CN105071010A - 频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法，该频率稳定性谐振腔包括腔体和补偿体；腔体内部中空，构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；补偿体位于腔体内，构成谐振腔的下底面。本发明提供的频率稳定性谐振腔，通过合理的选择补偿体材料以及设置补偿体的尺寸，可以提高谐振腔的频率稳定性；补偿体材料可以选择易于加工且价格便宜的材料，这样就可以实现采用易于加工的材料制作高频率稳定性谐振腔的目的，并且有效的降低了谐振腔的制作成本。

Description

频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种谐振腔，具体涉及一种利用补偿方法改善谐振腔的谐振频率稳定度的频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法。

背景技术

谐振腔是一种适用于高频率的微波谐振元件，它是金属导体壁完全密闭的空腔，可以将电磁波全部约束在空腔内，同时其整个大面积的金属表面又为电流提供通路，谐振腔具有固定的谐振频率和很高的Q值。圆柱形谐振腔通常用作微波频率计，为了保证系统的性能，圆柱形谐振腔需要能够保持稳定的谐振频率。实际的微波谐振腔随着工作时间的增加，一方面由于谐振腔存在功率损耗，谐振腔的温度会升高；另一方面随着环境温度变化，谐振腔的温度也会改变。温度变化会使腔体发生热膨胀。谐振腔的体积和形状发生的微小变化，会引起谐振腔谐振频率漂移从而使设备性能发生变化，影响系统的正常工作。

以圆柱形谐振腔为例，圆柱形谐振腔TE_mnl模的谐振频率是：

$f_{mnl}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}\sqrt{{\left(\frac{p_{mn}^{\′}}{r}\right)}^2+{\left(\frac{l\mathrm{\π}}{h}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中，c是真空中的光速，ε_r为介质的相对介电常数，μ_r为介质的相对磁导率，p′_mn为J′_n(x)的根，r为谐振腔的内径，h为谐振腔的高度。

谐振腔受热膨胀后，谐振腔的尺寸r和h便会发生变化，从公式(1)可以看出，谐振腔的谐振频率会发生偏移。常用的提高谐振腔温度稳定性的方法有两种，一是采用恒温槽等保持谐振腔所处的环境温度恒定，但这样会增加系统复杂性，降低系统可靠性而且会增加系统能耗；另一种是采用低膨胀系数的材料来制作谐振腔，如殷钢，线膨胀系数平均可达1.5×10^-6/℃，从而减小谐振腔结构尺寸随温度的变化，这种材料做成的谐振腔的频率稳定度是用铜或铝做成的谐振腔频率稳定度的十倍左右，然而，由于殷钢材料成本很高而且加工困难，造成谐振腔的生产成本显著提高。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种材料和结构改进的频率稳定性谐振腔，通过谐振腔材料及结构的改进，能够使谐振频率得到补偿，进而改善谐振腔的谐振频率稳定度，甚至可以使谐振腔的频率稳定度比用殷钢制作的谐振腔的频率稳定度要高，并且能有效的降低谐振腔的制作成本。

本发明的另一目的在于提供一种获得上述频率稳定性谐振腔中补偿体高度的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种频率稳定性谐振腔，包括腔体和补偿体；所述腔体内部中空，构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；所述补偿体位于腔体内，构成谐振腔的下底面。

实施方式之一，一般谐振腔主要由两个底面和至少一个侧面构成，在本发明中，腔体构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；补偿体构成下底面。

实施方式之一，为了构成一个完整的谐振腔，谐振腔可以进一步包括平板，腔体开口的一侧以及补偿体均与平板固定连接；当然，为了能够构成一个完整的谐振腔，在本发明的思想指导下，本领域技术人员很容易采用其它方式实现，这均落入本发明的包括范围。在这里，为了便于腔体与平板连接，可以将腔体的外边缘向外延伸，该延伸部与平板贴合，并固定连接。

实施方式之一，补偿体的侧表面接近腔体的内侧面，使得补偿体的侧表面与墙体的内侧面间的间隙小，其目的是抑制简并模式，使得模式截止，能量泄漏小，在补偿体和腔体尺寸变化时，不考虑这方面尺寸变化对频率的影响。当腔体和补偿体均为圆柱形时，这里应该满足的条件为补偿体的直径接近腔体的内直径；在优选的实施方式中，补偿体的侧表面与腔体的内侧面之间的间隙占腔体内直径0.1％～1％，其具体比值与工作频率和工作模式有关。

实施方式之一，补偿体材料的膨胀系数大于腔体材料的膨胀系数。利用补偿体材料随温度变化膨胀时尺寸改变大于腔体材料膨胀时尺寸改变的特性，来减小上底面和侧面膨胀后的频率偏移，以达到稳定频率的目的。根据对补偿体材料和腔体材料特性的限定，上述腔体材料可以为铜；上述补偿体材料可以为镉或者表面涂覆银层的塑料。平板材料可以与腔体材料相同。在本发明的指导思想下，本领域技术人员可以根据采用的具体谐振腔，来选择合适的补偿体材料。

实施方式之一，腔体和补偿体可以均设置为圆柱形。当谐振腔腔体高度为H₂、补偿体高度为H₃，且H₂-H₃＝30.7mm时，H₃的取值范围为：150mm﹤H₃﹤170mm。

实施方式之一，腔体与平板以及补偿体与平板之间通过螺钉连接。在这里螺钉起固定作用，本领域的技术人员也可以选择其它常用的固定连接方式。

本发明进一步提供了一种获得上述频率稳定性谐振腔中补偿体高度的方法，对于设定谐振频率f₀的的圆柱形谐振腔，采用模式为TE₀₁₁模，腔体高度为H，内半径为R，包括以下步骤：

S1，假定谐振腔采用殷钢制作时，殷钢的线膨胀系数为α₁，在温度变化Δt，腔体高度变化ΔΗ₁和半径变化ΔR₁为：

ΔH₁＝α₁ΔtH(4)

ΔR₁＝α₁ΔtR(5)

腔体膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+{\mathrm{\ΔR}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+{\mathrm{\ΔH}}_1}\right)}^2}---\left(6\right)$

频率偏移为：

${\mathrm{\Δf}}_1=\left|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}-f_0\right|---\left(7\right);$

S2，对于采用膨胀系数小的材料作腔体，膨胀系数大的材料作补偿体时，设腔体材料的线膨胀系数为α₂，腔体高度为Η₂，腔体的内半径为R，补偿体的线膨胀系数为α₃，高度为Η₃，有如下关系：

H₂-H₃＝H

在温度变化Δt，谐振腔腔体的高度变化值ΔΗ₂和半径变化ΔR₂为：

ΔH₂＝α₂ΔtH₂(8)

ΔR₂＝α₂ΔtR(9)

补偿体的高度变化值ΔΗ₃为：

ΔH₃＝α₃ΔtH₃(10)

则谐振腔的高度变化ΔΗ和谐振腔的半径变化ΔR为：

ΔH＝ΔH₂-ΔH₃(11)

ΔR＝ΔR₂(12)

谐振腔膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+\mathrm{\Δ}R}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+\mathrm{\Δ}H}\right)}^2}---\left(13\right)$

频率偏移为：

${\mathrm{\Δf}}_2=\left|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}-f_0\right|---\left(14\right);$

S3，通过matlab分析，当使用补偿体制作的谐振腔的频率偏移小于使用殷钢制作的谐振腔腔的频率偏移时，即得到补偿体的高度。

通过上述方法，只要知道腔体、补偿体的材料以及谐振腔的尺寸，便可很容易得到所需要的补偿体的高度，进而制作出满足要求的谐振腔。

本发明提供的频率稳定性谐振腔具有以下至少一项有益效果：

1、通过合理的选择补偿体材料以及设置补偿体的尺寸，可以提高谐振腔的频率稳定性；

2、补偿体材料可以选择易于加工或成本低廉的材料，以实现高频率稳定性谐振腔，并且极大的降低了谐振腔的制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明提供的一个实施例的频率稳定性谐振腔的剖面示意图。

其中，1、补偿体，2、腔体，3、平板，4、螺钉。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本实施例以圆柱形的频率稳定性谐振腔为例，图1给出该谐振腔的沿轴向的剖面示意图。

该谐振腔的上底面和侧面为一体，构成腔体2，腔体2可以采用铜制作，铜的膨胀系数平均为17.5×10^-6/℃；下底面为补偿体1，补偿体1可以采用膨胀系数高于腔体2材料的其它材料制作。本实施例中采用的是膨胀系数高于铜的材料镉，镉的膨胀系数平均为41×10^-6/℃。本实施例中，补偿体1的直径D接近腔体2的内直径D1；补偿体1的侧表面与腔体2的内侧面之间的间隙占腔体1内直径0.1％～1％，其具体比值与工作频率和工作模式有关。

补偿体1和腔体2通过螺钉4固定在由铜制作的平板3上。由此构成的谐振腔的高度为补偿体1和腔体2的高度差。为了便于以比较，在本实施例中该高度差与采用殷钢制作的谐振腔的高度相等。在这里螺钉4起固定作用，本领域的技术人员也可以选择其它常用的固定连接方式。

下面对圆柱形的频率稳定性谐振腔的频率补偿原理做进一步的说明。

利用镉随温度变化膨胀时尺寸改变大于铜膨胀时尺寸改变的特性，来减小上底面和侧面膨胀后的频率偏移，通过选取适当高度的镉，可以使得在同样温度变化范围内，本发明谐振腔的频率偏移小于采用殷钢制作的谐振腔的频率偏移，从而能够达到本发明提供的谐振腔的频率稳定性高于殷钢制作的谐振腔的频率稳定性。而且镉的价格相对于殷钢要低很多，镉的硬度也低于殷钢，加工成本也明显低于殷钢的加工成本。本发明的原理如下：

金属随温度长度的变化用线膨胀系数来表示，一般来说线膨胀系数随着温度而变化，但对于大多数材料来讲，在一定的温度范围内，可以将其近似看做一个常数。对一个长为L₀的物体，其线膨胀系数为α，温度变化Δt后，金属膨胀后的长度L₁为：

L₁＝L₀(1+αΔt)(2)

其长度变化量ΔL为：

ΔL＝αΔtL₀(3)

对于一个谐振频率为12.9GHz的圆柱形谐振腔，采用的模式为TE₀₁₁模，腔体高度H为30.7mm，圆柱形谐振腔的内半径R为15.3mm，下面分别分析采用殷钢和采用补偿材料制作的谐振腔的频率偏移。

采用殷钢制作时，殷钢的线膨胀系数为α₁，在温度变化Δt，腔体高度变化ΔΗ₁和半径变化ΔR₁为：

ΔH₁＝α₁ΔtH(4)

ΔR₁＝α₁ΔtR(5)

腔体膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+{\mathrm{\ΔR}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+{\mathrm{\ΔH}}_1}\right)}^2}---\left(6\right)$

频率偏移为：

${\mathrm{\Δf}}_1=\left|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}-f_0\right|---\left(7\right)$

采用本实施例给出的谐振腔结构时，如图1所示，谐振腔腔体2材料为铜、线膨胀系数为α₂，腔体2高度为Η₂，腔体2的内半径为R，补偿体1的材料为镉、线膨胀系数为α₃，高度为Η₃，有如下关系：

H₂-H₃＝30.7

R＝15.3

在温度变化Δt，谐振腔腔体2的高度变化值ΔΗ₂和半径变化ΔR₂为：

ΔH₂＝α₂ΔtH₂(8)

ΔR₂＝α₂ΔtR(9)

补偿体1的高度变化值ΔΗ₃为：

ΔH₃＝α₃ΔtH₃(10)

由于补偿体1的直径与腔体2的内直径很接近，补偿体1与腔体2内表面之间的间隙很小，TE₀₁₁模式截止，能量泄漏很小，所以补偿体1半径的变化对频率的影响可以忽略不计，则谐振腔的高度变化ΔΗ和谐振腔的半径变化ΔR为：

ΔH＝ΔH₂-ΔH₃(11)

ΔR＝ΔR₂(12)

谐振腔膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+\mathrm{\Δ}R}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+\mathrm{\Δ}H}\right)}^2}---\left(13\right)$

频率偏移为：

${\mathrm{\Δf}}_2=\left|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}-f_0\right|---\left(14\right)$

从公式(13)、(14)可以看到采用补偿方法后谐振腔受热膨胀后的频率偏移Δf₂是补偿体1的高度H₃和温度变化Δt的函数，而殷钢制作的谐振腔频率偏移Δf₁知识温度变化Δt的函数，可以通过求取一个合适的补偿体1的高度，使得在Δt内Δf₂小于Δf₁，即使用本发明提供的谐振腔，其频率偏移小于使用殷钢制作的谐振腔的频率偏移。通过matlab分析得到H₃范围为150mm﹤H₃﹤170mm，即当补偿体1的高度满足大于150mm小于170mm时，使用补偿材料制作的谐振腔的频率偏移小于使用殷钢制作的谐振腔的频率偏移，从而提高了谐振腔的频率稳定性。

当选择的腔体材料和补偿体材料改变时，具体的补偿体的高度，可以利用上述推导过程很容易推导出来。

综上所述，通过选择膨胀系数高于腔体材料的补偿体材料，并合理的设置补偿体的尺寸，可以提高谐振腔的频率稳定性；又因为补偿体材料可以选择易于加工的材料，这样就可以实现采用易于加工的材料制作高频率稳定性谐振腔的目的，并且极大的降低了谐振腔的制作成本。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种频率稳定性谐振腔，其特征在于，包括腔体和补偿体；所述腔体内部中空，构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；所述补偿体位于腔体内，构成谐振腔的下底面。

2.根据权利要求1所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，进一步包括平板；所述腔体开口的一侧以及补偿体均与平板固定连接。

3.根据权利要求1所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，所述补偿体的侧表面接近腔体的内侧面。

4.根据权利要求3所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，所述补偿体材料的膨胀系数大于腔体材料的膨胀系数。

5.根据权利要求4所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，所述腔体材料为铜；所述补偿体材料为镉或者表面涂覆银层的塑料。

6.根据权利要求1所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，平板材料与腔体材料相同。

7.根据权利要求1-6任一所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，所述腔体和补偿体均为圆柱形。

8.根据权利要求7所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，当所述谐振腔腔体高度为H₂、补偿体高度为H₃，且H₂-H₃＝30.7mm时，H₃的取值范围为：150mm﹤H₃﹤170mm。

9.根据权利要求2所述的频率稳定性谐振腔，其特征在于，所述腔体与平板以及补偿体与平板之间通过螺钉连接。

10.一种获得权利要求1所述的频率稳定性谐振腔中补偿体高度的方法，其特征在于，对于设定谐振频率f₀的的圆柱形谐振腔，采用模式为TE₀₁₁模，腔体高度为H，内半径为R，包括以下步骤：

S1，假定谐振腔采用殷钢制作时，殷钢的线膨胀系数为α₁，在温度变化Δt，腔体高度变化ΔΗ₁和半径变化ΔR₁为：

ΔH₁＝α₁ΔtH(4)

ΔR₁＝α₁ΔtR(5)

腔体膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+{\mathrm{\ΔR}}_1}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+{\mathrm{\ΔH}}_1}\right)}^2}---\left(6\right)$

频率偏移为：

$\mathrm{\Δ}{f}_1=|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}-f_0|---\left(7\right);$

S2，对于采用膨胀系数小的材料作腔体，膨胀系数大的材料作补偿体时，设腔体材料的线膨胀系数为α₂，腔体高度为Η₂，腔体的内半径为R，补偿体的线膨胀系数为α₃，高度为Η₃，有如下关系：

H₂-H₃＝H

在温度变化Δt，谐振腔腔体的高度变化值ΔΗ₂和半径变化ΔR₂为：

ΔH₂＝α₂ΔtH₂(8)

ΔR₂＝α₂ΔtR(9)

补偿体的高度变化值ΔΗ₃为：

ΔH₃＝α₃ΔtH₃(10)

则谐振腔的高度变化ΔΗ和谐振腔的半径变化ΔR为：

ΔH＝ΔH₂-ΔH₃(11)

ΔR＝ΔR₂(12)

谐振腔膨胀后的谐振频率为：

$f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\left(\frac{p_{01}^{\′}}{R+\mathrm{\Δ}R}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{H+\mathrm{\Δ}H}\right)}^2}---\left(13\right)$

频率偏移为：

$\mathrm{\Δ}{f}_2=|f_{{\mathrm{TE}}_{011}}^{\′}-f_0|---\left(14\right);$

S3，通过matlab分析，当使用补偿体制作的谐振腔的频率偏移小于使用殷钢制作的谐振腔腔的频率偏移时，即得到补偿体的高度。