CN101299481A - 用于介质谐振器电路的交叉耦合调谐装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于在介质谐振器电路中调整交叉耦合谐振器(302a、302b...302e)的装置和技术。例如具有设置为与电路中第一谐振器(302b)相邻的第一端(312a)和设置为与第二谐振器(302e)相邻的第二端(312b)的同轴电缆的交叉耦合元件(312)通过其第一和第二端支撑在电路的机壳(301)上。所述交叉耦合元件的至少一端与延伸穿过机壳外壁的交叉耦合调谐元件接触，以使得其能够实现从机壳(301)外面相对于机壳(301)内的相邻谐振器移动交叉耦合元件(312)相应端的操作，而无需打开所述机壳。

Description

用于介质谐振器电路的交叉耦合调谐装置

技术领域

本发明涉及介质谐振器电路，更具体地，涉及在诸如微波滤波器、振荡器、三工器、天线等电路中使用的交叉耦合的介质谐振器电路。

背景技术

介质谐振器用于许多电路之中，特别是微波电路，以用于集中电场。它们可用于形成过滤器、振荡器、三工器及其它电路。

图1是现有技术的典型介质谐振器的透视图。如图所示，谐振器10形成为具有圆环的电介质材料的圆柱12，纵向穿过孔14。虽然介质谐振器有多种应用，但是其主要应用与微波有关，特别是用于微波通信系统和网络中。

如在本领域中所公知的，介质谐振器和谐振器滤波器具有集中于不同中心频率的多种电场和磁场模式。一种模式是与按麦克斯韦方程所确定的系统谐振频率相对应的场配置。在介质谐振器中，基本谐振模式频率(即最低频率)是横向电场模式TE01δ(下文的TE模式)。典型地，它是基本TE模式，这是谐振器结合到其中的电路或系统的要求模式。第二种模式是混合模式H₁₁(或下文的H₁₁)。H₁₁模式是从介质谐振器中激发的，但是相当多数量的电场位于谐振器之外并且因此受到空腔的强烈影响。

图2是应用了多个介质谐振器10的现有技术的介质谐振器滤波器20的透视图。从图中移除顶壁(盖子)以显示出该滤波器的各组件。然而，典型地，当然，机壳24是完全封闭的。谐振器10设置在导电机壳24的空腔谐振器22中。导电的调谐盘42可位于谐振器10之上以允许所述谐振器中心频率的调整。导电的机壳24一般是矩形，包括六个平面外壁。

微波能量被通过输入耦合器28导入空腔。所述能量然后可以利用耦合环耦合到第一谐振器(例如谐振器10a)。导电的分离壁32将谐振器互相分开并且块(部分地或全部地)耦合在谐振器10之间。具体地，谐振器的电场内的导电材料基本上吸收与该材料一致的场并将其转化为导体中的电流，以使得所述场不能通过壁的另一侧。换句话说，电场内的导电材料引起电路中的损耗。因此，不带光圈的导电壁一般防止由壁所分开的谐振器之间的全部耦合，而带有光圈30的壁则允许在邻接的谐振器间控制耦合的数量。

接合到机壳24的基底26的导电调整螺杆33可设置于光圈30中以进一步影响相邻谐振器之间的场耦合并且提供谐振器之间的耦合调整。当设置在光圈内时，导电调整螺杆部分地阻碍光圈所允许的相邻谐振器之间的耦合。将更多的导电螺杆插入到光圈中会降低谐振器之间的耦合，而从光圈中抽出导电螺杆则会促进谐振器之间的耦合。

调谐盘42可以设置为与安装在穿过封闭壳24的顶盖(在图2中移除且未示出以允许观察到电路20的各组件)的调整螺杆44上的每个谐振器相邻。

在典型的介质谐振器电路中，例如过滤器，允许谐振器以特定的顺序相互耦合。例如，在图2中所示微波滤波器中，来自输入耦合器28的能量耦合到第一谐振器10a。谐振器10a通过壁32b中的光圈30a耦合到谐振器10b，谐振器10b也通过壁32c中的光圈30b耦合到谐振器10c，谐振器10c通过内壁32d中的光圈30c耦合到谐振器10d，等等。纵向的分离壁32a不包括光圈并因此防止任意其它谐振器对之间的交叉耦合。内壁32b、32c、32d也防止了其它交叉耦合，例如谐振器10a和10c以及谐振器10b和10d。

连接到输出耦合器38的耦合环设置为与最末的谐振器10d相邻以耦合滤波器20外的微波能量。

在某些介质谐振器滤波器电路中，可能需要提供其它非相邻谐振器之间的交叉耦合。为了调整滤波器的带宽(或衰减)，这可能是需要的。特别地，谐振器10的大小、它们的相对间隔、谐振器的数量、空腔22的大小、光圈30的大小和调谐盘42的大小和位置和/或调整螺杆33都对滤波器所需的中心频率、滤波器的带宽和滤波器阻带中的衰减有一定的影响(并需要控制设置)。滤波器的带宽主要由各个介质谐振器之间的磁场的耦合量所控制，其主要是耦合谐振器之间的间隔和谐振器之间的光圈(或其它开口)的尺寸的函数。通常，各个谐振器之间耦合越多，滤波器的带宽越宽。另一方面，滤波器的中心频率很大部分由谐振器的大小和来自相应谐振器10的调谐盘42的大小和间隔所控制。

为了允许谐振器之间的电磁场由于距离和/或分离壁32的原因而将不存在的交叉耦合，可以设置包括导电元件的交叉耦合器34(例如同轴电缆)，所述耦合器通过两个介质谐振器(例如谐振器10a和10c)之间一个或多个分离的壁32中的孔或槽25延伸。如果为了获得更多的最优滤波器传递函数，可用绝缘套管34a防止交叉耦合器与机壳导电接触。绝缘套管34a将探测器34b与机壳24电隔离，以使得与探测器34b重合的电场不被机壳的壁吸收，而是从交叉耦合器34的一端穿过另一端以用于耦合与交叉耦合器34的末端相邻的谐振器。

可以在授予Scott的题为CROSS COUPLED BANDPASS FILTER的美国专利5,748,058中找到交叉耦合介质谐振器电路的详细论述。

如前所述，为了调整滤波器的带宽或衰减，可能需要改变通过交叉耦合元件34所提供的交叉耦合量。过去，这已经通过打开机壳并将交叉耦合元件物理弯曲以将其移动靠近或远离相应的(多个)谐振器而得以手动实现。这是费力且耗时的过程，因为它通常需要移动其中一个壁以允许浸入空腔。典型地，机壳由通过大量(一般多打)螺杆连接的可移动壁所构造。因此，仅仅打开机壳以进入空腔可能需要松开螺杆20、30、40或甚至更多螺杆，当然，在调整之后，需要重新紧固以封闭机壳。由于调整是不精确的处理，所以通常接着测试滤波器看是否已经达到所要求的带宽或衰减。如果没有，必须重新拆掉螺杆，移开壁，重新调整交叉耦合元件，放回壁，重新安装螺杆，并且重新测试滤波器。

另外，在交叉耦合元件的末端位置的典型必要调整可能在百分之几英寸甚至千分之几英寸的量级。因此，通过用手或即使用工具弯曲交叉耦合元件来实现这样的调整是非常困难的。

发明内容

通过提供一种包括多个介质谐振器的介质谐振器电路而提供解决方案，每个介质谐振器包括由介电材料形成的主体，封闭谐振器的机壳，用于允许第一和第二谐振器之间电磁耦合的交叉耦合元件，该交叉耦合元件具有设置为与第一谐振器相邻的第一端和设置为与第二谐振器相邻的第二端，用于相对于所述第一谐振器移动所述交叉耦合元件的第一端的调整元件，所述调整元件包括从所述机壳悬垂下来的弹性带，这样所述带的一部分未受支撑，其中所述交叉耦合元件的第一端与所述带的未受支撑部分接触以使得所述弹性带的扰曲导致所述交叉耦合元件的第一端相对于所述第一谐振器进行位移，和具有通过机壳内的孔延伸的纵轴的支柱，以使得所述支柱的近端位于所述机壳之外而所述支柱的远端与所述机壳内的所述带的未支撑部分相接触，由此，所述支柱沿所述纵轴的至少一个方向的移动将在所述弹性带上施加力以使其弯曲，从而移动所述交叉耦合元件的第一端。

附图说明

现在将参考附图通过举例的方式对本发明进行描述，其中：

图1是现有技术的圆柱介质谐振器的透视图。

图2是现有技术的示例性交叉耦合介质谐振器滤波器去掉顶壁的透视图。

图3A是根据本发明原理的示例性交叉耦合介质谐振器滤波器去掉顶壁的顶示图。

图3B是图3A的具有位于其适当位置的顶壁的示例性交叉耦合介质谐振器滤波器的透视图。

图4A是示出图3A和3B的示例性通带滤波器在调整交叉耦合器之前的频率响应的曲线。

图4B是示出图3A和3B的示例性通带滤波器在调整交叉耦合器之后的频率响应的曲线。

具体实施方式

图3A是根据本发明原理的交叉耦合介质谐振器滤波器300的实施例去掉顶壁的顶视图。图3B是具有位于适当位置的顶壁的相同滤波器300的顶视图。滤波器300包括机壳301，所述机壳301具有底壁301a、四个侧壁301b、301c、301d和301e，以及顶壁(盖)301f以形成完全的封闭壳。介质谐振器302a、302b、302c、302d、302e位于机壳301内部以处理在滤波器300的空腔内部所接收到的场。虽然解释和描述了滤波器，但是本发明可应用于其它类型的介质谐振器电路，包括作为例子的振荡器、三工器、天线等。

可通过任何现有技术中已知的或将来发明的合理装置将场耦合到滤波器300中，包括通过机壳表面的微波传输带或通过说明书背景技术部分中结合附图2描述的耦合环。在一个实施例中，从导电探测器303提供的场耦合到邻近第一谐振器302a设置的输入耦合环308并且在输出耦合环311和邻近最末谐振器302e设置的同轴电缆310通过。

多个谐振器302设置在以任何适合于获得滤波器性能的目的配置的机壳中。在所图示的实施例中，谐振器302设置为成一排并且它们的纵轴互相平行(但不在一条直线上)并且通常驻留在垂直于它们的纵轴的两个平面之一中。例如，谐振器302a、302c和302e驻留在一个平面中而谐振器302b和302d驻留在另一个平面中。谐振器302安装在螺纹支柱323上，所述螺纹支柱323在机壳中设置在配合螺纹孔中以使得所述谐振器可沿着它们的纵轴移动以用于调整目的(也就是调整滤波器的带宽)。电路包括内壁325a、325b、325c、325d和325e以允许相邻的谐振器对之间进行有效耦合，例如谐振器对302a和302b、谐振器对302b和302c、谐振器对302c和302d、谐振器对302d和302e，同时基本防止非相邻谐振器的场耦合。例如，存在大量未被每对相邻的谐振器之间的导电壁阻断的空间，因此它们之间存在大量耦合。另一方面，内壁325a-325e基本阻断了耦合非相邻谐振器(例如谐振器302a和302c)之间的场的通路。

滤波器300进一步包括可调整地安装在机壳301上的圆环形导电调谐盘309，从而它们能够相对于谐振器302纵向移动。这些调谐盘用于调整谐振器的中心频率，并由此调整滤波器。这些盘可以是通过机壳301中的孔的带螺纹的圆柱体，以便在装配后提供调整。

在该例子中，为了获得电路特定要求的带宽(和/或其它运行参数)，设置有交叉耦合元件以允许谐振器302b和302e之间的交叉耦合。仅仅作为例子，所述交叉耦合元件是具有邻接于谐振器302b的第一端312a和邻接于谐振器302e的第二端312b的同轴电缆312。所述交叉耦合元件可通过压入安装到机械加工到两个内壁325中的两个槽335、337中而得以支撑于所述电路中。

交叉耦合元件312邻接谐振器302b的第一端312a被装配到材料319的弹性(即提供弹性作用)带。弹性带319的至少一些部分是未支撑的(悬垂的)。在图3A所示的实施例中，带319是桥状物，其分别通过内壁325b和外壁301b在其第一和第二端得以支撑，但是其中间没有支撑。或者，所述带可一端为悬臂而另一端可没有支撑。

在本发明的一个实施例中，带319由Ultem^TM制成，这是一种可从通用电气公司得到的聚醚酰亚胺聚合物。这种材料是适合的，因为Ultem^TM具有基本上与铝类似的热膨胀系数，其中铝是机壳301的普通材料。然而，任何具有弹性并足够坚固而不会在正常运行条件下失效(破裂或失去弹性)的材料都是可以接受的。

交叉耦合元件312在弹性带319的未支撑部分安装到该弹性带319。在图3A和图3B的实施例中，交叉耦合元件312的末端312a插入孔351，该孔钻入到带319的中部。在所图示的实施例中，从交叉耦合元件312的第一端312a移除外部导体和绝缘层，以使得弹性带319中的孔351可以具有非常小的直径而不削弱弹性带319。然而，这仅仅是执行细节。如果弹性带的材料足够坚固或带自身足够厚或交叉耦合器足够薄，就不需要这样的适应性调节。

或者，交叉耦合元件的末端可粘附到带上，通过夹子或其它连接机构连接到带上，与其一体形成，等等。甚至在其它可选实施例中，无需将交叉耦合元件固定到带319上，而是可以仅仅与该带319为非固定接触，只要弯曲带319引起交叉耦合元件312末端312a移动，，如以下更详细论述的。

螺纹螺杆322形式的支柱设置在机壳301的顶壁(盖)301f的适当位置的螺纹孔324中，以使得螺杆322的末端直接位于弹性带319的悬垂部分之上，并且优选地直接位于交叉耦合元件312的第一端312a之上。螺杆322的近端暴露在机壳301的外面并且优选地具有包括用于螺丝刀或其它旋转工具的接合凹口的头322a。因此，旋转螺杆322以促进其前进进入孔324，这促使螺杆的末端推靠带319，引起所述带319向下偏斜，这反过来移动交叉耦合元件312的第一端312a接近谐振器302b。旋转螺杆返回孔外以释放带319的压力，由此允许弹性带319返回其正常的不偏斜位置，从而使得交叉耦合元件的末端312a离开谐振器302b。

该机制允许通过从机壳外部旋转螺杆对交叉耦合器312的末端312a相对于谐振器302b的位置进行非常小且精确的调整，而无需打开机壳。螺杆的螺纹斜度越小，对于给定量的螺杆旋转交叉耦合器的移动越小，因此可以获得的调整精度越高。例如，a#4-40固定螺丝将提供螺杆的角旋转平移，大约每次螺杆旋转(也就是360°旋转)平移0.0250英寸。换句话说，一个完整的螺杆360°旋转将导致交叉耦合元件的末端移动0.025英寸(首先假设螺杆末端与弹性带相接触)。

螺杆322的末端不需装配到所述带，而是仅与其接触。当然，如果螺杆不装配到带，其仅能从中间的未偏移位置向下弯曲所述带，因为如果该螺杆被从机壳的带319的未偏移位置旋开，螺杆将只是失去与带的接触。因此，在这样的实施例中，当带319未偏移时，将带设置为使得交叉耦合元件312的末端312a位于与谐振器302b相隔最大潜在有效距离处将是可取的。然而，为提供甚至更大的调整选项，例如通过可旋转铆钉型连接，螺杆的末端可以可旋转地装配到带。以这种方式，螺杆322可拧入或者拧出机壳以便使得带319从未偏移位置向下及向上弯曲。

螺帽325可位于机壳301外部的螺杆322上以用于当交叉耦合器处于所要求位置时通过紧固螺杆322上的螺帽325在选定的位置锁定螺杆322。

在可选实施例中，可省略弹性带319，并且螺杆的末端可直接与交叉耦合元件312的第一端312a接触。在该实施例中，因为直接与交叉耦合元件接触，所以螺杆322应当是绝缘体。其可以由Ultem^TM形成。在该实施例中，交叉耦合元件312自身也应当是弹性的，以使得当螺杆旋出时向上弯回。具有足够弹性的同轴电缆可以广泛获得。或者，例如可通过旋转铆钉型连接可将交叉耦合元件的末端装配到螺杆的末端。在这种情况下，交叉耦合元件不一定必须是弹性的，而仅仅是柔软的(也就是其能够弯曲而不折断，但在释放压力时不必一定弯回到未偏移位置)。

在本发明一个实施例中，仅交叉耦合元件的一端是可调整的。然而，在其它实施例中，交叉耦合元件312的第二端312b也可以根据本发明原理调整。

图3A和3B示出了交叉耦合元件的两端都可调整的实施例。图3A和3B示出了位于交叉耦合元件312的第二端的调整机构的第二实施例。然而，应当理解的是，如前所述的在交叉耦合元件312的末端312a使用的相同的调整机构可用于交叉耦合元件的两端。根据该实施例，交叉耦合元件312的第二端312b插入孔中，所述孔径向钻入通过机壳中另一螺纹孔327的另一螺纹螺杆313的末端。螺杆应当是绝缘的，因为其直接与交叉耦合元件接触。例如，螺杆313可以由Ultem^TM形成。在这种情况下，螺杆可从其近端313a夹紧并非常轻微地旋转，例如，小于约5-10°量级的旋转以促使交叉耦合器的末端312b移向或移开谐振器302e。如上所述，这种形式的调整比在交叉耦合元件的第一端312a提供的调整机构更不精确。特别地，利用该形式的调整机构，螺杆的微微旋动将引起交叉耦合器312的末端312b位置的显著移动。此外，远大于约5-10°的旋转可能造成交叉耦合器永久变形甚至折断。优选地，包括锁定螺帽328或其它部件以一旦调整为确保其保持固定时，将螺杆313固定在适当的位置。

在另一实施例中，螺杆313和孔327没有螺纹，而是摩擦接合。在该实施例中，螺杆313可推入孔中或从孔中拉出以沿着图3A中箭头347的方向移动交叉耦合元件312的末端312b，这也将影响交叉耦合的量。应当注意的是，该实施例中的螺杆313仍能在孔327中旋转以影响耦合。

根据本发明，可对交叉耦合器的末端位置进行调整而无需打开机壳，在交叉耦合调整过程中节约大量成本。此外，能在微小的增量下以高精度进行调整。

由于为交叉耦合元件的末端提供了附加的、柔性支撑，本发明也使得整个电路更坚固和抗震。

图4A和4B是示出图3A和3B的示例性通带滤波器在交叉耦合器调整前后的频率响应的图表。具体地，该滤波器要求的通带是1950.625GHz-1964.375GHz，抑制要求1.949Ghz和1.966GHz的抑制要求。图4A示出在调整之前，即带319处于未偏移位置，在1.949GHz的所需低抑制频率的信号强度是-15.644dB，而在1.966GHz的所需高抑制频率的信号强度是-13.326dB。

图4B示出了调整螺杆319被旋动两个满转(旋转720°)导致交叉耦合器的第一端0.050平移后的频率响应。可以看出，滤波器抑制已经充分改善为1.949GHz的低抑制频率下的-22.833dB以及1966GHz的高抑制频率下的-23.678dB。

由此已经描述了本发明的一些具体实施例，各种变化、修改和改进对于本领域技术人员而言将是容易的。例如，装配元件可将谐振器装配在固定位置而使得调整当组装时确定或通过使用调谐盘和/或导电元件调整。。虽然没有在此特别论述，但是可由本发明显而易见地得到的这些改变、修改或改进旨在构成本说明书的一部分，并且落入本发明的精神和范围内。因此，上述描述仅作为例子而并并非进行限制。本发明仅如下列权利要求及其等同物来限定。

Claims (13)

1、一种介质谐振器电路(300)，包括：

若干介质谐振器(302a、302b...302e)，每个介质谐振器包括由介电材料形成的主体；

封闭所述谐振器的机壳(301)；

用于允许所述谐振器(302b、302e)的第一谐振器和第二谐振器之间电磁耦合的交叉耦合元件(312)，所述交叉耦合元件(312)具有设置为与所述谐振器(302b)的所述第一谐振器相邻的第一端(312a)和设置为与所述谐振器(302e)的所述第二谐振器相邻的第二端(312b)。

用于相对于所述谐振器的所述第一谐振器移动所述交叉耦合元件的所述第一端的调谐元件，所述调谐元件包括从所述机壳(301)悬垂的弹性带(319)，以使得所述带(319)的一部分未被支撑，其中所述交叉耦合元件的所述第一端(312a)与所述带(319)的所述未支撑部分相接触，以得使所述弹性带(319)的扰曲引起所述交叉耦合元件的第一端(312a)相对于所述第一谐振器(302b)移动；和

支柱(322)，该支柱具有延伸穿过所述机壳(301)中的孔(324)的纵轴，以使得所述支柱(322)的近端位于所述机壳的外部并且所述支柱(322)的远端与所述机壳(301)内的所述带(319)的所述未支撑部分相接触，因此所述支柱沿着所述纵轴的至少一个方向上的移动将在所述弹性带(319)上施加使其弯曲的作用力，因此所述交叉耦合元件的所述第一端(312a)移动。

2、如权利要求1的电路，其中所述支柱(322)是带螺纹的螺杆，并且所述孔(324)具有相配的螺纹。

3、如权利要求2的电路，其中所述交叉耦合元件(312)的所述第一端粘附于所述带(319)的所述未支撑部分。

4、如权利要求2的电路，其中所述弹性带(319)包括用于容纳所述交叉耦合元件的所述第一端(312a)的孔(351)，并且所述交叉耦合元件的所述第一端(312a)位于所述孔(351)内。

5、如权利要求1的电路，其中所述弹性带(319)包括第一端、第二端和中间部分，其中所述弹性带在所述第一和第二端支撑在所述机壳(301)上，而在所述中间部分未支撑。

6、如权利要求1的电路，其中所述弹性带(319)在所述第一端从所述机壳(301)悬挂。

7、如权利要求6所述的电路，其中所述交叉耦合元件的所述第一端(312a)在未支撑在所述机壳(301)的所述弹性带的一部分粘附于所述弹性带(319)，并且其中所述支柱(322)与所述弹性带(319)相接触。

8、如权利要求1的电路，其中所述交叉耦合元件(312)是柔软的。

9、如权利要求8的电路，其中所述交叉耦合元件(312)是弹性的。

10、如权利要求1的电路，其中所述弹性带(319)是绝缘的。

11、如权利要求10的电路，其中所述弹性带(319)由聚合物形成。

12、如权利要求1的电路，进一步包括：

第二支柱(313)，该第二支柱具有第二纵轴并延伸穿过所述机壳(301)的第二孔(327)，以使得所述支柱的近端(313a)在所述机壳的外部而所述支柱的远端与所述交叉耦合元件的所述第二端(312b)相接触，因此所述第二支柱(313)的移动将在所述交叉耦合元件的所述第二端(312b)施加作用力。

13、如权利要求12的电路，其中所述第二支柱(313)包括在其远端内的径向孔，并且所述交叉耦合元件的所述第二端(312b)插入所述孔。

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