內導體平行。金屬圓柱體穿過兩個濾波器公共底面開有的一圓孔，與濾波器腔體的軸線平行。本發明的濾波器塗覆有溫控漆、導電膠，並在內表面鍍銀。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 1
參數指標要求中心插損(dB)通道i(f(n)^0.4通道2(f03)彡0.4
插損起伏(dB)通道 l(f02±lMHz)^0.15通道 2(f03± IOMHz)彡 0.25通f03+10M彡28隔離(dB)道1Hz通f02-lMHz彡28道2輸入輸出駐波比輸入通道 l(f02±lMHz)<1.25:1駐波比通道 2(f03± IOMHz)<1.25:1輸出通道 l(f02±lMHz)<1.25:1駐波比通道 2(f03± IOMHz)<1.25:1各通道輸入功率為80W (設計餘量大微放電於6dB)時無微放電，試驗在各通道輸入功率為40W (3dB餘量)時無微放電現象低氣壓放電單路輸入功率為20W時低氣壓無放電O常壓放電兩路輸入功率均為20W (平均)時無空氣擊穿。在常規設計的採用耦合螺釘的圓腔雙模濾波器和雙工器在C頻段最好情況低氣壓放電閾值為10W，而本發明的抗低氣壓圓腔雙模濾波器雙工器低氣壓放電閾值大於20W，大大提高了雙工器在低氣壓環境下的使用範圍。在進行低氣壓試驗時，試驗條件如下a.試驗壓力由正常環境壓力逐漸降到1. 3Pa ；b.環境溫度試驗室正常環境溫度；c.試驗時間試驗壓力從常壓下降到1. 3Pa的時間不少於10分鐘；d.試驗次數每個測試功率下，要重複3次降壓過程。在通道中加入20W連續波功率時，沒有出現異常，當加入25W連續波功率時，出現了放電現象，因此可見，本發明濾波器和雙工器低氣壓放電閾值在20W和25W之間。
權利要求
1.一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於在所述濾波器中每個圓柱形腔體(1)的側壁裝有耦合窗G)，所述耦合窗(4)為一凸出式空心稜柱或圓柱結構，所述稜柱或圓柱結構的一面與圓柱形腔體(1)的側壁相通；所述耦合窗(4)上加有耦合窗蓋板( ，以保持圓柱形腔體(1)的密閉。
2.根據權利要求1所述的抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於在所述濾波器輸入接頭加有輸入耦合環(8)，輸出接頭加有輸出耦合環(7)，輸入耦合環(8) —端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上；輸出耦合環(7) —端連接在輸出接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上。
3.根據權利要求1或2所述的抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於在每個圓柱形腔體(1)的側壁中間位置安裝有兩個互相垂直深入圓柱形腔體(1)的介質螺釘(6)，其中一個介質螺釘(6)位於輸入接頭的中心和安裝輸入接頭的底面的中心；輸入耦合環(8) —端連接在輸入接頭的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上。
4.根據權利要求3所述的抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於所述介質螺釘(6)的材料為聚四氟乙烯或聚醯亞氨。
5.根據權利要求1所述的抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於所述耦合窗向外凸出的深度和旋轉角度可調，以實現頻率和耦合的調諧。
6.根據權利要求1所述的抗低氣壓圓腔雙模濾波器，其特徵在於在所述每個圓柱形腔體(1)的側壁中央呈180度對稱嵌入耦合窗0)。
7.一種抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於包括權利要求1或2所述兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器，所述兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器公用一個輸出接頭。
8.一種抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於包括權利要求3所述兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器，所述兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器公用一個輸出接頭。
9.一種抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於所述雙工器由兩個濾波器組成，兩個濾波器公用一個輸出TNC接頭；所述每個濾波器由兩個圓柱形腔體(1)、輸入SMA接頭(2)、輸出TNC接頭(3)、耦合窗⑷、耦合窗蓋板(5)、介質螺釘頭(6)、輸出耦合環(7)、輸入耦合環(8)和耦合膜片(9)構成；其中兩個圓柱形腔體(1)沿軸心方向連接在一起組成一個圓柱體，兩個圓柱形腔體(1)中間夾有耦合膜片(9)；輸入SMA接頭( 位於圓柱體的一個底面；輸出TNC接頭(3)位於圓柱體的另一個底面；在每個圓柱形腔體(1)的側壁裝有耦合窗G)，所述耦合窗(4)為一凸出式空心稜柱或圓柱結構，稜柱或圓柱的一面與圓柱形腔體⑴的側壁相通，所述耦合窗⑷上加有耦合窗蓋板(5)，保持圓柱形腔體⑴的密閉；輸入耦合環(8) —端連接在輸入SMA接頭O)的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上；輸出耦合環(7) —端連接在輸出TNC接頭C3)的內導體上，另一端連接在圓柱形腔體(1)的側壁上。
10.根據權利要求9所述的抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於在每個圓柱形腔體(1)的側壁中間位置安裝有兩個互相垂直深入腔體的介質螺釘(6)，其中一個介質螺釘(6)位於SMA⑵接頭的中心和安裝SMA(2)接頭的底面的中心。
11.根據權利要求9所述的抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於所述輸入耦合環(8)為L型金屬導體，其中的一段平行焊接在SM/U2)的內導體上，另外一段平行於SMA(2)的中心和安裝SM/U2)的底面的中心連線上；然後安裝圓柱形腔體(1)的側壁上。
12.根據權利要求9所述的抗低氣壓圓腔雙模雙工器，其特徵在於所述輸出耦合環(7)由一金屬圓柱體、一金屬方柱體和TNC內導體共同構成，其中TNC內導體焊接在金屬圓柱體側面，金屬圓柱體兩端焊接在金屬方柱體一端處，金屬方柱的另一端固定在濾波器腔體上，金屬方柱與TNC內導體平行。金屬圓柱體穿過兩個濾波器公共底面開有的一圓孔，與濾波器腔體的軸線平行。
全文摘要
一種抗低氣壓圓腔雙模濾波器，在濾波器中每個圓柱形腔體的側壁裝有耦合窗，耦合窗為一凸出式空心稜柱或圓柱結構，所述稜柱或圓柱結構的一面與圓柱形腔體的側壁相通；抗低氣壓圓腔雙模雙工器由兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器組成，兩個抗低氣壓圓腔雙模濾波器公用一個輸出接頭。本發明採用外凸式耦合窗的濾波器和雙工器避免了低壓放電現象的發生，具有低氣壓下承受大功率、高Q值、調試簡單、可以應用於窄帶設計等優點。
文檔編號H01P1/208GK102394324SQ20111018134
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者倪大寧, 李欣, 楊軍, 殷新社, 袁建榮, 郭洪英 申請人:西安空間無線電技術研究所