CN1315063A

CN1315063A - 同轴空腔谐振器

Info

Publication number: CN1315063A
Application number: CN99810140A
Authority: CN
Inventors: 托莫·拉蒂; 安蒂·卡纳沃
Original assignee: Allgon AB
Current assignee: Allgon AB
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-09-26
Also published as: WO2000013256A2; EP1110271A2; AU5892099A; WO2000013256A3; SE9802871D0; CA2338559A1; KR20010072839A

Abstract

本发明涉及改进了的同轴空腔谐振器和使用这样的谐振器的滤波器。该空腔谐振器设置有空腔壁(203、204、205),在其内侧至少包括一导电体(201、301、401),该导电体(201、301、401)在一端形成开路,在纵向上比正常的4分之1谐振器短得多。导电体(201、301、401)包括主导电杆(206、405),其一端部(209、407)连接到空腔壁,在主杆(206、405)的自由端部(208、406)垂直连接至少一个附加导电凸起(207、302、402、403),例如杆。附加杆的横断面直径为主杆(206、405)的横断面直径的0.5－2倍,最好大约与该主杆的横断面直径相同。通过连接附加杆(207、302、402、403),该导电体的总物理长度并不大幅度缩短,而是改变到另一方向。

Description

同轴空腔谐振器

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的、特别适合于作为无线电装置中的滤波器的构成部件的同轴空腔谐振器。本发明还涉及权利要求13的前序部分所述的包括至少2个谐振器的滤波器。

发明背景

谐振器在振荡器和滤波器的制造中用作主要构成部件。谐振器的重要特征包括例如Q-值、尺寸、可调谐性、机械稳定性、温度和湿度稳定性、及制造成本。

已知的谐振器结构如下：

1)由例如电容器和电感器等分散的元件构成的谐振器

这种谐振器的缺点是元件的内部耗散(dissipation)，这将相对其它类型明显地降低Q-值。

2)微波传输带谐振器

微波传输带谐振器形成在例如电路板表面的导体区域。其缺点是由开放结构导致的辐射耗散，因此，具有相对较低的Q值。

3)传输线谐振器

在传输线谐振器中，由一定长度的适当类型的传输线构成振荡器。当使用双电缆或同轴电缆时，缺点是较高的耗散和较差的稳定性。当使用波导管时，虽可改善稳定性，但当管的端部开放时会产生耗散，所以耗散仍然较高。其结构也可能很大而不实用。封闭而且相对较短的波导谐振器可以认为是空腔谐振器，下面将要对其进行讨论。

4)同轴空腔谐振器

这种谐振器的结构不是仅为一段同轴电缆，而是最初就作为谐振器装置。它除了其它一些内容外，包括相互进行空气绝缘的内部导体和外部导体以及与该外部导体相连的导电盖。由这一结构可获得较好的结果。该谐振器的长度至少是其中有效可变场波长的4分之1,λ/4，这在希望尽量减小其尺寸时成为缺点。其宽度虽可以通过减小外部导体的侧部和内部导体的直径而加以减小，但这会导致电阻耗散的增加。此外，由于减小了结构的厚度，所以，需要由电介质材料制成的小片支承该内部导体，这将导致大量介质损耗形式的附加耗散，增加制造成本。

在Kasuga等人的专利US4,216,448中，如图1a和1b所示，记载了一种同轴空腔谐振器，其中，至少1杆在开放端具有凸起以从该杆将信号电容性地耦合到另一杆。该凸起比该杆的直径薄，在图中，小于该杆直径的10％。在其内容中未提到该凸起的尺寸，但由于该凸起的目的是电容性地耦合杆之间的信号并且不改变滤波器的整体性能，所以，该凸起的尺寸必须小。该谐振器杆可减小长度，这是因为每个谐振器杆的电长度可以通过连上该凸起而加以改变。较长的凸起可使与空腔侧壁和另一谐振器杆的电容耦合更强，从而可减小该谐振器杆的长度。公开的该谐振器的缺点在于，如果希望在预定频率的条件下减少空腔体积，则该谐振器的Q值会因增加该凸起的长度而大幅度减小。

5)螺旋形谐振器

这一类型是同轴空腔谐振器的改进型，其中，由螺旋导体替换圆柱形内部导体。这样，可减小谐振器的尺寸，但缺点是耗散明显增加。耗散由内部导体的一般较小的线径所造成。

6)帽形谐振器

在Makimoto等人的美国专利4,292,610号中记载了同轴空腔谐振器的子类，这里称为帽形谐振器。这种谐振器为同轴空腔谐振器，如上所述，在波导管的开放端部具有附加的圆盘，直径比波导管大。其一个优点在于谐振器可紧凑化，由此可获得较低的耗散。圆盘的表面和到该谐振器的壁部的距离所采用的尺寸，由于可在该圆盘与空腔之间产生附加的电容量，所以该谐振器可比没有附加圆盘的谐振器小。

7)介质谐振器

在介质体的表面形成同轴电缆或封闭的导电表面。其优点在于结构可以制成小尺寸。另外，还可获得较低的耗散。另一方面，介质谐振器具有制造成本较高的缺点。

8)空腔谐振器

这种谐振器包括导电材料制成的空心结构，在该空心结构的内部空腔可激发出电磁振荡。该谐振器可为箱形、圆柱形或椭圆形。由空腔谐振器可获得非常低的耗散。然而，当目的在于减少结构的尺寸时，其尺寸成为缺点。另外，大多数空腔谐振器的可调谐性较差。

发明概要

现有技术的同轴空腔谐振器的问题在于，尽管设置了凸起，但当改变具有预定谐振器频率的包含导电体的空腔容积时，谐振器的Q值必然会大量损失。

本发明的目的在于提供一种改进的同轴空腔谐振器，当大幅度减小预定频率的空腔容积时，具有相同或增加了的Q值。按照本发明的空腔谐振器具有独立的权利要求中记载的特征。一些本发明的最佳实施例记载于该独立的权利要求中。

本发明的基本思路在于：该空腔谐振器设有空腔壁，该空腔壁在其内侧至少包括一导电体，该导电体在一端形成开路并且在纵向比通常的4分之1波谐振器短得多。导电体包括一主导电杆和至少一个附加导电凸出装置，例如杆，该主导电杆的一端与空腔壁相连，该附加导电凸出装置大体垂直地连接到该主杆的自由端。附加杆的横断面直径在所述主杆的横断面直径的0.5-2倍之间，最好大体上与该主杆的横断面直径相等。通过连接该附加杆，导电体的总物理长度没有大幅度缩短，而是指向了另一方向。

纵向缩短，是由谐振器空腔壁与附加杆之间的导电体的开放端部的机械结构产生空气绝缘附加电容量来实现的。

本发明的优点在于，由于增加电容量和改变导电体的长度，谐振器可比具有同样Q值的现有4分之1波的谐振器小得多。这样获得的改进可以部分用于节省空间，部分用于保持比具有单一顶部电容的谐振器例如调谐螺钉的Q值更高的Q值。

现有发明还使电磁场在导电体的开放端部均匀分布。

按照本发明的较小的谐振器具有在特定频率下使空腔容积比现有技术方案小得多的优点。

本发明的另一优点在于，当谐振器缩短时，机械上变得牢固，从而其电性能更稳定。也不需要增加耗散的支撑片。

本发明的另一优点在于，谐振器的制造成本相对较小。

下面，将根据附图详细说明本发明。

附图说明

图1a示出现有发明的同轴空腔谐振器的侧视图。

图1b示出图1a中现有技术的谐振器的顶视图。

图2a示出包括一附加杆的现有发明的实施例的透视图。

图2b示出图2a的实施例的顶视图

图2c示出图2b的实施例的空腔。

图3示出包括附加杆的不对称连接的本发明的另一实施例。

图4a示出包括2个附加杆的本发明的1实施例的透视图。

图4b示出图4a的实施例的顶视图。

图5a示出本发明的包括3个谐振器的过滤器的侧视图。

图5b示出图5a中的过滤器的顶视图。

图6示出包括本发明的3个谐振器的另一过滤器的顶视图。

最佳实施例

图1示出现有技术的同轴空腔谐振器滤波器100，该谐振器滤波器100具有2个分别设置了1导电体102a、102b的空腔101a、101b,。每个具有导电壁的空腔101a、101b依次包括侧壁103、顶壁104、及底壁105。每个导电体102a、102b分别包括导电杆106。该杆106的一端部107分别与每个空腔101a、101b的底壁105短路连接。每个杆106的另一端部108分别与每个空腔101a、101b的顶壁104呈开路关系。

接近开放端部108地在每个杆106分别垂直连接凸起109a、109b，主要目的在于通过空腔101a、101b之间的所述壁的开口110，从第1导电体102a到第2导电体102b的信号进行电容耦合。第1凸起109a从第1导电体102a的杆106指向所述开口110，第2凸起109b从第2导电体102b的杆106指向所述开口110，从而在第1和第2导电体之间产生电容耦合。这一点清楚地示于图1b中的滤波器的顶视图中。

导电杆的长度通常大体为其中有效可变场的波长的4分之1，即λ/4，如前面讨论的那样，当为了减小尺寸时，这将是一个缺点。导电体102a、102b的长度L稍减小，但仍大体为λ/4，即L≈λ/4，这是因为，除了导电体102a与102b之间的电容耦合外，还有导电体102a、102b与空腔侧壁103之间的电容耦合。

如涉及的谐振器滤波器100制成900Mhz的频率，则导电杆的长度L例如为75mm。每个空腔101a、101b的直径D和每个杆106的直径d可根据允许的耗散量选择。然而，比值D/d具有一个最佳值，大体为3，如果波形为TEM，则可使Q值最大化。

这一现有技术的滤波器的缺点在于，尽管由于该凸起与该空腔壁之间的电容耦合的原因可稍减小导电体的长度，但较长的凸起会导致Q值下降，这是不希望出现的。因为小尺寸的凸起具有高电阻值，使得不能输送(handling)大电流，从而减小了Q值。

图2a、2b示出了按照本发明的空腔谐振器200的最佳实施例，其中包括了位于空腔202中的导电体201。空腔202具有的导电壁包括侧壁203、顶壁204、及底壁205。

导电体201包括导电主杆206和垂直连接到该主杆206的附加导电杆207。所述主杆206的一个端部208大体连接到所述附加杆207的中部。所述主杆206的另一端部209与所述空腔202的底壁205呈短路关系。导电体呈T形。

包括所述附加杆的开放端部210的附加杆207相对该空腔202的顶壁204形成开路关系。开放端部210与侧壁203隔开大体相同距离“a”地配置，从而在附加杆207与侧壁203之间产生电容耦合。主杆的短路端部209大体连接到底壁的中心。

图2c示出了附加导电杆207的布置。附加杆207配置在正方形空腔的对角线上，构成该空腔的最大直径Cmax，以增加导电体201与该空腔侧壁203之间的电容耦合。这明显不同于图1a和1b所述的、在该空腔侧壁之间配置凸起的现有技术的谐振器。这样的配置示于图2c中，其中具有空腔的最小直径Cmin。下面更详细地说明附加杆的尺寸。

对于相对的谐振频率和相同的谐振器Q值，由于本发明导电体产生的附加电容量的原因，本发明导电体201的长度1在图1a中的现有技术导电体102a的长度L的一半以内，即，l＜＜λ/4。

当空腔容积和谐振器频率一定时，相比图1a、1b中的现有技术的谐振器，本发明的谐振器的Q值大约增加40-60％，或更高。这是由于相比该凸起109a、109b增加了附加杆207的直径，增加直径使附加杆的电阻值降低。较低的电阻值意味着附加杆可输送更大的电流，从而增大谐振器的Q值。

如果用本发明的具有相等或更大的Q值的导电体201代替现有技术的导电体102a、102b，则可减小特定谐振频率的谐振器的容积，这对于要求小尺寸谐振器的应用较理想。

如图3所示，附加杆可非对称地连接到该主杆。

图3示出具有第1备选导电体301的空腔谐振器300的一实施例，该第1备选导电体301具有位于该空腔202中的附加杆302。该附加杆垂直连接到该主杆206。所述附加杆302的第1端部304配置成第1距离“a”，该第1距离“a”比所述附加杆302的第2端部303与所述侧壁203之间的第2距离“b”更接近该侧壁203。这样，导电体301呈非对称的T形，每一端到所述侧壁203具有不同的强电容耦合。

第2端部304也用于通过侧壁203的开口305将谐振器的信号电容耦合出来。不需要单独的用于耦合的元件。

图4示出本发明的空腔谐振器400的另一实施例，其中，导电体401包括矩形的主杆405及位于空腔202中的第1和第2矩形附加杆402和403。所述主杆和所述附加杆基本上具有相等横断面的对角长度。

所述第1和第2附加杆402、403相互垂直连接于中部，从而形成X状。附加杆402和403垂直连接到主杆405的第1端部406。主杆405的第2端部407与底壁205形成短路连接，该附加杆，包括所述附加杆的开放端部404，与该侧壁203和该顶壁204形成开路关系。

该开放端部404配置在与侧壁203隔开相等距离c的位置，从而在附加杆402、403与侧壁203之间形成电容耦合。主杆的短路端部406大体上连接到底壁205的中心。

如前面根据图3a、3b所说明的那样，不对称组合可采用2个或更多的附加杆获得。当然也可采用例如矩形、圆形或椭圆形的不同横断面的杆的组合。

本发明的实施例比图2中的实施例更能节省空间，因为保持谐振器的谐振频率需要更短的主杆。谐振器的Q值可以得到保持并且允许在4个方向上产生强耦合。

图5a和图5b示出滤波器500，该滤波器500包括输入装置501、输出装置502、外部导体503、及按照图2中的实施例的3个谐振器。每个谐振器包括形成空腔504a、504b、504c的壁和导电体505，导电体505包括主杆506和附加杆507a、597b、507c。

信号通过所述的输入装置501输送到第1谐振器，该信号通过第1谐振器的所述附加杆507a的开放端部508与所述第2谐振器的附加杆507b之间的电容耦合，耦合到第2谐振器。开放端部508靠近第1和第2相邻空腔504a、504b之间的第1开口509进行配置，从而通过所述第1开口509为所述电容耦合形成通道。

信号通过第2谐振器的所述附加杆507b的开放端部510与所述第3谐振器的附加杆507c之间的电容耦合，耦合到第3谐振器。开放端部510接近第2和第3相邻空腔之间的第2开口511进行配置，从而形成通过所述开口511进行所述耦合的通道，将信号连接到输出装置502。

图6示出滤波器600的另一实施例，在该滤波器的谐振器之间具有强电容耦合。相对于图5b的实施例，第2谐振器的附加杆601旋转了90度。

信号通过输入装置连接到第1谐振器。该信号通过第1谐振器的附加杆603的开放端部602与所述第2谐振器的所述附加杆601的第1开放端部604之间的电容耦合从第1谐振器耦合到第2谐振器。第1谐振器开放端部602接近第1和第2相邻空腔606、607之间的第1开口605进行配置，从而形成通过所述第1开口605的所述电容耦合的通道。

该信号通过第2谐振器的所述附加杆601的位于所述第1开放端部604相反一侧的第2开放端部608与所述第3谐振器的附加杆610的开放端部609之间的电容耦合，耦合到第3谐振器。所述第2谐振器的第2开放端部609接近第2和第3相邻空腔607、612之间的第2开口611进行配置，因此形成通过所述第2开口611的用于所述电容耦合的通道。该信号由此连接到一输出装置。

图中示出了根据图5a、5b、6说明的电容耦合。

在该说明中，杆指任何种类的凸起装置。图中仅示出圆形和矩形断面的实施例，但权利要求范围不限于此。其它杆形也可以，例如管形断面或具有可变断面的任何凸出装置。

不论形状如何，杆的断面直径总是断面的最大对角距离。

附加杆的直径必须大于主杆直径的0.5倍，但小于2倍，以保持谐振器的适当功能。

设定上限是因为，当附加杆的直径太大时，产生不良影响。这些影响包括在顶壁和侧壁的角部产生较高的电容耦合，这将会降低谐振器频率，进而减小谐振器的Q值。

设定下限是因为，当直径太小时，产生增加凸起电阻值的不良影响。这会导致Q值减小，因为该凸起不能处理所期望的电流值。

附加杆不用于调谐该谐振器，而是用于改变导电体的物理长度，如果附加杆的直径太小，空腔的高度不会如期望的那样减少太多。

附加杆的最佳直径在主杆直径的±20％的范围。

导电体的尖角可能降低谐振器的性能，例如Q值。一般情况下，尖角在高频下总是比圆形差。功能的劣化当然受附加杆的相对长度和谐振器的频率影响，频率越高则越差。

空腔当然也可具有其它断面形状，例如椭圆形、圆形、及矩形。在每一个这些空腔中，当沿着该最大直径、例如，方形空腔的对角、在该空腔中布置附加杆时，可获得本发明的谐振器的最佳性能。

不论空腔的断面形状如何，总是至少有一个形成最大直径的内部距离和形成最小直径的内部距离。对于圆形空腔，最大和最小直径相同。

上面说明了按照本发明实现谐振器的一些的方法。本发明不限于说明的方法，在不脱离后附权利要求限定的范围也可按其它方式应用相同的发明思路。

Claims

1、一种同轴空腔谐振器，包括：

-空腔(202)，

-壁，围成所述空腔，并形成侧壁(203)、顶壁(204)、及所述顶壁相反一侧的底壁(205)，

-至少1个导电体(201、301、401)，设在所述空腔(202)中并包括主导电杆(206、405)，-所述杆，具有第1端部(209、407)和第2端部(208、406)以及基本一定的断面直径，

-所述导电体的第1端部由所述主导电杆(206、405)的所述第1端部(209、407)形成，与所述空腔的所述底壁(205)形成短路连接，以及

-所述导电体的第2端部与所述空腔的所述顶壁(204)形成开路关系；

其特征在于：

-所述导电体(201、301、401)还包括至少一个附加导电杆(207、302、402、403)，并将其以垂直关系连接到所述主导电杆的所述第2端部(208、406)，

-所述附加导电杆(207、302、402、403)形成所述导电体的所述第2端部，以及

-所述至少1个附加杆具有在所述主导电杆(206、405)的所述直径的0.5-2倍之间的横断面直径。

2、如权利要求1所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：

-所述空腔至少在所述附加导电杆的附近具有非圆形横断面，该非圆形横断面具有第1最大直径(Cmax)和第1最小直径(Cmin)，所述第1最大直径(Cmax)比所述第1最小直径(Cmin)大，以及

-所述至少一导电杆(207、302、402、403)基本上对准所述第1最大直径(Cmax)。

3、如权利要求2所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所述附加杆(207、302、402、403)的长度大于所述第1最小直径(Cmin)。

4、如权利要求2或3所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所述非圆形横断面为正方形横断面。

5、如权利要求1-4中任何一项所述的同轴空腔谐振器，其特片在于：每个附加导电杆(207、302、402、403)具有从所述主杆的所述第2端部沿相反方向延伸的2个部分。

6、如权利要求5所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所延伸部分具有基本相等的长度。

7、如权利要求5-6中任何一项所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：每一所述延伸部分的所述开放端部相对所述侧壁具有基本相等的距离(a)。

8、如权利要求1所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所述导电体(401)还包括相互垂直连接的第1附加导电杆(402)和第2附加导电杆(403)。

9、如权利要求8所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所述延伸部分具有基本相等的长度，每一所述延伸部分的所述开放端部相对所述侧壁(203)具有基本相等的距离(c)。

10、如前面的权利要求中任何一项所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：所述顶壁(204)平行于所述底壁(205)，所述侧壁(203)垂直于所述底壁(205)，导电体(201、301、401)的所述第1端部(209、407)基本上连接到所述空腔的所述底壁(205)的中心。

11、如前面的权利要求中任何一项所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：至少所述附加导电杆(207、302、402、403)中的一个也是用于该谐振器的外部耦合的电容耦合元件。

12、如前面的权利要求中任何一项所述的同轴空腔谐振器，其特征在于：至少一个附加杆(207、302、402、403)具有大约与所述主导电杆(206、405)的所述直径相同的横断面直径。

13、一种包括输入装置(501)和输出装置(502)的滤波器，其特征在于：所述滤波器还包括至少2个按照前面权利要求中任何一项的同轴空腔谐振器(200、300、400)，该同轴空腔谐振器至少在2个相邻空腔之间的一个侧壁于所述电容耦合元件的附近设置有至少1个开口(305、509、511、605、611)，产生从一个谐振器到另一个谐振器的所述耦合所用的通道。