CN1081790A

CN1081790A - 微波介质谐振器和滤波器的调谐装置

Info

Publication number: CN1081790A
Application number: CN93106021A
Authority: CN
Inventors: A·达拉戈; R·乌修奥利; A·洛宾纳
Original assignee: Siemens Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Siemens Telecomunicazioni SpA
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-02-09
Also published as: WO1993024969A1; ZA933544B; ITMI921279A1; IT1259033B; ITMI921279A0

Abstract

本发明描述了能在宽带范围内调节圆柱介质谐振器的谐振频率的调谐装置。该调谐是通过在孔中滑动介质调谐圆柱来实现的，该孔是从谐振器的表面开始的。滑动圆柱是由转动粘接到圆柱的螺钉和把螺钉拧入包括谐振器在内的波导壁上的孔来实现的。还描述了一种包括本发明主题的若干调谐装置的微波滤波器，该调谐装置包括一段圆柱波导，在圆柱波导中沿着它们的圆柱对称轴排列着若干径向钻孔的圆柱介质谐振器。该谐振器通过具有压入谐振器的凹槽的介质材料的衬垫窄条在波导中定位。

Description

本发明涉及微波谐振器领域，更具体地说，涉及微波介质谐振器和滤波器的调谐装置。

众所周知，比较传统的微波谐振器是由封闭的金属腔组成的。随着低损耗陶瓷材料的出现，把它用作各种形状的微波谐振器的介质体已成为可能，最广泛使用的是圆柱形的介质体。在下文被称为DR的介质谐振器的工作，基本上是根据当电磁波入射到具有两个不同介电常数的材料之间的分界面时，电磁波进行反射的现象。

理论上，不需要用金属壁封闭介质谐振器，因为激励模式的谐振频率主要与谐振器的几何形状和尺寸有关。但是在实际上，为了避免电磁能量的辐射和获得实际可用的装置，介质谐振器被安置在封闭的金属腔中。

随着高介电常数陶瓷材料的使用，更有利于制成应用在微波滤波器和振荡器中的介质谐振器。事实上，由于高介电常数，电磁场大部分仍被限制在DR中，所以保证使电路更小型化的同时，减小所占据的空间已经成为可能。此外，与使用传统的谐振器电路相比较，低温系数的陶瓷材料保证了较大的温度稳定性。

由上述可见，具有根据已知技术制成的介质谐振器的微波滤波器，一般包括：一个金属腔，在腔中设置依据适当方位排列的一个或者多个圆柱介质谐振器。滤波器和外电路之间的耦合由各种装置提供，例如：由同轴探针、环、膜片、波导段等提供，它的位置和方位是按照所使用的谐振模式有关的最佳性能来考虑的。

类似于滤波器的那些结构尺寸也能用于提供微波振荡器的单个谐振器。

人们也知道，在滤波器的工业应用中，通过容易地进行调谐操作，就可以改变单个介质谐振器的谐振频率，例如通过机械公差获得谐振频率的变化。这些都是最基本的。

为此，已知两个不同的介质谐振器的调谐方法是：

第一种方法包括在谐振模式的能量密度高的点对包含介质谐振器的金属腔体积的改变。出现在介质谐振器外面的电磁场最终畸变引起谐振器中激励谐振模式的谐振的改变。根据这个理论，如果在该体积dv中的电场能量超过磁场能量，当腔的体积减少一个dv量时，腔中的电磁模式的谐振的增加是已知的，在相反的情况下，谐振频率的减少是已知的。频率变化的幅度与dv和在本地的电磁能量之间的差成正比，于是上述的幅度与所考虑的模式和腔变形的地点有关。

实际上，腔的体积的改变是通过用螺钉或者小薄片的方法把金属材料引入腔中来实现的。例如，在美国专利5008640叙述的谐振器中，调谐是通过在金属腔的侧壁引入螺钉进行的。

该第一调谐方法的主要缺点在于：为了适当地调谐，必须作用在调谐模式的能量密度较高的地方，在大多数的情况下，这是既不容易而又无效的。第二个缺点在于：在腔中引入的元件的表面感应电流引起所使用的谐振模式的功率损耗。

第二个DR调谐方法是改变介质谐振器的体积。这个方法，呈现在介质谐振器中所有谐振模式的谐振频率是根据介电常数、体积改变的地点和体积改变的大小方式显著地变化的。

这个第二个方法的第一个已知应用是，沿着对称轴把第一圆柱介质谐振器拉伸到接近于第二圆柱介质谐振器，该第二圆柱介质谐振器的尺寸与第一圆柱形介质谐振器相同，或者更经常的情况是略小于第一圆柱形介质谐振器，而介电常数通常等于第一谐振器的介电常数，例如，在日本专利J62271503中描述的可调谐介质谐振器那样。

第二调谐方法的第二已知应用包括使用具有一个轴向孔的圆柱介质谐振器，在孔中引入一个金属调谐螺钉，例如在美国专利4630012中所描述的可调谐的谐振器;或者在孔中引入介质圆柱，例如在美国专利4810984中所描述的可调谐的谐振器。在所有表示的例子中指出，通过对圆柱介质谐振器的平面起作用来实现的调谐是有用的。

至今所知的微波滤波器的主要实施例中，在金属腔中圆柱介质谐振器位于第一方位，对应于它们是沿着垂直于每个谐振器的圆柱对称轴的直线对准的方位，谐振器相互之间被适当地隔开以达到所希望的电磁耦合。使用这种结构的理由主要是便于单个DR的调谐。

然而，最近已出现的滤波器的例子，其中圆柱介质谐振器根据第二方位置于金属腔中，它们是沿着一个与第个谐振器平行的或者与其圆柱对称轴一致的轴对准，谐振器相互被适当地隔开以达到所希望的电磁耦合。

该DRs的第二方位的主要优点在于：它进一步使微波滤波器的尺寸小型化。

但是，DRs位于第二方位的滤波器的调谐不容易按上述任何一个调谐方法执行。事实上，不可能在所用模式更强场的地方，对圆柱DRs的平面起作用，而且也不改变与单个DR的谐振频率同时发生的相互耦合度。因此，在正要调整的谐振频率中存在另一种变化，将很难对不同谐振器的频率调整。可能仅对DRs的侧面起作用，但是，在这种情况下，由于所用模式的低本地场强，通过第一调谐方法可实现的调谐被大大地减小。此外，包含单个DRs的侧面的第二调谐方法的例子尚不清楚。

由此可见，一般认为包括以第二种方位型式排列的圆柱介质谐振器的调谐滤波器的问题仍然没有得到解决。

因此，本发明的目的是为了克服上述缺点，并表明了用于圆柱介质谐振器的调谐装置。由于调谐操作仅包括所述的谐振器的圆柱表面，因此，该调谐装置允许磁型或者电型的主谐振模式的激励的圆柱介质谐振器的谐振频率至少在相对范围的5%之内变化。

为了实现所述的本发明的目的，一个用于圆柱介质谐振器的调谐装置包括：用于介质谐振器的密封和定位的装置，和用于在介质谐振器的一个孔中滑动调谐圆柱以改变谐振器的谐振频率的装置，所述的孔从谐振器的表面开始构成。

所述密封装置包括一个限制介质谐振器的由金属壁围成的腔，在介质谐振器的孔中调谐圆柱的滑动是通过旋转与调谐圆柱和腔壁一体的螺钉来实现的。

由此清楚地可见，本发明的主题是将调谐装置有效地使用在微波滤波器的制造中，尤其在高度小型化的制造中，由此提供了滤波器的制造和调谐的方便。此外，由于使用所述的装置的滤波器有较宽的调谐范围，从而可以减小使用几个微波滤波器设备的生产成本。实际上，通过完成每个信道的单个谐振频率的调整操作，对于不同信道使用相同的滤波器就成为可能，而在现有技术中对于不同的信道必须设计不同的滤波器。

本发明的另一个主题是一个包括设置在金属壁围成的腔中的多个圆柱介质谐振器的微波滤波器。该谐振器沿着它们的圆柱对称轴保持对准，并通过适当的定位装置相互隔开。该滤波器也包括用于谐振器中激励所要求的谐振模式的装置，所述的装置建立一个用于将被滤波的微波信号的输入口和一个能取得已滤波信号的输出口。每个介质谐振器具有一个从圆柱表面开始构成的孔，在其中能转动调谐圆柱以改变谐振器的谐振频率。

本发明的主题是调谐装置在实现微波振荡器的单个可调的谐振器方面寻求有效的应用。

因此，本发明的另一个主题是用于微波振荡器的可调谐振器，它包括设置在由金属壁包围的腔中被适当定位装置限制的圆柱介质谐振器。适当的探针在介质谐振器中激励所要求的谐振模式，并把它耦合到振荡器的有源元件。在介质谐振器中的孔从圆柱表面开始构成，并且在孔中转动一个调谐圆柱以改变介质谐振器的谐振频率。

必须指出，作为本发明主题的滤波器、振荡谐振器和调谐装置中包含的介质谐振器的定位装置以前没有使用过。事实上根据现有技术，谐振器通过圆柱衬垫粘合到DRs，或者通过填充金属腔的低介质常数的硬聚氨基甲酸酯泡沫，或者通过穿入在谐振器的轴向孔中的塑料螺钉固定定位的。

新的定位装置包括低损耗介质材料的窄条，它具有把圆柱介质谐振器压入的凹槽，所得到的结构也受腔壁的限制。这个新型支承除了结构简单以外，装配也十分简单。由于采用新的定位装置，使本发明的滤波器具有机械强度高、温度稳定和特别可靠的优点。

本发明的附加的目的和优点将通过以下结合附图给出的非限制性的实施例的详细描述变得更清楚。

图1表示具有一个径向位置孔的圆柱介质谐振器的轴测图;

图2表示包括与图1相同的几个圆柱介质谐振器的微波滤波器的局部放大的断开的轴测图;

图3表示沿着一个通过滤波器对称轴的和介质谐振器径向孔中心线的平面的图2滤波器的横截面图，并且详细表示了本发明主题的调谐装置。

参考图1，标号1表示具有高介电常数的已知类型的圆柱介质谐振器，它的主磁模式TM01d的谐振频率为7.7GHz，谐振器1的圆柱对称轴用x表示。在谐振器1的圆柱壁的半高度上可见一个径向通孔2，孔2的轴用y表示，由上述可见，它垂直于轴x，并且后者与介质谐振器1中心c相交。在孔2的外面与可见的调谐圆柱3同轴。

在操作中，调谐圆柱3以一个相应于所希望的谐振频率的长度插入孔2，更确切地说，圆柱3全部插入孔2可以得到谐振器1的最小谐振频率，调谐圆柱3从孔2中逐渐抽出就会在谐振频率上产生一个相等逐渐增加的量，直到它达到全部抽出圆柱3的最大值。

对于制造来说，介质谐振器1的孔2是用空心钻头超声钻孔形成的，调谐圆柱3直接由钻探材料制成的钻头小心而自由地提供。作为另一个方案可以使用不同材料的调谐圆柱，例如使用与制成介质谐振器1的材料介电常数不同的材料，去增加或减小谐振器调谐范围是可能的。通过使用具有合适的谐振频率温度的调谐圆柱材料，提供由于温度变化引起谐振器的谐振频率偏移的自动补偿也是可能的。

参照图2，其中图1的相同元件用同一标号表示，密封结构G和用D表示的谐振结构在图中可以看到，为了便于表示，结构G和D仅部分可见地被分别示出。实际上，它们是同轴一起构成的一个具有通带为26MHz，在7.4GHz和7.7GHz之间可调谐的微波滤波器。

结构G包括由两个中心钻孔的金属板封闭两端的圆柱波导10（图中看不见），为了与下面描述更为一致，把金属壁10和以整个金属壁围成的腔10′在波导10中区分开。

结构D包括介质谐振器1，第二圆柱介质谐振器4，在图中可见孔5，而另外四个圆柱介质谐振器看不见。构成谐振结构D的六个谐振器全部相同，并且调准它们本身的圆柱对称轴x与波导10的圆柱对称轴相一致，谐振器相互被适当地隔开。为了引入各自的调谐圆柱，六个介质谐振器被径向钻孔。在波导10的圆柱壁中，与谐振器1和4的孔相对应的位置可见到两个用于引入同样多的调谐螺钉的孔11和12。在图中看不见的另外四个孔与相应谐振器的径向孔对准。

低损耗介质材料，例如Rexolite

的四个衬垫窄条6、7、8和9刚性地接到谐振器和结构G的壁，使谐振器相互之间以及和结构G的壁之间以适当的间隔固定，由于制造DRs材料的固有品质因数（Q）的结果，以致损耗被限制而不减小。为了这个目的，每个衬垫窄条具有六个局部地进入六个介质谐振器的凹槽。

通过在窄条的特定凹槽中压装谐振器或者如另一方案用胶粘，把介质谐振器固定到衬垫6、7、8和9。同样的方法应用于在密封结构G中结构D的固定。窄条的数量和尺寸的构成本身不受例子的限制。

通过封闭波导10两端的两个板的中心孔，穿入两个具有单极天线型的圆对称的各自相同的轴向探针（在图中未见）。众所周知，这种类型的探针在图2的滤波器中能激励磁谐振模式，尤其是主谐振模式TM01d，当激励上述模式时，由所述的滤波器取得信号。

与两个板一体的、穿入波导10的探针，通过使用已知的装置能做成可以调节的。

参考图3，其中在图1和图2中相同的元件用相同的标号表示，为表示方便起见，其尺寸与实际不一致，能看到在圆柱波导10里面的圆柱介质谐振器1用衬垫6和7与波导10的壁隔开固定。横截面图表示径向孔2和在其里面的调谐圆柱3。后者通过设置在螺钉13和圆柱3之间的绝缘衬垫14刚性地连接到螺钉13。绝缘衬垫14为低损耗介质材料，例如石英或者Roxolite

，其作用是防止金属螺钉3穿入波导10的腔10′而引起滤波器的品质因数变坏。

螺钉13拧入被刚性地连接到与孔11相对的圆柱波导10的壁的螺纹衬套15中的中心孔中，为了这个目的，孔11攻有螺纹，衬套15的一端15′也攻有螺纹，其直径比其余的衬套体较小，并且通过螺纹拧入孔11。装配后，介质圆柱3、衬垫14、螺钉13和衬套15都沿着轴x对准，螺母16挡住衬套15中的螺钉13。

参考图1、2和3，在工作中，具有滤波器调谐范围内的中心频带的，将被滤波的微波信号到达构成滤波器的输入口的第一轴向探针，而另一个探针构成滤波器的输出口，可获得已滤波的信号。

在滤波器的谐振频率和输入信号的中心频带之间的调准是通过对滤波器的调谐圆柱起作用来实现的。当调谐圆柱全部插入谐振器的各自的孔中时，图2的滤波器可达到最低的谐振频率7.4GHz。调谐圆柱从各自的孔中逐渐抽出，除了不可能连续的以外，可使滤波器谐振频率等量地逐渐增加至7.7GHz。靠近调谐范围的两端，滤波器的通带是相同的。

已经证明，调谐圆柱3对主磁谐振模式TM01d的调谐和对高次的磁谐振模式的调谐能有效地起作用，而在该例的滤波器中没有使用。在用已知型探针适当地激励模式以后，圆柱对主电谐振模式TE01d的调谐和高次的电谐振模式的调谐同样有效地起作用。

前面列举的介质谐振器1的孔2的径向位置并不受到限制，主要是受滤波器简单结构的要求所限制。事实上，本领域的普通技术人员在已知较小的改进后，甚至当容纳调谐圆柱的介质谐振器的孔具有除了径向的位置时，所述的调谐装置可用于改变包含在图2滤波器中介质谐振器的调谐。对于根据本发明的可调性所遵守唯一条件是：在每个介质谐振器中各自的孔从圆柱侧面开始构成。

尤其是，孔2的轴与经过一个垂直于谐振器的圆柱对称轴的平面所得的谐振器横截面的弦相一致，或者它与通过一个斜交于谐振器圆柱对称轴的平面切割圆柱谐振器所得的切割椭圆截面的普通直线相一致。

改变孔2的位置和方位的正确理由是：例如，如果使用它们的话，在高次谐振模式频率上谐振器1应当是最佳调谐的。

滤波器调谐范围大小的测量可以这样进行，例如，用与图2的滤波器不同的一个测试滤波器，其区别仅在于：介质谐振器没有钻孔和TM01d型是适用于上述第一调谐方法的已有技术调谐的，即在容纳介质谐振器的波导腔中引入黄铜调谐螺钉，从波导的圆柱壁制成的孔中穿入相应于那些介质谐振器的位置。在这种情况下，与装有新调谐装置的图2的滤波器为3.5%相比较，谐振频率的最大百分位变化为0.2%。

用于如图1、2和3表示的微波滤波器的各个元件也可应用于微波振荡器的简单可调谐振器的实现。

事实上，其本质差别仅在于：后者使用单个的圆柱介质谐振器代替滤波器的六个谐振器。它也在图2的滤波器中列举了，并且在振荡器的谐振器中更为如此，波导10的主要作用是机械支承和电磁屏蔽。甚至在没有波导的情况下，振荡器仍能工作。

波导结构G能用任何其它的密封结构来代替，该结构包括一个用合适的材料、甚至介质的壁围成的腔。

Claims

1、用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，它包括所述的圆柱介质谐振器(1)的密封(10)和定位(6、7、8、9)的装置，和在所述的介质谐振器(1)的一个孔(2)中用于滑动一个调谐圆柱体(3)，以调节谐振器的谐振频率的装置(13、14)；并且，所述的孔(2)从所述的介质谐振器(1)的圆柱表面开始构成。

2、根据权利要求1用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，所述的密封和定位装置包括一个由合适的，最好是金属材料的壁（10）围成的腔（10′）和一个或者多个低损耗介质材料的窄条（6、7、8、9），这些窄条具有一个压入所述的介质谐振器（1）的凹槽，窄条受到腔体（10′）的壁（10）的限制以对介质谐振器（1）固定就位，所述的移动调谐圆柱（3）的装置连接到所述的腔（10′）的壁（10），并且调谐圆柱（3）对着介质谐振器（1）中的所述的孔（2）穿入腔（10′）。

3、根据权利要求2用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，移动调谐圆柱（3）的装置包括一个刚性地连接到所述的调谐圆柱（3）一端的螺钉（13），和设置在螺钉（13）和调谐圆柱（3）之间的一个绝缘衬垫（14），所述的螺钉（13）对准调谐圆柱（3）的对称轴（y），被拧入所述的腔（10′）的壁（10）中孔（11），并且所述的绝缘衬垫（14）防止所述的螺钉（13）穿入所述的腔（10′）。

4、根据权利要求1的用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过垂直于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的圆横截面的直径构成的。

5、根据权利要求1的用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过垂直于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得到圆横截面的弦构成的。

6、根据权利要求1的用于圆柱介质谐振器的调谐装置，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过斜交于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的切割椭圆横截面的直线构成的。

7、微波滤波器，它包括设置在以适当的，最好是金属材料的壁围成的腔中的多个圆柱介质谐振器，和用于在谐振器中激励适当谐振模式构成一个用于被滤波的微波信号的滤波器的输入口和一个取得已滤波的信号的输出口的装置，其特征在于，微波滤波器还包括沿着它们的圆柱对称轴对准和适当地互相隔开的固定所述的谐振器（1、4…）的定位装置（6、7、8、9），和用于在各个介质谐振器（1、4…）的孔（2、5…）中的调谐圆柱作直线运动的装置（13、14），以改变单个谐振器的谐振频率，所述的孔（2、5…）从各自的圆柱介质谐振器（1、4…）的圆柱表面开始构成。

8、根据权利要求7的微波滤波器，其特征在于，所述的定位装置包括一个或者多个低损耗介质材料的窄条（6、7、8、9），受所述的空腔（10′）的壁（10）限制，所述的窄条设有压入所述的介质谐振器（1、4…）的凹槽，和移动被连接到所述的腔（10′）的壁（10）并且对着该介质谐振器的所述的孔（2）穿入腔（10′）的所述的调谐圆柱（3）的装置。

9、根据权利要求8的微波滤波器，其特征在于，移动调谐圆柱（3）的所述的装置，包括刚性地连接到调谐圆柱（3）的一端的螺钉（13），和设置在螺钉（13）和调谐圆柱（3）之间的绝缘衬垫（14），和所述的螺钉（13）对准调谐圆柱（3）的所述的对称轴（y），由螺钉穿入所述的腔（10′）的壁（10）的多个孔（11），和所述的绝缘衬垫（14）防止所述的螺钉（13）穿入所述的腔（10′）。

10、根据权利要求7的微波滤波器，其特征在于，对于每个介质谐振器（1），其中转动着各自的调谐圆柱（3）的所述的孔（2）是沿着通过垂直于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的圆横截面的直径构成的。

11、根据权利要求7的微波滤波器，其特征在于，对于每个介质谐振器（1），其中转动着各自的调谐圆柱（3）的所述的孔（2）是沿着通过垂直于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的圆横截面的弦构成的。

12、根据权利要求7的微波滤波器，其特征在于，对于每个所述的介质谐振器（1），其中转动着各自的调谐圆柱（3）的所述的孔（2）是沿着通过斜交于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的椭圆横截面的直线构成的。

13、用于微波振荡器的可调谐的谐振器，包括设置在以适当的，最好是金属材料的壁围成的腔中的圆柱介质谐振器，以及用于在介质谐振器中激励适当的谐振模式和将介质谐振器耦合到振荡器的有源元件的装置，其特征在于，还包括固定受壁限制的圆柱介质谐振器（1）的定位装置（6、7、8、9），和用于在介质谐振器（1）的孔（2）中调谐圆柱（3）作直线运动的装置（13、14），以调节它的谐振频率，所述的孔（2）是从所述的圆柱介质谐振器（1）的圆柱表面开始构成。

14、根据权利要求13的用于微波滤波器可调谐的谐振器，其特征在于，所述的定位装置包括一个或者多个低损耗介质材料的窄条（6、7、8、9），这些窄条具有一个压入所述的介质谐振器（1）的凹槽，该窄条受所述的腔（10′）的壁（10）的限制使介质谐振器（1）定位，和移动被连接到所述的腔（10′）的壁（10）并且对着在介质谐振器（1）中的孔（2）穿入所述的腔（10′）的所述的调谐圆柱（3）的装置。

15、根据权利要求14的用于微波滤波器的可调谐的谐振器，其特征在于，移动调谐圆柱（3）的所述的装置，包括一个刚性地连接到所述的调谐圆柱（3）的一端的螺钉（13），和一个设置在螺钉（13）和调谐圆柱（3）之间的绝缘衬垫（14），所述的螺钉（13）是通过螺纹拧入对准调谐圆柱（3）的对称轴（y）的所述的腔（10′）的壁（10）的孔（2），和所述的绝缘衬垫（14）防止所述的螺钉（13）穿入所述的腔（10′）。

16、根据权利要求13的用于微波滤波器的可调谐的谐振器，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过垂直于介质谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的圆横截面的直径构成的。

17、根据权利要求13的用于微波滤波器的可调谐的谐振器，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过垂直于介质谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的圆横截面的弦构成的。

18、根据权利要求13的用于微波滤波器的可调谐的谐振器，其特征在于，在所述的介质谐振器（1）中的所述的孔（2）是沿着通过斜交于谐振器（1）的圆柱对称轴（x）的平面切割介质谐振器（1）取得的切割椭圆横截面的直线构成的。