CN101888007A

CN101888007A - 用于热补偿技术滤波器和多路调制器的多层膜柔性壁系统

Info

Publication number: CN101888007A
Application number: CN2010101810417A
Authority: CN
Inventors: J·拉戈斯; M·布兰奎特; E·阿亚尔
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: EP2256854B1; FR2945673A1; RU2519536C2; EP2256854A1; JP2010268459A; US20100315180A1; FR2945673B1; CA2702571A1; CA2702571C; RU2010119519A; JP5581535B2; US8432238B2; ES2398513T3; CN101888007B

Abstract

本发明提出一种用于热补偿技术滤波器和多路调制器的多层膜柔性壁系统(10，11)。使用多层膜柔性壁(10，11)，特别是作为用于OMUX通道的谐振腔的密封盖，可以在给定位移下，减小柔性壁的热阻，同时保持施加在所述壁上的相同水平的机械应力；或者，在给定位移下，减小施加在柔性壁上的机械应力，同时对所述壁保持相等热阻；或者，通过保持相同水平的机械应力以及通过保持相等的热阻来增大柔性壁的变形。

Description

用于热补偿技术滤波器和多路调制器的多层膜柔性壁系统

技术领域

本发明涉及一种用于地面或空间通信领域的微波谐振器。

本发明涉及一种用于具有配备有机械温度补偿设备的谐振腔的微波滤波器的柔性壁系统。

本发明提出了在具有热补偿技术谐振腔(thermally-compensatedtechnology resonant cavity)和高功率的滤波器或被称作OMUX(输出多路调制器)的已知类型的多路调制器承受温度所致变形的柔性部分中所遇到的热机械应力问题的解决方案。

背景技术

通常，以及在说明书下文和权利要求书中，术语“热补偿技术”用来表示目的是通过温度使谐振腔变形从而补偿所述谐振腔的体积变化以便将腔的谐振频率保持在期望值的技术，其中所述体积变化是由温度的改变引起的。通常在20℃左右的环境温度条件下预先定义该值。

回顾一下，微波谐振器是被调谐为使精确谐振频率处的能量通过的电磁路。微波谐振器能够用于制作滤波器以便抑制滤波器通带以外的信号频率。

谐振器采用腔结构的形式，该腔被称为谐振腔，限定该腔的尺寸以获得期望的谐振频率。

因此，引入所述腔体积变化的任何腔尺寸变化都将导致其谐振频率偏移，因此导致其电特性改变。

谐振腔的尺寸变化的可能是由于温度变化所导致的腔壁的膨胀或收缩，如果材料的热膨胀系数增大，和/或当温度变化增大时，这将变得更加显著。

有许多热补偿技术是已知的。

这些技术经常依赖于腔结构本身所包含的部件的组合，这些部件由具有不同热膨胀系数的材料制成，并且其中一个热膨胀系数比其余的热膨胀系数低得多。所述部件被设置成利用热弹性差异效应在彼此之间产生温度所致的位移。与柔性壁连接，其导致当温度升高时体积降低、或者当温度降低时体积减小意义上的变形。

因此，采用具有非常低的热膨胀系数的第一材料，例如因瓦合金(Invar^TM)。所用的第二材料通常为铝，铝材料的热膨胀系数比因瓦合金的热膨胀系数高，并且在具有低密度的同时还具有高导热性，这使得铝特别适合于空间应用。

基于这种采用两种具有不同热膨胀系数的材料的相同原理，存在功能是使柔性壁变形的各种腔外补偿设备。

例如专利申请EP1187247和EP1655802中描述了其中一些温度补偿设备。

为了满足卫星有效载荷设置中越来越强的约束条件，开发了垂直通道结构，即例如具有重叠的输入和输出腔的结构。从通道的热控制的角度来看，这些结构是特别有害的。

现在，在高温环境中，即空间应用领域中在约85℃温度下，面对越来越高的耗散功率水平，即OMUX滤波器中耗散100瓦特以上，补偿技术可能具有使用限制。

在实际中，为了满足补偿的需要，即为了封盖中心处的变形超过200微米的位移的需要，封盖必须是充分柔性的并且是可变形的以保持材料在其弹性区域内。

在圆形封盖的情况下，可以通过增加中心处的刚性圆形部分与外侧的刚性圆形部分之间的距离，乃至通过减小膜的厚度来获得柔性。

在这两种情况下，这具有使封盖更耐热的效果，因此能够大大降低局部热梯度，更确切地说是柔性壁本身的位置处的热梯度。

高梯度可以是特别有害的，例如，当使用经过结构淬火(structuralhardening)的铝合金时，例如铝6061，铝合金的机械性能可能会作为温度以及在该同一温度下的暴露时间的函数迅速下降。因此，必须对温度进行限制，以及因而必须对热阻进行限制。

相反地，为了利于降低膜中的热梯度，可以增加柔性部分的厚度，或者可以减小中心处的刚性部分与外侧的刚性圆形部分之间的距离，但是这样一来就降低了封盖的柔性，因此可能会与为获得必要的补偿所需的变形产生矛盾。

第一种方案可以包括使用导热性更好的材料，但是材料的导热性通常是与其机械性能矛盾的，乃至于与其热弹性以及铝谐振腔的结构矛盾。

为了降低热梯度，最显而易见的解决方案包括增加OMUX滤波器的壁的厚度，以利于热通量向卫星有效载荷的热控制系统传导。

如今，该方案可能会降低产品的竞争力，特别是在空间应用中更是如此，因为所得重量显著增加。

发明内容

本发明通过提出一种系统来解决这些困难，该系统与不同的补偿方案兼容，并且可以大比例地减小柔性封盖的热梯度，对总重量的影响只有几克。

本发明因此补充了现有的用于具有谐振腔的滤波器和OMUX的热补偿技术。其更特别涉及热补偿OMUX的柔性封盖。主旨是使所述封盖的热阻与变形度之比最优化。

因此，为了使柔性封盖获得较低的热阻，同时维持变形度，本发明提出了一种多层膜柔性壁系统。该系统还可以在给定变形下减小机械应力，同时保持相等的热阻，或者甚至在同等水平的机械应力和热阻下增大变形，因此在给定的耗散功率下维持相等的热梯度。

为此目的，本发明的主题是一种用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，所述壁包括至少两层堆叠的不同柔性膜，每层所述柔性膜具有面对面的中心区域、中间区域和外周区域，其中所述柔性膜热连接以及机械连接到中心区域和外周区域，但不连接到中间区域。

优选地，所述柔性膜适于同时变形(distorted)。

在根据本发明的柔性壁系统中，所述柔性膜由柔性金属或非金属材料制成。

所述柔性膜可由互不相同的材料制成。

在常规实施例中，所述柔性膜由铝制成。

在另一实施例中，每层膜由不同材料的组合制成。

最后，每层膜可由双金属片材料制成。

根据本发明的柔性壁的各层膜通过下列方法中的至少一种方法装配到一起：螺纹紧固(screw-fastening)；捆绑(banding)；钎焊；热粘合(thermal bonding)；电焊。

有利地，可通过外部装置获得所述柔性壁的温度所致变形。

有利地，可通过所述柔性膜的至少其中之一的变形获得所述柔性壁的温度所致变形。

有利地，所述柔性膜的至少其中之一包括双金属片材料，所述双金属片材料参与柔性壁的所述温度所致变形。

所述柔性壁可以精确包括两层膜。

有利地，所述柔性壁精确包括三层膜。

有利地，每层所述柔性膜具有十分之二至十分之四毫米之间的厚度。

有利地，热补偿技术滤波器包括通过柔性封盖设备密封的至少一个谐振腔，所述柔性封盖由根据本发明的柔性壁构成。

有利地，根据本发明的热补偿技术滤波器可包括活塞，所述活塞与所述膜协同工作以允许优化所述谐振腔的体积控制。

有利地，热补偿技术输出多路调制器包括至少两个通道，每个通道包括通过柔性封盖设备密封的谐振腔，所述柔性封盖由根据本发明的柔性壁构成。

附图说明

通过下面参考附图给出的说明，本发明的其他特征和优点将会显现，附图表示：

图1：根据现有技术的具有柔性封盖和包括活塞的腔的OMUX通道的简图；

图2a：根据本发明的具有被捆绑在一起的两层膜和活塞的封盖的分解图；

图2b：根据本发明的具有被螺固在一起的两层膜和活塞的封盖的分解图；

图3a：根据本发明的具有三层捆绑的膜的封盖的横截面；

图3b：根据本发明的具有三层螺固在一起的膜的封盖的横截面；

图4a：根据本发明的具有三层捆绑的膜的封盖的三维图；

图4b：根据本发明的具有三层螺固在一起的膜的封盖的三维图；

图5a：根据本发明的具有两层捆绑的膜的封盖的横截面；

图5b：根据本发明的具有两层螺固在一起的膜的封盖的三维图；

图6：根据本发明的包括两个重叠腔和两个柔性封盖的垂直结构OMUX通道的三维表示。

具体实施方式

图1显示了OMUX通道的示例的局部图示。该通道包括腔2a，腔2a被具有相连的活塞3的柔性封盖1a密封。当OMUX工作时，特定的功率P在通道中耗散；该功率P的一部分在活塞表面上耗散。该耗散功率P使通道内的温度升高。现在，有必要维持温度水平低于预定阈值。有效地，在由经过结构淬火的铝合金制成的柔性封盖的情况下，当超过温度阈值时，所述封盖的机械性能显著恶化，可表现为会对通道造成不可挽回的破坏的弹性损失。

柔性封盖1a在所述封盖1a的中心与边缘之间具有热阻Rth。因此，在封盖1a的中心处倾向于形成较热区域。此外，如果热阻较低，则温度梯度也较低。因此，似乎需要尽可能低的热阻Rth，以避免柔性封盖1a的中心处过度升温。

但是，机动的范围很窄：实际上，对于给定的几何尺寸而言，封盖1a的热阻与构成封盖1a的材料(典型为具有特定导热系数的铝)的性质以及柔性封盖的厚度有关。封盖越厚，其热阻越大。但是，柔性封盖1a必须维持其机械性能，特别是变形能力方面的特性，这样厚度就不能太大。

事实上，上文解释的热力学约束条件构成了目前使用温度补偿滤波器和OMUX技术的领域中以及通道结构的主要限制因素。实际上，它们：

●限制OMUX支持的功率，

●导致垂直通道结构上的过重，

●对某些需要对给定升温进行高补偿的电拓扑的使用加以限制，

因此限制了封盖的显著变形。

本发明的主旨是提出一种能够兼顾OMUX内的通道的柔性封盖的低热阻和允许高形变度的机械性能的方案。

在上下文中，图2a至5b显示了以用于密封OMUX通道的谐振腔的多层膜柔性封盖的形式实现的本发明的不同实施方式。有必要注意，本发明的该优选实施方式不是唯一的可能实施方式。实际上，根据本发明的多层膜柔性壁适于用作任何基于温度补偿技术的设备的柔性壁，特别是滤波器或OMUX型设备的柔性壁。

此外，图2a、3a、4a、5a涉及捆绑的多层膜封盖，而图2b、3b、4b、5b涉及螺固的多层膜封盖。应注意，可使用其他技术方法，特别是钎焊、热粘合或者甚至是电焊，将根据本发明的柔性壁的多层膜固定到彼此上。所述膜优选由铝制成，但也可以使用其他合适的材料，例如铜。也可以考虑对同一多层膜柔性壁的膜使用不同的材料。

因此，图2a显示了应用到例如能够密封OMUX通道的谐振腔的封盖的本发明的原理。在这种情况下的柔性封盖1b由与活塞14相连的多个膜10、11构成。在图2a中，膜10、11被捆绑起来；在图2b中，膜10、11是采用固定装置100螺固在一起的，除此之外，原理完全相同。

在优化热阻和温度补偿技术腔内存在的机械应力的情况下，多层膜柔性封盖1b的使用大大地扩展了机动范围。实际上，可以采用厚度受限的柔性膜10、11，对于具有总厚度约为1.2毫米的三层膜的封盖来说，柔性膜10、11的厚度典型在0.2毫米至0.4毫米之间，从而保持例如与图1的柔性封盖相同的机械应力方面的性能，同时降低所述封盖1b的总热阻。为了实现该效果，本发明为膜10、11提供共同的热连接和机械连接，但是仅在其表面积的一部分上连接，如图3a和3b清晰所示。

图3a和3b对应于根据本发明的多层膜柔性封盖1b的横截面。图3a、3b所表示的封盖1b包括三层膜10、11、12的堆叠，其可以使封盖1b的热截面以及施加到欲维持的所述封盖1b上的机械应力水平两者均增大。

重要的是要注意，根据图3a和图3b所示，柔性封盖1b的三层膜10、11、12通过图3a中的捆绑以及通过图3b中的螺固在中心区域C和外周区域P内连接在一起，这些中心区域C和外周区域P用于机械连接以及热连接所述膜。在这些区域外，膜是不相连的，从而多层膜封盖1b获得显著的柔性。特别地，在中心区域C与外周区域P之间存在中间区域I，膜10、11和12在中间区域I上分离。因此，中心区域C和外周区域P上的热连接和机械连接使机械应力最大化，并且使封盖1b的热阻最小化，而膜在中间区域I内的分离使封盖1b具有柔性和通用性。

图4a和4b显示了根据本发明的具有三层分别捆绑及螺固的膜10、11、12的封盖1b。

图5a和5b显示了仍在用于密封OMUX通道的谐振腔的温度补偿技术封盖的情况下的根据本发明的多层膜柔性壁的实施方式的两个其他示例。因此，图5a显示了具有捆绑在一起的两层膜10’、11’的柔性封盖1b’，而图5b显示了具有螺固在一起的两层膜10’、11’的柔性封盖1b’。

还应注意，在图2a、2b、3a、3b、4a、4b、5a、5b中，各个层10、11、12、10’、11’也围绕用于将它们保持在适当的位置上的手柄13堆叠。

图6显示了根据本发明的完整通道的示例，包括由多层膜柔性壁构成的封盖，未显示外部补偿系统。

总而言之，因此可以看出，使用多层膜柔性封盖可以：

●降低所述封盖的热阻，同时保持施加在封盖上的相同水平的机械应力，

●或者，反之亦然，减小施加在封盖上的机械应力，同时保持所述封盖的相等的热阻，

●或者甚至增大柔性壁的变形，同时保持相同水平的机械应力，以及同时保持相等的热阻。

本发明的直接结果是扩大了水平结构的OMUX和垂直结构的OMUX的应用领域：

●在高功率OMUX的情况下，

●在约85℃的导电和放热(conductive and radiative)的高温工作环境的情况下，

●在具有显著补偿目标的电配置的OMUX情况下。

在本发明的实施方式的其他示例中，在适合于滤波器或OMUX的温度补偿技术的情况下，多层膜柔性壁可与活塞协同工作以优化谐振腔的体积控制。

Claims

1.一种用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，所述壁包括至少两层堆叠的不同柔性膜(10，11，12)，每层所述柔性膜(10，11，12)具有面对面的中心区域(C)、中间区域(I)和外周区域(P)，其特征在于，所述柔性膜(10，11，12)热连接以及机械连接到中心区域(C)和外周区域(P)上，且不连接到中间区域(I)上。

2.如权利要求1所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性膜(10，11，12)被设计成同时变形。

3.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性膜(10，11，12)由柔性金属或非金属材料制成。

4.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性膜(10，11，12)由互不相同的材料制成。

5.如权利要求1至3中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性膜(10，11，12)由铝制成。

6.如权利要求1至4中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，每层膜(10，11，12)由不同材料的组合制成。

7.如权利要求1至4中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，每层柔性膜(10，11，12)由双金属片材料制成。

8.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，各层膜(10，11，12)通过下列方法中的至少一种方法装配到一起：螺纹紧固；捆绑；钎焊；热粘合；电焊。

9.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，能够通过外部设备获得所述柔性壁的温度所致变形。

10.如权利要求1至9中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，能够通过所述柔性膜(10，11，12)的至少其中之一的变形来获得所述柔性壁的温度所致变形。

11.如权利要求11所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性膜的至少其中之一包括双金属片材料，所述双金属片材料参与柔性壁的所述温度所致变形。

12.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性壁精确包括两层膜(10，11，10’，11’)。

13.如权利要求1至11中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，所述柔性壁精确包括三层膜(10，11，12)。

14.如前述权利要求中任一项所述的用于热补偿技术的滤波器部件或输出多路调制器的柔性壁系统，其特征在于，每层所述柔性膜(10，11，12)具有十分之二至十分之四毫米之间的厚度。

15.一种包括通过柔性封盖设备密封的至少一个谐振腔的热补偿技术滤波器，其特征在于，所述柔性封盖由如权利要求1至14中任一项所述的柔性壁构成。

16.如权利要求15所述的包括通过柔性封盖设备密封的至少一个谐振腔的热补偿技术滤波器，其特征在于，所述热补偿技术滤波器包括活塞，所述活塞与所述膜(10，11，12)协同工作以允许优化所述谐振腔的体积控制。

17.一种包括至少两个通道的热补偿技术输出多路调制器，每个通道包括通过柔性封盖系统密封的谐振腔，其特征在于，所述柔性封盖由如权利要求1至14中任一项所述的柔性壁构成。