CN102630358B - 用于调谐谐振腔的耦合器 - Google Patents
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Abstract
各示例性实施例涉及用于谐振腔和介电谐振器的改进的耦合器。该耦合器可以允许对希望的频率范围内的电磁信号进行准确调谐。可以通过多个固定元件将该耦合器固定到可移动调谐器件上。每个固定元件可以是分离的，与任意其他固定元件没有接触。
Description
技术领域
本文公开的实施例总体上涉及用于调谐诸如介电谐振器的谐振腔之间的频率范围的耦合器。
背景技术
谐振腔是用于存储驻波的中空空间。在电气环境中，至少一个导电壁限定了谐振腔的外表面。在该空间的中间的探针可以按照希望的方式对波进行引导。该探针又被称为“圆盘(puck)”，其可以是金属的、陶瓷的或由其他材料制成。以下段落描述可以包括陶瓷圆盘的谐振腔，通常称为“介电谐振器”
介电谐振器是通常在微波频带中对于窄的频率范围表现出谐振的电子组件。在例如射频通信器件中使用谐振器。为了实现希望的操作，许多谐振器包括具有大介电常数和低损耗因子的、位于腔体内的中心位置处的“圆盘”。
圆盘与腔体的组合对该腔体内的电磁辐射施加了边界条件。该腔体具有至少一个可以由金属材料制造的导电壁。圆盘的纵轴实质上可以垂直于腔体中的电磁场，从而控制该电磁场的谐振。
当圆盘由诸如陶瓷的介电材料制成时，该腔体可以以横电(TE)模谐振。因此，在电磁场的传播方向上可能没有电场。虽然可以使用许多TE模，但是介电谐振器可以使用TE011模用于涉及微波频率的应用。使用TE011模作为示例性的例子，电场将在圆盘内达到最大值，具有沿圆盘的中心轴的方位角分量，通常在腔体中随着远离该圆盘而减小，并且最终沿任意导电腔体壁完全消失。磁场也将在该圆盘内达到最大值，但是没有方位角分量。
当组合多个介电谐振器时，设计者需要将电磁能量从第一腔体耦合到第二腔体。如果该第一腔体远离第二腔体则可能难于进行这种耦合。耦合还可能需要精细制造用于连接第一腔体和第二腔体的孔。这些孔可以在工厂中被调谐得能够补偿制造公差。
尽管存在这种调谐，但是可能仍难以建立用于将多个腔体或介电谐振器耦合在一起以限定希望的频率范围的滤波器。用于提供指定频谱的常规尝试是不切实际并且昂贵的。这些调谐器使用许多部件和繁琐的技术，使得难以调整谐振腔或介电谐振器之间的耦合。
因此，需要一种在宽的频率范围上提供调谐的改进的耦合器。更具体而言，需要一种可以在宽带宽滤波器中使用的耦合器。还需要一种用于耦合高介电谐振器的性价比高的技术。
发明内容
根据当前对改善谐振腔和介电谐振器的调谐的需要，给出了各示例性实施例的简要概述。在下文的概述中可能做出一些简化和省略，这是为了强调并且介绍各示例性实施例的一些方面而不是为了限制本发明的范围。优选的示例性实施例的详细描述足以允许本领域的普通技术人员制造并且使用下述部分中的创造性概念。
在各示例性实施例中，一种用于增强对介电谐振器的调谐的系统可以包括：用于产生第一频率范围内的电磁信号的第一介电谐振器；用于产生第二频率范围内的电磁信号的第二介电谐振器；设置在该第一介电谐振器与该第二介电谐振器之间的孔中的可移动调谐器件；以及固定到该可移动调谐器件上的耦合器。该耦合器可以在该第一介电谐振器与该第一介电谐振器之间传递电磁信号，并且包括成放射状地向内朝向该可移动调谐器件延伸的多个固定元件。每个固定元件可以与任何其他固定元件间隔开。
另外，在各示例性实施例中，一种用于增强对谐振腔中的电磁信号的调谐的系统可以包括：设置在第一谐振腔与第二谐振腔之间的孔中的可移动调谐器件，其中该可移动调谐器件的垂直轴与该第一谐振腔和该第二谐振腔的各自的垂直轴平行；以及固定到该可移动调谐器件上的耦合器。该耦合器可以在该第一谐振腔与该第二谐振腔之间传递电磁信号，并且包括成放射状地向内朝向该可移动调谐器件延伸的多个固定元件。每个固定元件可以与任何其他固定元件间隔开。
因此，各示例性实施例提供了用于耦合谐振腔或介电谐振器之间的电磁能量的改进的方法。这些实施例可以使得能够将频率精确调谐到希望的频谱范围。这些实施例还可以使得设计者能够获得比常规调谐技术更宽的调谐范围。
附图说明
参考附图以便更好地理解各示例性实施例，其中：
图1示出了包括示例性耦合器的示例性介电滤波器的透视图；
图2示出了包括示例性耦合器的示例性介电滤波器的侧视图；
图3示出了包括示例性耦合器的示例性介电滤波器的顶视图；
图4示出了示例性耦合器的第一实施例；
图5描述了第一实施例的耦合器与可移动调谐器件之间的示例性关系的详细示图；
图6示出了示例性耦合器的第二实施例；
图7示出了示例性耦合器的第三实施例；
图8示出了示例性耦合器的第四实施例；
图9示出了示例性耦合器的第五实施例；以及
图10描绘了示例性耦合器和常规孔调谐器的比较测试结果。
具体实施方式
现在参考附图，公开了各示例性实施例的宽泛方面，其中在附图中相似的附图标记指代相似的组件或步骤。
图1是示例性介电滤波器100的透视图。如图1中所示，滤波器100包括第一介电谐振器110和第二介电谐振器120。孔130将第一介电谐振器110连接到第二介电谐振器120。虽然示例性滤波器100仅具有两个介电谐振器，但是本领域的普通技术人员可以根据滤波器的应用环境，将滤波器100设计为具有任意数量的介电谐振器。
图1将第一介电谐振器110和第二介电谐振器120描绘为六角棱柱体。因此，第一介电谐振器110和第二介电谐振器120都是具有八个面的半规则多面体。对于六角棱柱体，八个面中的两个面是六边形的，而八个面中的六个面是矩形的。但是显然本领域的普通技术人员可以将滤波器100设计为使用具有其他形状的介电谐振器。可选择的形式包括例如球体、圆柱体和立方体。介电谐振器还可以具有除了六角棱柱体之外的多面体形状。
在每个实施例中，至少一个导电壁可以完全封闭第一介电谐振器110和第二介电谐振器120的空间。该至少一个导电壁可以是金属的。因此，适当的激励能够使封闭的空间谐振，从而使得第一介电谐振器110和第二介电谐振器120变成电磁振荡的源。孔130将作为这些振荡的调谐器，从而允许滤波器100生成适当频率范围内的电磁信号。
当介电谐振器的操作发生在预定频率范围内时，对于调谐的需求特别强烈。在诸如从发射塔到接收器的视频、音频以及其他多媒体的无线广播之类的应用中，可以广泛使用高功率介电谐振器。在美国的当前实现中，这种技术可以在716-722MHz的频谱上发射信号。因此，第一介电谐振器110和第二介电谐振器120之间的耦合器140可以在该频谱范围内提供准确的调谐。下文结合图4-9进一步详述在滤波器100中使用的示例性耦合器。
图2示出了示例性介电滤波器100的侧视图。如上所详述的，介电滤波器100可以包括左侧所绘的第一介电谐振器110和右侧所绘的第二介电谐振器120。孔130可以耦合第一介电谐振器110和第二介电谐振器120之间的电磁信号。位于孔130内的可移动调谐器件150可以沿垂直轴上下移动。该垂直轴可以与第一介电谐振器110和第二介电谐振器120两者各自的垂直轴平行。可移动调谐器件150可以是例如螺丝钉或活塞杆。如图2中所示，调谐器件150可以包括标准的头部，使得能够使用调谐工具(例如螺丝起子)来旋转调谐器件150，从而在滤波器100内垂直地移动调谐器件150。
可以将耦合器140附接或以其他方式耦合到调谐器件150的末端，使得耦合器140也在该滤波器内垂直移动。下文结合图5进一步详述用于将耦合器140附接到调谐器件150的示例性配置。
第一介电谐振器110可以包括圆盘160和支座170。第二介电谐振器120可以包括圆盘180和支座190。圆盘160和圆盘180可以限定与可移动调谐器件150的垂直轴垂直的水平轴。
图3示出了示例性介电滤波器100的顶视图。如上文所详述的，介电滤波器100可以包括左侧的第一介电谐振器110和右侧的第二介电谐振器120。孔130可以耦合第一介电谐振器110和第二介电谐振器120之间的电磁信号。位于孔130内的耦合器140可以调谐该电磁信号以限定希望的频率的频谱范围，例如716-722MHz。可以将耦合器140固定到可移动调谐器件150上。在图4到图8中描绘了用于将耦合器140固定到可移动调谐器件150上的各种方式。
图4示出了示例性耦合器400的第一实施例。耦合器400可以包括相对于可移动调谐器件450同心的外部元件410，其中外部元件410的直径与电磁信号的调谐范围成比例。外部元件410可以是环形的，具有相对于中心轴的环形形式。外部元件410可以具有圆形或矩形的横截面。
一对固定元件420可以成放射状地从外部元件410向内朝向可移动调谐器件450延伸。固定元件420可以彼此相对并且彼此间隔开。因为固定元件420是完全间隔开的，没有物理接触，所以外部元件410的尺寸可以确定耦合器400的总体耦合行为。
夹持元件430保持固定元件420背离可移动调谐器件。每个夹持元件430可以包括一对叉头(prong)440。叉头440将耦合器400固定到可移动调谐器件450上，但是不同固定元件的叉头440不接触。结果，只有环形元件410的直径会影响耦合器400上的电磁能量的传递。
图5描绘了耦合器400与可移动调谐器件450之间的示例性关系的详细视图。可以通过向下滑动耦合器400直到到达阻止元件510为止，将耦合器400放置到可移动调谐器件450上。阻止元件510可以是螺丝头、垫圈或其他适当的障碍物。保持元件520可以是设置在耦合器400之上的盘，用于维持耦合器400在可移动调谐器件450上的相对位置。保持元件520可以是环氧盘、晶片或由非导电材料制造的其他物件。
图6示出了示例性耦合器600的第二实施例。耦合器600可以包括可以相对于可移动调谐器件630同心的外部元件610，其中外部元件610的宽度与电磁信号的调谐范围成比例。四个固定元件620可以成放射状地向内朝向可移动调谐器件530延伸。可选择地，可以使用其他数量的固定元件620。在各示例性实施例中，固定元件620彼此不接触并且可以大约间隔90度。可选择地，间隔可以是无规则的而不是以相同的间隔出现。
图7示出了示例性耦合器700的第三实施例。耦合器700可以包括可以相对于可移动调谐器件730同心的外部元件710，其中外部元件710的直径与电磁信号的调谐范围成比例。八个固定元件720可以成放射状地向内朝向可移动调谐器件730延伸。可选择地，可以使用其他数量的固定元件720。在各示例性实施例中，固定元件720彼此不接触并且可以大约间隔45度。可选择地，间隔可以是无规则的而不是以相同的间隔出现。
图8示出了示例性耦合器800的第四实施例。耦合器800可以包括可以相对于可移动调谐器件830同心的外部元件810，其中外部元件810的外表面可以是六面体形状的。外部元件810可以具有正方形的横截面，以便促进均匀调谐。四个固定元件820可以成放射状地向内朝向可移动调谐器件830延伸。可选择地，可以使用其他数量的固定元件820。在各示例性实施例中，固定元件820彼此不接触并且可以大约间隔90度。可选择地，间隔可以是无规则的而不是以相同的间隔出现。
图9示出了示例性耦合器900的第五实施例。耦合器900可以包括可以相对于可移动调谐器件930同心的外部元件910，其中外部元件910的外表面可以是八角棱柱体形状的。八个固定元件920可以成放射状地向内朝向可移动调谐器件930延伸。可选择地，可以使用其他数量的固定元件920。在各示例性实施例中，固定元件920彼此不接触并且可以大约间隔45度。可选择地，间隔可以是无规则的而不是以相同的间隔出现。根据包含耦合器900的孔的调谐环境，可以使用其他多面体形状用于外部元件910。
显然，可以用多种方式组合以上结合图4-9所述的耦合器的示例性实施例。例如，可以将特定实施例的外部元件与任何其他实施例的固定元件组合。用于耦合器和固定元件的其他合适的形状对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
图10描绘了示例性的耦合器和常规孔调谐器的比较测试结果1000。具体而言，图10给出了特定频率范围的耦合调谐能力的图形。对于测试结果1000，x轴以英寸为单位描述可移动调谐器件相对于腔体的至少一个导电壁的距离。y轴以MHz为单位描述耦合带宽。
对于常规孔径调谐器，调谐范围非常窄。该范围可以例如从5％到8％，这是一个对许多应用而言不够充足的范围。如图10中所示，常规调谐器的测试结果1010仅反映了从大约5MHz的值的微小变化。
对于使用如以上图4到图9中所述的耦合器的示例性调谐器，测试结果1020与测试结果1010相比可以极大地得到改善。测试结果1020可以遵循高斯分布，其是一个钟形曲线，在大约2.3英寸的调谐器高度上达到大约5.8MHz水平。该分布可以在耦合频带中产生25％的可调谐能力，从而提供在新应用中使用谐振腔和介电谐振器的灵活性。
虽然已经参考各示例性实施例的特定示例性方面来详细描述了各示例性实施例，但是应该理解本发明能够具有其他实施例，并且可以在各种显而易见的方面修改本发明的细节。如本领域的普通技术人员所显而易见的，可以进行改变和修改而仍然保持在本发明的精神和范围内。因此，前述的公开、描述和附图仅仅是出于说明的目的并且不以任何方式限制本发明，本发明仅仅由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种用于增强对介电谐振器的调谐的系统，所述系统包括：
第一介电谐振器，所述第一介电谐振器产生第一频率范围内的电磁信号；
第二介电谐振器，所述第二介电谐振器产生第二频率范围内的电磁信号；
设置在所述第一介电谐振器与所述第二介电谐振器之间的孔中的可移动调谐器件；以及
固定到所述可移动调谐器件上的耦合器，其中所述耦合器在所述第一介电谐振器与所述第二介电谐振器之间传递电磁信号，并且所述耦合器包括多个固定元件，所述多个固定元件成放射状地向内朝向所述可移动调谐器件延伸以将所述耦合器固定到所述可移动调谐器件上，每个所述固定元件与所有其他固定元件间隔开。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述耦合器还包括：
相对于所述可移动调谐器件同心的外部元件，其中所述外部元件的宽度与所述孔中的电磁信号的调谐范围成比例。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述耦合器还包括：
夹持元件，所述夹持元件保持所述多个固定元件背离所述可移动调谐器件。
4.根据权利要求3所述的系统，其中每个夹持元件包括一对叉头，其中所述对叉头将所述耦合器固定到所述可移动调谐器件上。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个固定元件包括至少四个固定元件，所述至少四个固定元件成放射状地从所述外部元件向内朝向所述可移动调谐器件延伸。
6.一种用于增强对谐振腔中的电磁信号的调谐的系统，所述系统包括：
设置在第一谐振腔与第二谐振腔之间的孔中的可移动调谐器件，其中所述可移动调谐器件的垂直轴与所述第一谐振腔和所述第二谐振腔各自的垂直轴平行；以及
固定到所述可移动调谐器件上的耦合器，其中所述耦合器在所述第一谐振腔与所述第二谐振腔之间传递电磁信号，并且所述耦合器包括多个固定元件，所述多个固定元件成放射状地向内朝向所述可移动调谐器件延伸以将所述耦合器固定到所述可移动调谐器件上，每个所述固定元件与所有其他固定元件间隔开。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述耦合器还包括：
相对于所述可移动调谐器件同心的外部元件，其中所述外部元件的宽度与所述孔中的电磁信号的调谐范围成比例。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述耦合器还包括：
夹持元件，所述夹持元件保持所述多个固定元件背离所述可移动调谐器件。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述耦合器还包括：
相对于所述可移动调谐器件同心的外部元件，其中所述外部元件的外表面具有六面体形状。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述耦合器还包括：
相对于所述可移动调谐器件同心的外部元件，其中所述外部元件的外表面具有八角棱柱体形状。
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