CN101950833A - 具有统一调谐功能的可调机械滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器，它包括两个以上依次相邻排列的谐振腔、依次活动贯穿各个谐振腔的转轴、转轴的驱动装置、分布于每个谐振腔内的内导体和旋转动片组、耦合窗、输入输出耦合环、射频输入输出接头及底部静导电片；内导体一端设内导体静导电片，另一端与腔壁导电固接；每组旋转动片组均包括与转轴垂直固接的主介质片，主介质片位于相邻的底部静导电片和内导体静导电片之间从而使三者在空间投影上有部分交叠，主介质片在随转轴旋转时，能使三者交叠的面积发生变化。本发明可通过同一个传动机构同步控制多个谐振器的频率调节，使每个谐振器同时调谐到所需的频率，不仅降低成本、减小体积，而且提高了可靠性。

Description

具有统一调谐功能的可调机械滤波器

技术领域

本发明涉及一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器。

背景技术

在中心频率可调滤波器中，需要对谐振器的谐振频率进行调谐，一般分为电子调谐和机械调谐两种。电子调谐方式速度快，成本低，但存在插入损耗大，承受功率低的问题。在需要低插入损耗及大功率的场合，机械调谐方式被大量采用。对于常规的机械调谐，若滤波器由多个谐振器组成，则每个谐振器需要一个电机进行调谐，成本很高，且体积很大。

由一系列谐振器通过一定的能量耦合结构连接成的具有频率选择作用的器件，称之为滤波器。若具有选择性的通频带可变，则称为可调滤波器。如图1所示为滤波器的广义前两节结构，可以表示通过容性耦合的滤波器，其他类型滤波器也可类比。从图1可以看到，能量从外界通过输入耦合结构耦合到第一个谐振器（谐振器1），再由第一个内部耦合（内部耦合1）耦合到第二个谐振器（谐振器2），以此类推，最终将能量具有选择性的传输到输出端口。图1中负电容将和谐振器的正电容合并，c0与l0控制谐振器固有的谐振频率。若要滤波器中心频率可变，则要改变l0或c0的值，一般通过改变c0使谐振器频率发生变化。注意到输入耦合以及内部耦合的负电容将改变谐振频率，而一般输入负电容与内部负电容，以及各个内部负电容，都将是不同的，并且随频率发生变化，故而若将各个谐振器的固有频率统一改变，则随着频率的变化，各个谐振器将逐渐发生偏离，达不到所需设计指标。

传统的解决途径是采用多个传动机构分别控制各个谐振器的频率，使每个谐振器调谐到所需的频率。显而易见，随着滤波器级数的增加，需同样数量的传动装置来进行控制，使可调滤波器的成本急剧提高，并且降低了可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器，它可通过同一个传动机构同步控制多个谐振器的频率调节，使每个谐振器同时调谐到所需的频率，从而不仅大大降低了滤波器的成本、减小了滤波器的体积，而且提高了可靠性。

本发明技术方案是这样构成的，一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：它包括两个以上依次相邻排列的谐振腔、依次活动贯穿各个谐振腔的转轴、用来驱动转轴旋转的驱动装置以及分布于每个谐振腔内的内导体和旋转动片组；所述谐振腔的腔壁由导电体构成，位于相邻两个谐振腔之间的腔间隔板由导电体构成且其上开设有耦合窗，在首个谐振腔的与腔间隔板相对的腔壁内外两侧分别连接有输入耦合环和射频输入接头，在末个谐振腔的与腔间隔板相对的腔壁内外两侧分别连接有输出耦合环和射频输出接头；所述谐振腔的腔壁底部固设有一片以上与转轴的轴线方向垂直且沿转轴的轴线方向依次排列的底部静导电片；所述内导体的一端设有一片以上与底部静导电片平行相对且交错排布的内导体静导电片，另一端与谐振腔的腔壁导电且固定连接；每组旋转动片组均包括一片以上与转轴垂直固定连接且由高介电常数低损耗材料制成的主介质片，每片主介质片有部分片体位于相邻的两片底部静导电片和内导体静导电片之间从而使三者在空间投影上有部分交叠，且所述主介质片具有能在随转轴旋转的过程中，使三者交叠的面积按照设定的规律发生变化的特定形状。

较之现有技术而言，本发明的优点在于：

（1）本发明可通过同一个传动机构同步控制多个谐振器的频率调节，使每个谐振器同时调谐到所需的频率，从而不仅大大降低了滤波器的成本，而且简化了滤波器的结构，减小了滤波器的体积。

（2）本发明可大大简化控制电路，提高工作可靠性；

（3）本发明由于通过旋转的主介质片来改变底部静导电片和内导体静导电片之间的电容，主介质片由转轴带动旋转，主介质片与底部静导电片和内导体静导电片不直接接触，因此不存在运动结构的电接点，可大大提高工作可靠性，降低操作损耗。

（4）本发明还具有调谐频率宽、精度高、稳定性高以及经济效益高等显著优点。

附图说明

图1是容性耦合滤波器原理图。

图2是本发明提供的具有统一调谐功能的可调机械滤波器结构示意图。

图3是单个谐振腔等效示意图。

图4是转轴与各组旋转动片组的连接示意图。

图5是单个谐振腔内的可调结构详图，图中（a）为交叠状态俯视图，（b）为交叠状态立体示意图，（c）为单组旋转动片组立体示意图。

图中标号说明：1.编码器，2.联轴器，3.步进电机，4.连接器，5-1.射频输入接头，5-2.射频输出接头，6.腔壁，7.内导体，8.耦合窗，9.腔间隔板，10-1.输入耦合环，10-2.输出耦合环，11.主介质片，12.转轴，13.底部静导电片，14.内导体静导电片，15.谐振腔，16.微调介质片，17.介质固定套，18.螺钉。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明内容进行详细说明：

本发明具体实施方式提供了一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：它包括两个以上依次相邻排列的谐振腔15、依次活动贯穿各个谐振腔15的转轴12、用来驱动转轴12旋转的驱动装置以及分布于每个谐振腔15内的内导体7和旋转动片组；所述谐振腔15的腔壁6由导电体构成，位于相邻两个谐振腔15之间的腔间隔板9由导电体构成且其上开设有耦合窗8，在首个谐振腔15的与腔间隔板9相对的腔壁6内外两侧分别连接有输入耦合环10-1和射频输入接头5-1，在末个谐振腔15的与腔间隔板9相对的腔壁6内外两侧分别连接有输出耦合环10-2和射频输出接头5-2；所述谐振腔15的腔壁6底部固设有一片以上与转轴12的轴线方向垂直且沿转轴12的轴线方向依次排列的底部静导电片13；所述内导体7的一端设有一片以上与底部静导电片13平行相对且交错排布的内导体静导电片14，另一端与谐振腔15的腔壁6导电且固定连接；每组旋转动片组均包括一片以上与转轴12垂直固定连接且由高介电常数低损耗材料制成的主介质片11，每片主介质片11有部分片体位于相邻的两片底部静导电片13和内导体静导电片14之间从而使三者在空间投影上有部分交叠，且所述主介质片11具有能在随转轴12旋转的过程中，使三者交叠的面积按照设定的规律发生变化的特定形状。

为了便于精确控制转轴12的旋转（即控制各组旋转动片组的旋转角度）从而实现对各谐振器频率的高精度控制，所述驱动装置包括步进电机3和连接于步进电机3与转轴12输入端之间的连接器4。

为了便于精确记录各组旋转动片组转过的角度，所述步进电机3还可通过联轴器2与编码器1连接。各组旋转动片组转过的角度，由连接在步进电机3上的高精度编码器1记录下，完成定位控制。

所述底部静导电片13或者内导体静导电片14当中至少有一种片体的数量为两片以上；每组旋转动片组还包括一片以上与转轴12垂直固定连接的微调介质片16，每片微调介质片16有部分片体位于相邻的两片底部静导电片13和内导体静导电片14之间但不与主介质片11位于同一组相邻底部静导电片13和内导体静导电片14之间，所述微调介质片16的形状为与转轴12轴线同心的圆形片体。

每组旋转动片组还包括用来将主介质片11和微调介质片16固定连接在转轴12外轴壁上的介质固定套17。

本发明的工作原理说明如下：

本发明提供了一种仅需一个步进电机3就可完成所有谐振腔15同步调谐的具有统一调谐功能的可调机械滤波器（当然也可采用除步进电机之外的其它动力装置控制转轴12的转动，从而同步调节各谐振腔15的频率）。为方便说明，本发明采用一个UHF频段的5腔可调滤波器来进行说明，如图1所示。对于阶数越多的可调滤波器，本发明的优势更加明显，可以广泛应用于多腔滤波器的设计，具有极高的工业实用价值。

如图2所示为与图1对应的可调滤波器的机械结构示意图，它由一个步进电机3通过连接器4带动固定在同一根转轴12上的各组旋转动片组同步转动，通过改变每个谐振腔15的电容来改变谐振频率。各组旋转动片组转过的角度，由连接在步进电机3上的高精度编码器1记录下，完成定位控制。

如图3所示为单个谐振腔等效示意图，此可调滤波器由1/4波长传输线构成，开路1/4波长传输线等效为一个并联谐振回路，l0与c0决定了所谐振的最高频率，可调结构可以看作并联的一个可调电容。通过改变可调电容的值来改变谐振频率f₀，有：

                                                 

各个谐振腔15之间通过在由导电体构成的腔间隔板9上开窗进行能量内部耦合，如图2所示。图2中的耦合窗9采用矩形窗口（当然也可采用其它形状的窗口），从理论上分析，此种窗口在一定频率范围内，能量耦合系数较为平坦。输入耦合和输出耦合分别采用输入耦合环10-1和输出耦合环10-2进行耦合，完成能量输入输出。根据所需设计参数进行设计，并可通过计算机仿真，得到详细的谐振腔15腔体尺寸、耦合窗8、输入耦合环10-1以及输出耦合环10-2的位置与大小。步进电机3转动，可以改变调谐结构的电容值，进而改变通频带中心频率。

在本发明中，调谐结构为一个关键，如图4和图5所示。主介质片11以及微调介质片16固定在介质固定套17上，介质固定套17通过螺钉18（如内六角螺钉）紧固在转轴12上。如此，五组旋转动片组就通过一根转轴12连接在一起，保持联动，由同一个步进电机3完成高精度控制。

如图5所示，内导体7的末端加工成片状的内导体静导电片14，与同样是片状的底部静导电片13相交叠，构成一个平板电容（c0)，根据平板电容公式，改变相交叠空间的等效介电常数，就改变了电容的容值。本发明采用高介电常数低损耗的材料制成主介质片11，并且主介质片11在各个角度上的半径是不一致的（主介质片11在各个角度上的半径根据滤波器所需频率范围进行设计），因此，旋动转轴12时，底部静导电片13和内导体静导电片14之间的介质面积发生改变，相当于平板电容间的有效介质发生了改变，从而改变了电容值，最终引起频率调谐。在设计时，频率的变化范围可以采用适当介电常数的介质，以及改变的内导体7末端的内导体静导电片14与底部静导电片13之间的交叠面积来实现。根据电容(C)与介电常数()的关系， 

，只要采用相对介电常数大于4的介质，就很容易实现倍频程的可调范围。

本发明所提供的具有统一调谐功能的可调机械滤波器中，内导体静导电片14、底部静导电片13与主介质片11都固定良好，无滑动等不良接触处，使整体结构异常稳定。考虑到加工精度、仿真精度以及各个谐振腔15腔体之间的差异，本发明在可调结构中还引入了微调介质片16，与主介质片11相似，微调介质片16同样位于内导体静导电片14与底部静导电片13之间，通过改变平板电容的有效介电常数来微调电容值。微调介质片16由较低介电常数材料制成，厚度较小，使之具有良好的手工加工性能，在人工调试时，先利用工具对微调介质片16进行削减，就可以微调电容值，从而达到频率的精确调节。

设计时，内导体静导电片14、底部静导电片13以及主介质片11的具体形状、尺寸以及数量，都由所需设计的参数来具体决定。利用HFSS,CST等仿真软件，较为容易得到满足系统需要特性的设计。

Claims (5)

1.一种具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：它包括两个以上依次相邻排列的谐振腔（15）、依次活动贯穿各个谐振腔（15）的转轴（12）、用来驱动转轴（12）旋转的驱动装置以及分布于每个谐振腔（15）内的内导体（7）和旋转动片组；所述谐振腔（15）的腔壁（6）由导电体构成，位于相邻两个谐振腔（15）之间的腔间隔板（9）由导电体构成且其上开设有耦合窗（8），在首个谐振腔（15）的与腔间隔板（9）相对的腔壁（6）内外两侧分别连接有输入耦合环（10-1）和射频输入接头（5-1），在末个谐振腔（15）的与腔间隔板（9）相对的腔壁（6）内外两侧分别连接有输出耦合环（10-2）和射频输出接头（5-2）；所述谐振腔（15）的腔壁（6）底部固设有一片以上与转轴（12）的轴线方向垂直且沿转轴（12）的轴线方向依次排列的底部静导电片（13）；所述内导体（7）的一端设有一片以上与底部静导电片（13）平行相对且交错排布的内导体静导电片（14），另一端与谐振腔（15）的腔壁（6）导电且固定连接；每组旋转动片组均包括一片以上与转轴（12）垂直固定连接且由高介电常数低损耗材料制成的主介质片（11），每片主介质片（11）有部分片体位于相邻的两片底部静导电片（13）和内导体静导电片（14）之间从而使三者在空间投影上有部分交叠，且所述主介质片（11）具有能在随转轴（12）旋转的过程中，使三者交叠的面积按照设定的规律发生变化的特定形状。

2.根据权利要求1所述的具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：所述驱动装置包括步进电机（3）和连接于步进电机（3）与转轴（12）输入端之间的连接器（4）。

3.根据权利要求2所述的具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：所述步进电机（3）还通过联轴器（2）与编码器（1）连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：所述底部静导电片（13）或者内导体静导电片（14）当中至少有一种片体的数量为两片以上；每组旋转动片组还包括一片以上与转轴（12）垂直固定连接的微调介质片（16），每片微调介质片（16）有部分片体位于相邻的两片底部静导电片（13）和内导体静导电片（14）之间但不与主介质片（11）位于同一组相邻底部静导电片（13）和内导体静导电片（14）之间，所述微调介质片（16）的形状为与转轴（12）轴线同心的圆形片体。

5.根据权利要求4所述的具有统一调谐功能的可调机械滤波器，其特征在于：每组旋转动片组还包括用来将主介质片（11）和微调介质片（16）固定连接在转轴（12）外轴壁上的介质固定套（17）。

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