CN116526099B - 一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器 - Google Patents
一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，属于滤波器领域，包括励磁线圈、PTC加热器、工作气隙、磁路、介质腔和谐振小球，所述励磁线圈与磁路之间的一部分灌封有胶粘剂，另一部分不灌封胶粘剂形成空隙，并进一步优选减小PTC加热器的尺寸、提高内阻，本发明明显改善了高低温下磁调谐滤波器的频率漂移，实现了S‑K波段磁调谐滤波器在‑20～65℃范围频率漂移约25MHz，解决了磁调谐滤波器实现高温度稳定性的技术问题，从而提高了磁调谐滤波器在全温下的高温度稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器。
背景技术
现代电子整机系统对磁调谐器件温度稳定性要求越来越高。当外界环境温度变化时，会引起磁调谐器件的谐振频率f漂移，即温度稳定性发生变化。当电子整机设备的被处理信号工作信息带宽与磁调谐滤波器的选通或抑制带宽值接近时，就需要磁调谐滤波器在全工作环境温度下具有高的温度稳定性，才能保证对被处理信号具有良好选通或阻塞效果，保证电子整机设备正常工作。如果磁调谐滤波器的温度特性差，则其对电子整机设备被处理信号的选通或阻塞效果就会变差，从而影响电子整机设备的正常工作，甚至就不能正常工作。
现有的典型磁调谐滤波器结构如图1所示，主要包括：励磁线圈2、PTC加热器3、工作气隙4、磁路5（包括上磁路和下磁路两部分）、介质腔8和谐振小球9，其中，励磁线圈2通常由漆包线绕制而成，PTC加热器3通常采用陶瓷材料，磁调谐滤波器的磁路5由软磁合金材料加工而成，通过其内部装配的励磁线圈2电流调节实现磁化场高低变化，从而实现磁调谐功能，起到对被处理信号的选通或阻塞作用。
为了经受住较为复杂的环境条件，如图1所示，目前磁调谐滤波器的励磁线圈2是通过胶粘剂1被牢固地粘接在磁路5的内壳壁与磁极柱间。为了防止短路现象发生，在励磁线圈2和磁路5的内壳壁与磁极柱间，都留有空隙，空隙内都充分灌入胶粘剂1并高温烘烤，相当于整个励磁线圈2都是由烘烤干的胶粘剂1包围着置于磁路5内部。所用胶粘剂1主要包括缩醛胶液、环氧树脂、硅橡胶等，这样，励磁线圈2就能牢固地粘接在磁路5的内壳壁与磁极柱间，经受住较为复杂的环境条件并长期正常使用。
另外，为保持磁调谐器件中谐振小球9的各向异性场和饱和磁化强度Ms的稳定，利用PTC加热器3的自控发热这一特性对谐振小球9进行正温( 或负温)热补偿，从而让谐振小球9保持在一个基本恒定的温度范围，保证谐振小球9的Ms和各向异性场随温度变化最小，同时通过控制PTC加热器3的温度使之工作在最高环境温度以上，还能够抵抗外界环境温度变化造成的频率改变，从而起到恒温作用。目前所用常规PTC加热器3的规格如图2所示，尺寸为：6mm（长）×4mm（宽）×1mm（高），内阻约90Ω左右，居里温度Tc=105℃；当施加28V电压时，其稳态功率约0.8瓦。
经实验验证：采用上述的这种励磁线圈2与磁路5内壳接触面均被胶粘剂1包围结构（简称为“满灌”）的磁调谐滤波器，当上述常规PTC加热器3不工作时，在-20～65℃状态下器件（S-K波段）频率漂移较大，经过本申请发明人测试，频率漂移约50MHz。
进一步实验验证：在上述简称为“满灌”的磁调谐滤波器中，采用上述常规PTC加热器3工作，在-20～65℃状态下器件（S-K波段）频率漂移较大，经过发明人测试，其频率漂移约70MHz，就是说其中常规PTC加热器3工作引起的温度漂移约为：70MHz（器件总频漂）-50MHz（“满灌”的磁调谐滤波器频漂）=20MHz（常规PTC加热器3工作引起的频率漂移）。
也就是说，目前这种常规的励磁线圈粘接方式与常规PTC加热器恒温方式，所制得的磁调谐滤波器频率变化较大，S-K波段磁调谐滤波器其频率在-20～65℃范围内漂移约70MHz（即器件温漂在原50MHz基础上增加了约20MHz），产品的温度稳定性很差。其数据如表1所示，器件温漂见图5、图6所示：
表1 基于常规线圈粘接、加热设计的器件温漂
发明内容
本发明的目的就在于提供一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，包括励磁线圈、PTC加热器、工作气隙、磁路、介质腔和谐振小球，所述工作气隙位于上、下磁路之间，所述谐振小球位于工作气隙内，所述励磁线圈与磁路之间的一部分灌封有胶粘剂，另一部分不灌封胶粘剂形成空隙。
作为优选的技术方案：所述空隙位于励磁线圈与磁路的磁极柱之间，所述空隙的宽度为1mm～2mm。
作为进一步优选的技术方案：在所述励磁线圈与磁路内壳底部之间的空隙的一部分设置有导热软硅胶垫片，所述导热软硅胶垫片与磁路的磁极柱同心，其直径为磁路内壳底部直径的0.45～0.55（即约1/2），磁路内壳底部另外的0.45～0.55空隙填充胶粘剂，在励磁线圈和磁路内壳壁的其余空隙处也灌封有胶粘剂。
作为优选的技术方案：所述磁路采用铁镍合金材料。
作为进一步优选的技术方案：所述导热软硅胶垫片为质软、H=0.5～1mm的富有弹性的导热硅胶垫片。
作为优选的技术方案：所用胶粘剂选自缩醛胶液、环氧树脂、硅橡胶中的至少一种。
本申请的发明人通过理论分析与模型应力仿真，发现胶粘剂因细微膨胀与收缩而产生的应力对磁路的磁极柱影响非常明显，因此本申请对其进行适当改进并提出了励磁线圈低应力粘接技术：①将励磁线圈与磁极柱之间留出约1～2mm的足够空隙（防止励磁线圈在胶液膨胀、振动情况下挤压到磁极柱从而产生应力、短路情况），这个约1～2mm的空隙内不填充胶粘剂；②在励磁线圈和磁路内底部接触面间垫上厚度约0.5～1mm、直径为磁路内壳底部直径约1/2的导热软硅胶垫片（起缓冲、绝缘作用，减小励磁线圈在胶液膨胀、振动情况下对磁路内壳底部造成的应力及短路情况的发生）；③在励磁线圈和磁路内壳壁的其余空隙处灌入胶粘剂并高温150℃烘烤。
上述设计的励磁线圈低应力粘接技术，带来的效果是：①因为整个磁极柱和线圈之间留出了约1～2mm的足够空隙，不填充胶粘剂，因此磁极柱不受线圈胶液膨胀、收缩、振动情况下的挤压、拉扯，其μm和B不受到应力影响，从而滤波器不产生频率漂移；也杜绝了线圈和磁极柱因挤压而导致的短路情况发生；②因为励磁线圈由质软、富有弹性的0.5～1mm的导热硅胶垫片支撑，因此励磁线圈的膨胀与收缩对磁路底部几乎不产生应力，同时对励磁线圈在振动条件下给磁路底部造成的应力有缓冲作用；也杜绝了励磁线圈和磁极柱因挤压而导致的短路情况发生；③磁路内部底面的一部分和侧面仍采用胶粘剂粘接，线圈也牢固地固定在磁路内部，能经受住较为复杂的环境条件并长期正常使用。与简称为“满灌”的磁调谐滤波器相比，这种低应力粘接的器件简称为“半灌”的磁调谐滤波器。
另外，作为优选的技术方案：所述PTC加热器的尺寸为（2～4）mm×（1～3）mm×1mm。
作为进一步优选的技术方案：PTC加热器的内阻=200Ω～400Ω，Tc=105℃。
如前所述的，目前常规磁调谐滤波器的一片PTC加热器功率约0.8瓦，当磁调谐滤波器需要3-4片甚至更多的PTC加热器时，这些PTC加热器的功率就是数瓦甚至数十瓦了，这么大的功率会给滤波器带来更大的热量，影响了滤波器的温度稳定性。从这个思路出发，减小PTC加热器的功率就会有利于滤波器的温度稳定性。因此本申请进一步优化设计了PTC加热器功率优化恒温技术：①PTC加热器体积：设计为（2～4）mm×（1～3）mm×1mm；②PTC加热器内阻：R设计为约200～400Ω，居里温度Tc=105℃。这时磁调谐滤波器的一片PTC加热器的稳态功率约0.3～0.4瓦，当磁调谐滤波器需要3-4片PTC加热器时，其PTC加热器的稳态功率总共约1-1.5瓦。
上述优化设计的PTC加热器功率优化恒温技术带来的效果是：因为新PTC功率为常规PTC功率（约3-4瓦）的约1/2，明显减少了谐振小球、耦合腔、工作气隙内的热量，从而减小了介质腔微小形变给上、下磁极头造成的应力。
经实验验证：在上述采用低应力粘接技术的磁调谐滤波器中（简称为“半灌”的磁调谐滤波器），当上述优化的PTC加热器3不工作时，在-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约15MHz，为原来常规“满灌”磁调谐滤波器频漂（50MHz）的1/3，可见效果非常明显。
进一步实验验证：在上述简称为“半灌”的磁调谐滤波器中，PTC加热器采用该功率优化技术后工作，在-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约25MHz，这时加热系统优化后引起的器件频漂为：25MHz（器件总频漂）-15MHz（“半灌”的磁调谐滤波器频漂）=10MHz（PTC加热器3功率优化后工作引起的频率漂移），为原来常规PTC加热器3工作引起的频率漂移（20MHz）的1/2，效果明显。同时PTC加热器功率优化后，也能保证滤波器件中谐振小球各向异性场和饱和磁化强度Ms的稳定，起到恒温的作用。其相关数据如表2所示：
表2 基于低应力粘接、加热优化设计的器件温漂
这里，对影响磁调谐器件温度稳定性到底是改进胶粘剂的填充方式还是PTC加热器功率优化技术更重要进行了进一步实验验证：①在上述采用低应力粘接技术的磁调谐滤波器中（简称为“半灌”的磁调谐滤波器），当采用的上述常规PTC加热器3不工作时，-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约15MHz；当采用的上述常规PTC加热器3工作时，在-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约35MHz。也就是说，在“半灌”磁调谐滤波器的中35MHz频率漂移中，常规PTC加热器3工作引起的频率漂移约20MHz。②在上述采用“满灌”的磁调谐滤波器中，当采用功率优化后的PTC加热器3不工作时，-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约50MHz；当采用功率优化后的PTC加热器3工作时，在-20～65℃范围内S-K波段磁调谐滤波器频率漂移约60MHz。也就是说，在“满灌”磁调谐滤波器的中60MHz频率漂移中，功率优化后的PTC加热器3工作引起的频率漂移约10MHz。
可见改进励磁线圈低应力粘接方式对磁调谐器件的频率漂移影响是更重要的。其相关数据如表3所示，器件温漂见图7、图8、图9、图10所示：
表3 基于低应力粘接、加热优化设计前后的器件温漂对比
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明明显改善了高低温下磁调谐滤波器的频率漂移，S-K波段磁调谐滤波器在-20～65℃范围频率漂移约25MHz（目前美国同类S-K波段磁调谐滤波器漂移在0～65℃范围内漂移约30MHz），解决了磁调谐滤波器实现高温度稳定性的技术问题，从而提高了磁调谐滤波器在全温下的高温度稳定性能。
附图说明
图1为本发明现有技术的磁调谐滤波器的励磁线圈粘接示意图；
图2为本发明现有技术的磁调谐滤波器的PTC加热器恒温示意图；
图3为本发明实施例1的励磁线圈低应力粘接示意图；
图4为本发明实施例2的PTC加热器功率优化恒温示意图；
图5为本发明现有技术基于常规线圈粘接、常规加热不工作的器件温漂50MHz图；
图6为本发明现有技术基于常规线圈粘接、常规加热工作的器件温漂70MHz图；
图7为本发明基于常规粘接设计、优化加热工作的器件温漂约60MHz图；
图8为本发明基于低应力粘接设计、常规加热工作的器件温漂约35MHz图；
图9为本发明基于低应力粘接设计、常规加热不工作的器件温漂约15MHz图；
图10为本发明基于低应力粘接设计、优化加热工作的器件温漂约25MHz图。
图中：1、胶粘剂；2、励磁线圈；3、PTC加热器；4、工作气隙；5、磁路；51、磁极柱；52、内壳底部；6、空隙；7、导热软硅胶垫片；8、介质腔；9、谐振小球。
实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
参见图3，一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，包括励磁线圈2、PTC加热器3、工作气隙4、磁路5（包括上磁路和下磁路）、介质腔8和谐振小球9，所述工作气隙4位于上磁路和下磁路之间，所述谐振小球9位于工作气隙4内，所述励磁线圈2与磁路5之间的一部分灌封有胶粘剂1，另一部分不灌封胶粘剂形成空隙6；
具体而言，本实施例中，所述空隙6位于励磁线圈2与磁路5的磁极柱51之间，所述空隙6的宽度为2mm，在所述励磁线圈2与磁路5的内壳底部52之间的空隙的一部分设置有导热软硅胶垫片7，所述导热软硅胶垫片与磁路的磁极柱同心，其厚度为0.5～1mm，其直径为磁路内壳底部52直径的1/2，磁路内壳底部52另外的1/2空隙内填充胶粘剂1，在励磁线圈2和磁路内壳壁的其余空隙处也灌封有胶粘剂1；本实施例的磁路5采用铁镍合金材料，导热软硅胶垫片7为质软、富有弹性的导热硅胶垫片（该硅胶垫片与PC电脑上目前普遍使用的导热硅胶垫片同类），本实施例所用胶粘剂为缩醛胶液，并经高温150℃烘烤。
采用上述结构灌封的磁调谐滤波器（其PTC加热器3仍采用如背景技术及图2所述的：6mm（长）×4mm（宽）×1mm（高），内阻约90Ω左右，居里温度Tc=105℃），在高低温状态（-20～65℃）下器件（S-K波段）的频率漂移约35MHz，如图8所示。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上，进一步对PTC加热器3进行改进。
具体改进方法为，参见图4，PTC加热器3的尺寸为：3mm(长)×2mm(宽)×1mm(高)，内阻=200Ω，Tc=105℃，所得的磁调谐滤波器在高低温状态（-20～65℃）下器件（S-K波段）的频率漂移约25MHz，如图10所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，包括励磁线圈（2）、PTC加热器（3）、工作气隙（4）、磁路（5）、介质腔（8）和谐振小球（9），所述工作气隙（4）位于上、下磁路之间，所述谐振小球（9）位于工作气隙（4）内，其特征在于：所述励磁线圈（2）与磁路（5）之间的一部分灌封有胶粘剂（1），另一部分不灌封胶粘剂（1）形成空隙（6）；
所述空隙（6）位于励磁线圈（2）与磁路（5）的磁极柱之间，所述空隙（6）的宽度为1 mm～2mm；
在所述励磁线圈（2）与磁路（5）内壳底部之间的空隙的一部分设置有导热软硅胶垫片（7），所述导热软硅胶垫片（7）与磁路（5）的磁极柱同心，其直径为磁路（5）内壳底部直径的0.45～0.55，磁路（5）内壳底部另外的0.45～0.55空隙填充胶粘剂（1），在励磁线圈（2）和磁路（5）内壳壁的其余空隙处也灌封有胶粘剂（1）。
2.根据权利要求1所述的一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，其特征在于：所述磁路（5）采用铁镍合金材料。
3. 根据权利要求1所述的一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，其特征在于：所述导热软硅胶垫片（7）为质软、H=0.5 mm～1mm的富有弹性的导热硅胶垫片。
4.根据权利要求1所述的一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，其特征在于：所用胶粘剂（1）选自缩醛胶液、环氧树脂、硅橡胶中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，其特征在于：所述PTC加热器（3）的尺寸为（2～4）mm×（1～3）mm×1mm。
6.根据权利要求5所述的一种具有高温度稳定性的磁调谐滤波器，其特征在于：PTC加热器（3）的内阻=200Ω～400Ω，Tc=105℃。
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