CN107768790A - 一种tm模介质谐振器 - Google Patents
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Abstract
一种TM模介质谐振器，包括：顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分；顶端中空圆柱部分外径为D，底端中空圆柱部分外径为d，顶端中空圆柱部分的外径D大于底端中空圆柱部分的外径d；中空过渡部分的上端连接顶端中空圆柱部分，下端连接底端中空圆柱部分，中空过渡部分的外径以固定锥角θ从D均匀缩小至d；顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分的内径d1保持不变；其中，所述TM模介质谐振器的谐振频率通过打磨顶端中空圆柱部分的长度L1和底端中空圆柱部分的长度L2中的至少一个的长度来调整。
Description
技术领域
本发明属于微波无源领域，具体涉及一种TM模介质谐振器。
背景技术
滤波器对射频信号具有频率选择作用，只有信号的频率位于滤波器通频带内时，信号才能以很小的衰减通过滤波器，而通频带外的信号则会受到较大的衰减而无法通过。滤波器是射频通讯模块中不可缺少的组成部分，其性能好坏决定着通讯设备能否正常工作。
随着卫星通信系统飞速发展，卫星技术不断向大功率、高频的方向发展，对星载无源器件要求越来越高，特别是在小型化、轻量化、高可靠性以及抗低气压放电能力方面要求越是迫切。卫星从发射到入轨，处于工作状态下的滤波器，需要经历常压-低气压-真空阶段，在低气压阶段滤波器功率阈值迅速下降，传统的同轴腔体滤波器因其低气压功率阈值较低，已经不能满足卫星型号的需求。
TM模介质滤波器具有高Q值、体积小、重量轻、温度稳定性好和低气压放电阈值高等优点，且随着微波介质陶瓷材料的性能和稳定性的不断提升，TM模介质滤波器被广泛应用在GPS导航系统和卫星通信系统中。
介质滤波器是介质谐振器通过某种方式耦合构成的，如图1所示，常见的介质谐振器结构为内部中空的圆柱状结构。为提高低气压放电阈值，常采用聚酰亚胺调谐螺钉，调谐范围极为有限，不足1％，加工过程中常采用固定外径，备份多组内径尺寸的方式对介质谐振器进行备份以实现频率调谐的目的。因此需要制备外径相同，不同内径尺寸的多个钢制模具，将陶瓷粉料注模成型得到所需介质谐振器。加工成本较高，且备份的介质谐振器频率间隔固定，无法灵活调谐。
近年来，国内外对TM模介质谐振器做了相关研究，但研究对象主要集中介质谐振器上下端面与盖板及金属腔体如何紧密连接，及耦合机构的实现等，在现有技术中未对TM模介质谐振器的结构形式进行研究。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的缺陷，提出一种TM模介质谐振器，该TM模介质谐振器结构简单，Q值高，在保证较高低气压放电阈值的同时，较大程度地节约成本。
本发明的技术解决方案是：
一种TM模介质谐振器，包括：顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分；
顶端中空圆柱部分外径为D，底端中空圆柱部分外径为d，顶端中空圆柱部分的外径D大于底端中空圆柱部分的外径d；
中空过渡部分的上端连接顶端中空圆柱部分，下端连接底端中空圆柱部分，中空过渡部分的外径以固定锥角θ从D均匀缩小至d；
顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分的内径d1保持不变；
其中，所述TM模介质谐振器的谐振频率通过打磨顶端中空圆柱部分的长度L1和底端中空圆柱部分的长度L2中的至少一个的长度来调整。
根据本发明的一个实施例，所述TM模介质谐振器的材料为陶瓷介质。
根据本发明的一个实施例，所述TM模介质谐振器通过模具烧结成型。
根据本发明的一个实施例，通过打磨L1和L2中的至少一个的长度来调整L1/L2的比值，L1/L2的比值越大，所述TM模介质谐振器的谐振频率越低；L1/L2的比值越小，所述TM模介质谐振器的谐振频率越高。
根据本发明的一个实施例，所述TM模介质谐振器的谐振频率通过等式来估计，其中，A为比例因数，ε为TM模介质谐振器的材料的介电常数，μ为TM模介质谐振器的材料的磁导率。
根据本发明的一个实施例，所述TM模介质谐振器置于金属腔体中。
根据本发明的一个实施例，所述金属腔体上表面具有半径为D的圆形限位坑，用于容纳顶端中空圆柱部分，所述金属腔体下表面具有半径为d的另一圆形限位坑，用于容纳底端中空圆柱部分。
根据本发明的一个实施例，所述金属腔体由殷钢或铝制成，金属腔体的表面镀银。本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的TM模介质谐振器结构简单，Q值高，在保证较高低气压放电阈值的同时，较大程度地提高成品率，并节约成本；
(2)本发明的TM模介质谐振器可通过调节顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分来调节谐振频率，只需制备一种模具，即可加工得到所需所有频率的介质谐振器，无需制备多个相应内径尺寸模具。
附图说明
图1是现有技术中的TM模介质谐振器示意图。
图2是根据本发明的实施例的TM模介质谐振器的结构图。
图3是根据本发明的实施例的TM模介质谐振器的示意图。
图4是本发明的实施例的TM模介质谐振器不同比值的L1/L2对应的频率调谐范围。
图5是根据本发明的实施例的由TM模介质谐振器组成的滤波器的示意图。
图6是根据本发明的实施例的滤波器的电磁波反射频率曲线和传输特性频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的实施例。
电磁波在特定结构的陶瓷块中，向自由空间入射时会在边界不断发生反射，无法透过介质边界。最终，电磁波被封闭于陶瓷块内，并在介质块中形成驻波，产生电磁振荡，从而构成介质谐振器。本发明公开了一种TM模介质谐振器的结构，以TM01δ模式作为工作模式，两端均短路。由于TM01模式特殊的电磁场分布特性，电磁场主要集中在介质内部，可以有效的降低产品在气体中的击穿概率，增大功率阈值。
如图2和图3所示，TM模介质谐振器包括顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分，该TM模介质谐振器的形状与漏斗类似。
顶端中空圆柱部分是外径为D，内径为d1，长度为L1的圆柱体，底端中空圆柱部分是外径为d，内径为d1，长度为L2的圆柱体，顶端中空圆柱部分的外径D大于底端中空圆柱部分的外径d；中空过渡部分的外径以固定锥角θ从D均匀缩小至d，长度为L0；顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分的内径d1保持不变。该TM模介质谐振器的材料为陶瓷，通过模具烧结成型。
在本发明的实施例中，TM模介质谐振器置于金属腔体中，金属腔体上表面具有半径为D的圆形限位坑，用于容纳顶端中空圆柱部分，所述金属腔体下表面具有半径为d的另一圆形限位坑，用于容纳底端中空圆柱部分。金属腔体由殷钢或铝制成，金属腔体的表面镀银。
在该TM模介质谐振器中，电场方向由底端到顶端或者顶端到底端单一方向分布，场强沿径向均匀分布，沿轴向整体分布较为均匀，在底端较小外径区域积聚的场强稍强，分布在空腔里的电场分量较小，当对该TM模介质谐振器加载大功率信号时，腔体种的气体分子被电离的概率就变小，从而获得较高的低气压功率阈值。
在本发明的实施例中，可通过打磨来调整L1和L2中的至少一个的长度，从而调整TM模介质谐振器的谐振频率。如图4所示，L1/L2的比值越大，TM模介质谐振器的谐振频率越低；L1/L2的比值越小，TM模介质谐振器的谐振频率越高。在图4中，f0为具有相同内径和谐振器高度的传统圆柱型介质谐振器可实现的谐振频率，f为本发明的TM模介质谐振器的谐振频率。
在本发明的实施例中，可通过以下等式(1)来估计TM模介质谐振器的谐振频率：
其中，A为比例因数，ε为TM模介质谐振器的材料的介电常数，μ为TM模介质谐振器的材料的磁导率。
实施例
在本发明的实施例中，TM模介质谐振器的底端中空圆柱部分外径d为10mm，顶端中空圆柱部分外径D为12mm，内径d1为5mm，中空过渡部分长度L0为9.5mm，锥角θ为9°。图5为使用三个TM模介质谐振器组成的滤波器，图6为使用图5中的滤波器的电磁波反射频率曲线和传输特性频率曲线，如图6所示，该滤波器为带通滤波器，横坐标为频率，纵坐标为采用本发明新型TM模介质谐振器构成的滤波器的S参数传输特性，在滤波器的通带部分，该滤波器的中心插损不超过0.3dB，连续波功率加至36W未放生低气压放电现象。
综上所述，本发明提出的TM模介质谐振器结构简单、易加工，具有体积小，重量轻，Q值高等优点，能够有效提高成品率，较大程度地降低加工成本，同时低气压放电阈值不会恶化，并且便于调试，可靠性高，可推广至多工器产品中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种TM模介质谐振器，其特征在于，包括：顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分；
顶端中空圆柱部分外径为D，底端中空圆柱部分外径为d，顶端中空圆柱部分的外径D大于底端中空圆柱部分的外径d；
中空过渡部分的上端连接顶端中空圆柱部分，下端连接底端中空圆柱部分，中空过渡部分的外径以固定锥角θ从D均匀缩小至d；
顶端中空圆柱部分、底端中空圆柱部分和中空过渡部分的内径d1保持不变；
其中，所述TM模介质谐振器的谐振频率通过打磨顶端中空圆柱部分的长度L1和底端中空圆柱部分的长度L2中的至少一个的长度来调整。
2.根据权利要求1所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述TM模介质谐振器的材料为陶瓷介质。
3.根据权利要求2所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述TM模介质谐振器通过模具烧结成型。
4.根据权利要求1所述的TM模介质谐振器，其特征在于，通过打磨L1和L2中的至少一个的长度来调整L1/L2的比值，L1/L2的比值越大，所述TM模介质谐振器的谐振频率越低；L1/L2的比值越小，所述TM模介质谐振器的谐振频率越高。
5.根据权利要求4所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述TM模介质谐振器的谐振频率通过等式来估计，其中，A为比例因数，ε为TM模介质谐振器的材料的介电常数，μ为TM模介质谐振器的材料的磁导率。
6.根据权利要求1所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述TM模介质谐振器置于金属腔体中。
7.根据权利要求6所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述金属腔体上表面具有半径为D的圆形限位坑，用于容纳顶端中空圆柱部分，所述金属腔体下表面具有半径为d的另一圆形限位坑，用于容纳底端中空圆柱部分。
8.根据权利要求6所述的TM模介质谐振器，其特征在于，所述金属腔体由殷钢或铝制成，金属腔体的表面镀银。
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