CN114171878A - 一种常温蓝宝石谐振腔和优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种常温蓝宝石谐振腔，包括封闭的圆柱形金属腔体、位于其中的蓝宝石、支撑所述蓝宝石的支撑柱。所述蓝宝石呈圆柱体，位于腔体中轴线上，其与腔体底面、盖部之间的距离可调节；所述腔体侧面，设置有一个或多个调谐孔，每个调谐孔均是用于安装伸入腔体内部的耦合环；所述耦合环在腔体内的位置可调节。本申请还提出一种蓝宝石谐振腔优化方法，包含以下步骤：建立仿真系统模型，其中包含以下结构和材料参数设置：腔体、蓝宝石、支撑柱；还包含调谐孔位置、耦合环位置和结构参数设置；在本征模式下，优化蓝宝石的结构参数；在驱动模式下，优化耦合环位置和结构参数。本申请解决常温下蓝宝石谐振腔研制成本高、难度大问题。

Description

一种常温蓝宝石谐振腔和优化方法

技术领域

本申请涉及射频技术领域，尤其涉及一种X波段振荡器中选频器件常温蓝宝石谐振腔及其设计方法。

背景技术

谐振腔通常指一种使高频电磁场在其内持续振荡的空腔，由于其高品质因数、低辐射损耗等优点，是设计反馈振荡器时的优秀频率选择模块。

蓝宝石谐振腔是一种介质谐振腔，以其超低的介质损耗与高频段的谐振频率范围在近年来得到了越来越广泛的关注。当采用蓝宝石谐振腔设计振荡器时，不需经过频率合成即可输出微波信号，相较于传统的合成频率源大大降低了其相位噪声参数。

一般的介质谐振器通常工作在TEM模式，而蓝宝石这类各向异性介质可以工作于回音壁模式，该模式拥有极高的品质因数，但介质细微的位置变化或耦合端口的位置和形状变化都会使该模式的耦合性发生较大的改变，从而影响整个谐振腔的选频性能，甚至于失去激励该工作模式的能力。

由于目前缺少有效的量化手段，无法准确计算处不同蓝宝石位置和不同耦合环对回音壁模式的耦合能力，也无法准确提出不同环境条件下谐振腔品质因数的具体技术指标要求。由于以往蓝宝石谐振腔基本是用于超低温环境下振荡器的设计，需要对腔体内部进行抽气，因此为了保证腔体的气密性能，会牺牲谐振器的可调谐性能。这就导致除了可能的理论计算外，调谐的主要方式是通过反复更换组件，如不同体积的腔体、蓝宝石柱、不同长度的支撑柱，或不同长度与形状的耦合环等进行的，这不仅增加了研制成本，而且延长了研制周期。从而对于在反馈振荡器的应用带来了难度和挑战。

发明内容

本发明提出一种常温蓝宝石谐振腔及其优化方法，采用此种方法设计的蓝宝石谐振腔具有高可靠性和可调节性等特点，可较好应用于微波信号源设备，完善了低相噪介质谐振腔振荡器产品。

本申请实施例提出一种常温蓝宝石谐振腔，包括封闭的圆柱形金属腔体、位于其中的蓝宝石、支撑所述蓝宝石的支撑柱。

所述蓝宝石呈圆柱体，位于腔体中轴线上，其与腔体底面、盖部之间的距离可调节；所述腔体侧面，设置有一个或多个调谐孔，每个调谐孔均是用于安装伸入腔体内部的耦合环；所述耦合环在腔体内的位置可调节。

优选地，腔体底面中央有通孔，用于安装支撑柱；所述支撑柱端部安装圆柱形蓝宝石，通过调整支撑柱伸入腔体的长度调节蓝宝石在腔体中的位置。

优选地，支撑柱尾端与腔体底面中心的螺纹孔配合，所述螺纹孔用于调节支撑柱伸入腔体的长度。

优选地，谐振腔包含腔体和盖部两个部分；盖部为圆盘形，沿边缘设置有与腔体壁装配的结构。

优选地，腔体外壁在底面与侧面设置与SMA同轴连接器的法兰盘，法兰盘中央的通孔，用于安装耦合装置；所述通孔为用于机械调谐的螺纹孔。

优选地，所述支撑件的材料为特氟龙。

本申请实施例还提出一种蓝宝石谐振腔优化方法，用于实现本申请任意一项实施例所述常温蓝宝石谐振腔，包含以下步骤：

建立仿真系统模型，其中包含以下结构和材料参数设置：腔体、蓝宝石、支撑柱；还包含调谐孔位置、耦合环位置和结构参数设置；

在本征模式下，优化蓝宝石的结构参数；

在驱动模式下，优化耦合环位置和结构参数。

进一步地，为实施所述蓝宝石谐振腔优化方法，所述方法进一步包含以下步骤：

按照优化的结构参数，通过蓝宝石加工技术加工制作带通孔的蓝宝石介质；

谐振腔外壳，在底面与侧面设置机械调谐螺纹孔与SMA同轴连接器的法兰盘；

通过特氟龙材质的支撑柱将蓝宝石装配到铜腔谐振腔内部，通过调整支撑柱长度调节蓝宝石在腔体中的位置。

在本申请任意一个方法的实施例中，优化的目标为在谐振频率的品质因数大于设定的第一阈值；优化的谐振频率与设计的谐振频率之间的差别小于设定的第二阈值。

在本申请的实施例中，对制成的谐振腔，使用矢量网络分析仪进行谐振频率和品质因数的测量，旋转支撑柱，直至在设定的谐振频率上品质因数达到最高。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提出了一种蓝宝石谐振腔的设计方法，用该方法制作的蓝宝石谐振腔在保证高品质因数的同时还具有高可靠性和易于调节的优点。本发明已经经过实际验证，采用本发明中的办法实现了某X波段低噪声频率源中的谐振单元设计。

本发明的创新点在于提高了常温下蓝宝石谐振腔的可调节性，通过在腔体底面加入螺纹孔，设计可旋转式的支撑柱的方式简化了蓝宝石谐振腔的调谐方式，提高了激励回音壁模式的可靠性与便捷性。同时在仿真步骤中对仿真设置的修改也使得仿真兼顾了速度与准确性，使得在蓝宝石谐振腔整个设计过程中，对各项尺寸参数的选择更具有优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的常温蓝宝石谐振腔结构的实施例；

(a)为整体透视图；

(b)为部件分解图；

图2为蓝宝石谐振腔盖部组件图；

图3为蓝宝石谐振腔腔体组件图；

图4为蓝宝石谐振腔支撑柱及蓝宝石组件图；

图5为本申请蓝宝石谐振腔结构优化方法的流程实施例；

图6为回音壁模式的蓝宝石谐振腔横截面的电磁场分布仿真结果。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请的常温蓝宝石谐振腔结构的实施例。

作为本申请常温蓝宝石谐振腔的一个实施例，包含盖部1、固定件2、蓝宝石3、支撑柱4、腔体5。所述腔体呈圆柱形，上部与盖部结合；所述支撑柱端部安装圆柱形蓝宝石，支撑柱尾端与腔体底面中心的螺纹孔配合，所述螺纹孔用于调节支撑柱伸入腔体的长度。蓝宝石体位于腔体中轴线上，其与腔体底面、盖部之间的距离可调节。所述腔体侧面，设置有一个或多个调谐孔6，用于安装伸入腔体内部的耦合环。耦合环位于蓝宝石体和腔体内壁之间，且位置可调节。

优选地，所述腔体、盖部为铜制；

优选地，所述支撑柱的材质为特氟龙；通过调整支撑柱伸入腔体的长度调节蓝宝石在腔体中的位置。

谐振腔的加工包含腔体和盖部两个部分，如图2～3所示。

图2为蓝宝石谐振腔盖部组件图。

优选地，盖部为圆盘形，沿边缘设置有与腔体壁装配的结构，例如螺钉孔；优选地，所述盖部和所述腔体通过φ3螺钉连接。为实现腔体具有完善的屏蔽效果，可设置盖部朝向腔体的表面具有台阶形的边缘，在腔体和盖部配合时，所述台阶的凸起部与腔体的内表面衔接。

图3为蓝宝石谐振腔的腔体组件图。

如图3所示，腔体为圆柱形中空腔体，底面中央有通孔，用于安装支撑柱。优选地，所述腔体外壁设置有法兰盘，法兰盘中央的通孔，用于安装耦合装置。

由于需要在保证电屏蔽性能的情况下减小组件的总重量，腔体厚度的参数一般设定为5mm，并于表面镀金。同时，在腔体的底部应当留有φ3直径的螺纹孔，两侧分别开出直径3.2mm的通孔，并根据选用的同轴连接器留有合适的法兰盘。

图4为蓝宝石谐振腔支撑柱及蓝宝石各组件图。

具体地，所述蓝宝石为圆柱体，中央有通孔，用于穿过支撑柱。在支撑柱的中部设置有限位挡片41；支撑柱的尾端设置有槽口和外螺纹42。圆柱体的蓝宝石被固定在限位挡片和支撑柱端部的固定件之间；所述固定件和所述支撑柱端部可拆卸地连接。

图5为本申请蓝宝石谐振腔结构优化方法的流程实施例。

一种常温蓝宝石谐振腔的设计和优化的方法如下：

步骤51、依据有关回音壁模式理论，设计谐振腔。

按照本申请图1所示结构的实施例，建立仿真系统模型，其中包含腔体(含盖部)结构和材料参数设置、蓝宝石结构和材料参数设置、支撑柱结构和材料参数设置、调谐孔位置、耦合环位置和结构参数设置。当所述腔体盖部材料为铜制、支撑柱材料为特氟龙时，仿真前设置蓝宝石、铜、特氟龙等材料的电特性。腔体的结构参数主要包括腔体内径R与内高H；蓝宝石结构参数主要包括蓝宝石底面半径r和高度h；支撑柱结构参数主要包括半径x和伸入腔体的长度D、耦合环位置和结构参数，主要包含耦合环直径D和伸入腔体的长度L。

需要说明的是，由于蓝宝石介电常数这一特性对谐振腔谐振频率与品质因数影响较大，且会受到温度与杂质含量的影响，为了设计结果的准确性与可行性，需要首先取得所述蓝宝石材料的介电常数测试数据。

步骤52、在微波仿真软件中分别建立蓝宝石谐振腔无载与有载仿真模型，完成谐振腔谐振频率与品质因数性能仿真，优化蓝宝石结构参数和耦合环机构参数。

在本步骤中，需要进行本征模模式与驱动模式两个仿真步骤。

步骤52A、在本征模式下，优化蓝宝石的结构参数；

本征模模式下，对蓝宝石进行建模，根据蓝宝石底面半径r，高度为h；设置腔体内径R与内高H。建模完毕后进行仿真设置：在本申请的一个具体实施例中，将初始网格选项中的网格尺寸和波长之间的比例(细化比)设置为0.3，该数值可以兼顾仿真的速度与准确性，同时把仿真起始频率设为5GHz，最小模式数设为20个，其余设置不变。若仿真结果中最大模式频率仍未达到所需频率，则需要把仿真起始频率设为该频率再进行一次运算。随后从所有仿真结果中选择品质因数大于设定的第一阈值(例如2×10⁵)的频点，通过显示这些频点的场分布图判断是否是所需的回音壁模式，并从中选择谐振频率最接近所需频率的频点。之后可以通过对蓝宝石模型半径r设置步进参数实现谐振频率的微调，使优化的谐振频率与设计的谐振频率之间的差别小于设定的第二阈值，进一步地，还可通过改变蓝宝石高度、位置参数，使优化的谐振频率与设计的谐振频率之间的差别小于设定的第二阈值。

步骤52B、在驱动模式下，优化耦合环位置和结构参数；

完成本征模模式的仿真后使用调整后的尺寸参数进行驱动模式下的仿真，仿真模型加入耦合环，对伸入腔体的耦合环的长度L和直径D设置步进参数。随后进行仿真设置，将最大迭代次数设为20次，收敛性判定条件设置为0.01，同时为了避免仿真结果出现收敛性先减小后增大的“伪收敛”情况，需要将最小迭代次数设为12次，仿真完成后将不同频率的传输系数S21绘制曲线图，并由曲线图计算出对应的有载品质因数，从不同耦合环长度与直径对应的折线图中选取品质因数最高的曲线对应的参数。

步骤53、按照优化的结构，通过蓝宝石加工技术加工制作带通孔的蓝宝石介质；

需要说明的是，在蓝宝石介质的制作过程中，对蓝宝石的尺寸误差、垂直误差、表面粗糙度都有较高的要求，应当规定尺寸误差≤±0.1mm，垂直误差小于0.2°，表面粗糙度达到Ra0.03。

步骤54、加工谐振腔外壳，在底面与侧面设置机械调谐螺纹孔与SMA同轴连接器的法兰盘。

步骤55、通过特氟龙材质的支撑柱将蓝宝石装配到铜腔谐振腔内部，选取合适的尾端带耦合环的SMA接头作为耦合端口。通过调整支撑柱长度调节蓝宝石在腔体中的位置，完成整体蓝宝石谐振腔的制备。

在本步骤中，使用支撑柱将蓝宝石固定在铜腔内部，再安装两侧的耦合端口。谐振腔的有载品质因数受耦合环直径和伸入长度影响较大，需要在仿真建模的尺寸基础上加工复数个耦合环，确保能够激励需要的模式。支撑柱固定蓝宝石的部分带有螺纹，同时铜腔底部的小孔上也攻有与支撑柱尾端外表面对应的螺纹，可以通过旋转支撑柱进行上下移动，改变蓝宝石在腔体内的高度。

图6为回音壁模式的蓝宝石谐振腔横截面的电磁场分布仿真结果。

由于本方法需要激励回音壁模式，该模式对蓝宝石在腔体位置的要求很高，因此在安装完毕后，还需要使用矢量网络分析仪进行谐振频率和品质因数的测量，同时不断旋转支撑柱，直至在设定的谐振频率上品质因数达到最高。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，包括封闭的圆柱形金属腔体、位于其中的蓝宝石、支撑所述蓝宝石的支撑柱；

所述蓝宝石呈圆柱体，位于腔体中轴线上，其与腔体底面、盖部之间的距离可调节；

所述腔体侧面，设置有一个或多个调谐孔，每个调谐孔均是用于安装伸入腔体内部的耦合环；所述耦合环在腔体内的位置可调节。

2.如权利要求1所述常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，

腔体底面中央有通孔，用于安装支撑柱；所述支撑柱端部安装圆柱形蓝宝石，通过调整支撑柱伸入腔体的长度调节蓝宝石在腔体中的位置。

3.如权利要求2所述常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，支撑柱尾端与腔体底面中心的螺纹孔配合，所述螺纹孔用于调节支撑柱伸入腔体的长度。

4.如权利要求1所述常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，谐振腔包含腔体和盖部两个部分；盖部为圆盘形，沿边缘设置有与腔体壁装配的结构。

5.如权利要求1所述常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，腔体外壁在底面与侧面设置与SMA同轴连接器的法兰盘，法兰盘中央的通孔，用于安装耦合装置；所述通孔为用于机械调谐的螺纹孔。

6.如权利要求1所述常温蓝宝石谐振腔，其特征在于，所述支撑件的材料为特氟龙。

7.一种蓝宝石谐振腔优化方法，用于实现权利要求1～6任意一项所述蓝宝石谐振腔，其特征在于，包含以下步骤：

建立仿真系统模型，其中包含以下结构和材料参数设置：腔体、蓝宝石、支撑柱；还包含调谐孔位置、耦合环位置和结构参数设置；

在本征模式下，优化蓝宝石的结构参数；

在驱动模式下，优化耦合环位置和结构参数。

8.如权利要求7所述的优化方法，进一步包括以下步骤：

按照优化的结构参数，制作带通孔的蓝宝石介质；

谐振腔外壳，在底面与侧面设置机械调谐螺纹孔与SMA同轴连接器的法兰盘；

通过特氟龙材质的支撑柱将蓝宝石装配到铜腔谐振腔内部，通过调整支撑柱长度调节蓝宝石在腔体中的位置。

9.如权利要求7或8所述优化方法，其特征在于，优化的目标为在谐振频率的品质因数大于设定的第一阈值；优化的谐振频率与设计的谐振频率之间的差别小于设定的第二阈值。

10.如权利要求9所述的优化方法，其特征在于，使用矢量网络分析仪进行谐振频率和品质因数的测量，旋转支撑柱，直至在设定的谐振频率上品质因数达到最高。

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