CN103296358B - 一种谐振腔及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振腔，包括腔体、置于所述腔体内中央的谐振子、分别设置在腔体的两侧壁上且相向设置的输入端和输出端，还包括分别设置在所述腔体的另两侧壁上且相向设置的两个调谐杆，每个所述调谐杆为L形，包括垂直于腔体侧壁且伸入腔体内的水平段和位于所述腔体内部且垂直连接于所述水平段末端的竖直段。本发明还涉及对上述谐振腔进行调谐的方法。通过在腔体上设置L形调谐杆，可与腔体构成环形从而形成垂直于该环形平面的磁场，对谐振腔内的电磁场特别是磁场形成微扰，从而影响谐振腔的谐振频率。本发明的调谐方法可以直接得出要达到目标谐振频率时调谐杆位于腔体内的位置，而无需盲目移动调谐杆，操作简单，工作效率高，节省人力和工时。

Description

一种谐振腔及其调谐方法

技术领域

本发明涉及射频器件领域，更具体地说，涉及一种谐振腔及其调谐方法。

背景技术

在微波射频器件中，腔体滤波器是很重要的一种器件。腔体滤波器是由几个微波谐振腔组成的，常用的谐振腔具有一个任意形状的由导电壁(或导磁壁)包围的腔体，还包括盖在腔体上的腔盖以及装在腔体两侧侧壁上的输入端和输出端。通常，一个谐振腔具有固定的谐振频率，通常谐振腔体积越小，谐振频率越高。因此，一些谐振频率低的谐振腔，其体积比较大。

为了对已知频点的谐振腔进行调节，通常会在腔顶设置一调谐螺杆，通过调节其伸入谐振腔内的深度来调节谐振腔的频点。但这种调节方式通常伴随着损耗的增加。另外，对于TM模式的腔体滤波器，由于腔体内的介质高度跟腔体差不多，使得调谐螺杆并不能伸入腔体内，不能起到实际有效的降频效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种TM模式谐振频率可调的谐振腔及其调谐方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种谐振腔，包括腔体、置于所述腔体内中央的谐振子、分别设置在腔体的两个相对侧壁上的输入端和输出端，还包括分别设置在所述腔体的另两个相对侧壁上的两个调谐杆，每个所述调谐杆为L形，包括垂直于腔体侧壁且伸入腔体内的水平段和位于所述腔体内部且垂直连接于所述水平段末端的竖直段。

在本发明所述的谐振腔中，所述调谐杆的水平段与所述输入端的轴线垂直。

在本发明所述的谐振腔中，所述谐振子的高度与所述腔体的高度相当。

在本发明所述的谐振腔中，所述调谐杆的竖直段的长度为所述谐振子高度的一半。

在本发明所述的谐振腔中，所述输入端和输出端内均为L形，且其L形的竖直部分位于所述谐振腔内部且平行于所述调谐杆的竖直段。

本发明还涉及一种对上述谐振腔进行调谐的方法，包括如下步骤：

S1、测定调谐杆所在的腔体侧壁至谐振子外表面的距离S和调谐杆竖直段的直径d；

S2、确定误差距离ΔS，测定所述两个调谐杆的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为ΔS和S-ΔS-d时谐振腔的谐振频率f_ΔS和f_S-ΔS-d；

S3、已知谐振腔的目标谐振频率为f，计算竖直段到所述腔体侧壁的距离L＝(S-2ΔS-d)(f-f_ΔS)/(f_S-ΔS-d-f_ΔS)+ΔS；

S4、调节两个调谐杆使得二者的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为L，并测量此时谐振腔的谐振频率f_L；

S5、判断f_L与目标谐振频率f的差值，若差值为0则达到要求；若差值大于0，则同时向外拉两调谐杆；若差值小于0，则同时向里推两调谐杆；直至测得的谐振腔谐振频率达到目标谐振频率f。

在本发明所述的方法中，步骤S2中误差距离ΔS设定为S/8或大于S/8的值。

在本发明所述的方法中，步骤S2中误差距离ΔS设定为S/5。

实施本发明的谐振腔及其调谐方法，具有以下有益效果：采用本发明的谐振腔，通过在腔体上设置L形调谐杆，可与腔体构成环形从而形成垂直于该环形平面的磁场，对谐振腔内的电磁场特别是磁场形成微扰，从而影响谐振腔的谐振频率。利用本发明的调谐方法，可以直接得出要达到目标谐振频率时调谐杆位于腔体内的位置，而无需一点点移动调谐杆来盲目调整，操作简单，工作效率高，节省人力和工时。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明优选实施例的谐振腔的俯视图；

图2是图1所示谐振腔的A-A俯视图；

图3是另一实施例中谐振腔中调谐杆的竖直段从腔体侧壁向谐振子移动时谐振腔的谐振频率曲线图。

具体实施方式

本发明涉及一种谐振腔，如图1、图2所示，包括腔体1、谐振子4、输入端21、输出端22和两个调谐杆分别为第一调谐杆31和第二调谐杆32。

腔体1为方形，具有四面侧壁。谐振子4位于腔体1内部的正中央，即谐振子4离腔体顶面和地面的距离相等，离任两相向平行的侧壁的距离相等。谐振子4的高度与腔体1的高度相当，即至少为腔体1高度的80％以上，如图2所示。这样的谐振子才能使谐振腔激励出TM模式。

输入端21和输出端22分别位于其中两平行的侧壁上，二者相同且均为L形，其L形的竖直部分位于腔体1内部且平行于侧壁，水平部分则垂直穿过侧壁。

第一调谐杆31和第二调谐杆32分别设置在腔体的另两相平行的侧壁上且相向设置，每个调谐杆也为L形，包括垂直于腔体侧壁且伸入腔体内的水平段和位于腔体内部且垂直连接于所述水平段末端的竖直段。两个调谐杆完全相同且二者的水平段共中心线。输入端21和输出端22的水平部分也共中心线。调谐杆与输入或输出端的中心线垂直，且谐振子4位于腔体1的中央，使得整个谐振腔成完全对称的结构。

调谐杆的竖直段的长度为所述谐振子4高度的一半，如图2所示；或者，竖直段也可直接连接到腔体内部的底面上，与腔体1练成一个闭合回路，更有利于产生磁场，从而对腔体1内的磁场产生微扰。输入端21、输出端22的竖直部分可以如图2所示的长度，也可直接连接到腔体1底部，更利于激发出较强的交变磁场。

调谐杆31、32伸入腔体1内的长度会影响整个谐振腔的谐振频率。可以直接推或拉调谐杆来调整水平段进入腔体内的长度，也可在调谐杆31、32上设置一定的机械或电控机构来实现对水平段移动距离的调整。

至于水平段伸入腔体的长度与谐振频率的值之间的关系，经过多次仿真、实验和检测确认，发现对于具有上述结构的谐振腔来说，该长度与谐振频率之间存在基本为线性的关系。只是在竖直段非常靠近腔体侧壁或非常靠近谐振子表面的时候，该线性关系不成立。这是因为，在基本贴近侧壁的位置，调谐杆的微扰作用非常小，基本可忽略；而在基本贴近谐振子时，微扰作用很大。但在这两个区域以外，线性关系是成立的。

因此，如果要对一个已有的谐振腔调节到想要的目标谐振频率、而不知道调谐杆要调整到哪个位置才能达到目标谐振频率时，就可以利用这一规律。

基于上述，本发明还提供一种调谐上述谐振腔的方法，包括如下步骤：

首先，步骤S1：测定调谐杆所在的腔体侧壁至谐振子外表面的距离S和调谐杆竖直段的直径d；

这里，当调谐杆的竖直段为圆柱形，则d为直径；若竖直段为方其他形状，则d为图2所示的剖面时、竖直段抵在侧壁表面上、该竖直段剖面离侧壁的距离最远的一点到侧壁的距离。

然后进行步骤S2：确定误差距离ΔS，测定所述两个调谐杆的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为ΔS时谐振腔的谐振频率f_ΔS，以及两竖直段到各自所在的腔体侧壁的距离为S-ΔS-d时谐振腔的谐振频率f_S-ΔS-d。

为了保证腔体内场分布的对称性，两个调谐杆相对于谐振腔中心的位置始终是对称的。即此处和下文中的调谐杆的位置、距离等都是针对两个调谐杆的。另外，这里的竖直段到侧壁的距离是指竖直段的朝向侧壁的外表面到侧壁的距离，而非竖直段的中心线到侧壁的距离。

误差距离ΔS是由于竖直段太靠近侧壁或太靠近谐振子而不满足线性关系的距离。在预先不知道竖直段离侧壁的距离与谐振腔谐振频率的关系曲线之前，误差距离ΔS可以预估，预估的ΔS如果大于实际误差距离，则结果越准确。所以ΔS的取值在允许的范围内可尽量大，优选ΔS等于或大于S/8，本实施例中为S/4。

S3、已知谐振腔的目标谐振频率为f，计算竖直段到所述腔体侧壁的距离L＝(S-2ΔS-d)(f-f_ΔS)/(f_S-ΔS-f_ΔS)+ΔS；

由于在侧壁与谐振子外表面之间的大部分区间，竖直段与侧壁的距离与谐振频率成线性关系，因此有(f-f_ΔS)/(L-ΔS)＝(f_S-ΔS-d-f_ΔS)/(S-2ΔS-d)，从而得到L＝(S-2ΔS-d)(f-f_ΔS)/(f_S-ΔS-f_ΔS)+ΔS。

S4、调节两个调谐杆使得二者的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为L，并测量此时谐振腔的谐振频率f_L；

S5、判断f_L与目标谐振频率f的差值，若差值为0则达到要求；若差值大于0，则同时向外拉两调谐杆；若差值小于0，则同时向里推两调谐杆；直至测得的谐振腔谐振频率达到目标谐振频率f。

此时的向里或向外推拉两调谐杆，只需很细微的微调即可，因为此时只要满足线性规律，谐振频率基本是吻合的，即使有差别，调谐杆的距离调节也应该是0.1mm级别甚至更低的。

如果目标谐振频率f小于f_ΔS或者大于f_S-ΔS-d，即目标谐振频率不在线性关系的区间。此时，则无需经过步骤S3至S5，当f小于fΔS时，自竖直段贴近侧壁开始逐渐向腔内推调谐杆或自f_ΔS处反向向侧壁拉；而f大于f_S-ΔS-d时，在f_S-ΔS-d处与谐振子外表面之间移动调谐杆，直至达到目标谐振频率。

图3所示的曲线是一实施例中竖直段到侧壁的距离与谐振腔谐振频率的关系曲线图。该实施例中，腔体为圆柱形，内径为50mm，高度30mm；谐振子为介电常数为45的陶瓷，外径30mm，内径10mm，高度30mm，输入端、输出端的竖直部分直径2mm，距离侧壁2mm，长度15mm；两调谐杆的竖直段直径2mm，同时自离侧壁2mm的位置移动到离侧壁8mm，谐振腔的谐振频率的变化曲线如图3所示。

由图3可知，本实施例中，侧壁到谐振子外表面的距离S＝10mm，实际误差距离为2mm，即竖直段自离侧壁2mm处到6mm处之间时谐振频率与竖直段到侧壁的距离是满足线性关系的。在调谐过程中，预设误差距离ΔS只要取值不小于2mm，其测量结果就是准确的。

例如，步骤S1中，测得距离S＝10mm，d＝2mm；

步骤S2中，取ΔS＝2mm，测得f_ΔS＝0.836GHz和f_S-ΔS-d＝0.852GHz；

步骤S3，若目标谐振频率f＝0.842mm，则L＝(10-4-2)(0.842-0.836)/(0.852-0.836)mm+2mm＝3.5mm；

步骤S4，调节两个调谐杆使得二者的竖直段到各自所在的腔体侧壁的距离均为3.5mm，并测量此时谐振腔的谐振频率f_L；显然，根据图3的曲线，可知此时的谐振频率满足目标。

采用本发明的谐振腔，通过在腔体上设置L形调谐杆，可与腔体构成环形从而形成垂直于该环形平面的磁场，对谐振腔内的电磁场特别是磁场形成微扰，从而影响谐振腔的谐振频率。利用本发明的调谐方法，可以直接得出要达到目标谐振频率时调谐杆位于腔体内的位置，而无需一点点移动调谐杆来盲目调整，操作简单，工作效率高，节省人力和工时。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种谐振腔，包括腔体、置于所述腔体内中央的谐振子、分别设置在腔体的两个相对侧壁上的输入端和输出端，其特征在于，还包括分别设置在所述腔体的另两个相对侧壁上的两个调谐杆，每个所述调谐杆为L形，包括垂直于腔体侧壁且伸入腔体内的水平段和位于所述腔体内部且垂直连接于所述水平段末端的竖直段，所述输入端和输出端内均为L形，且其L形的竖直部分位于所述谐振腔内部且平行于腔体侧壁，水平部分则垂直穿过腔体侧壁。

2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述调谐杆的水平段与所述输入端的轴线垂直。

3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振子的高度与所述腔体的高度相当。

4.根据权利要求3所述的谐振腔，其特征在于，所述调谐杆的竖直段的长度为所述谐振子高度的一半。

5.一种对权利要求1至4中任一项所述的谐振腔进行调谐的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、测定调谐杆所在的腔体侧壁至谐振子外表面的距离S和调谐杆竖直段的直径d；

S2、确定误差距离⊿S，测定所述两个调谐杆的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为⊿S和S-⊿S-d时谐振腔的谐振频率f_⊿S和f_S-⊿S-d；

S3、已知谐振腔的目标谐振频率为f，计算竖直段到所述腔体侧壁的距离L＝(S-2⊿S-d)(f-f_⊿S)/(f_S-⊿S-d-f_⊿S)+⊿S；

S4、调节两个调谐杆使得二者的竖直段到所述腔体侧壁的距离均为L，并测量此时谐振腔的谐振频率f_L；

S5、判断f_L与目标谐振频率f的差值，若差值为0则达到要求；若差值大于0，则同时向外拉两调谐杆；若差值小于0，则同时向里推两调谐杆；直至测得的谐振腔谐振频率达到目标谐振频率f。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中误差距离⊿S设定为S/8或大于S/8的值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中误差距离⊿S设定为S/5。