专利名称：一种大功率切角方腔滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大功率切角方腔滤波器，属于微波滤波器领域。
背景技术：
在卫星通信系统中，腔体滤波器是不可或缺的无源器件。它可以单独作为一个部件对某一频段的信号起滤波作用，也可以组合起来作为多工器的通道滤波器形成一个多工器网络。随着通信卫星通信容量的不断增大，对腔体滤波器的功率、质量、体积的要求也越来越高。目前国际和国内常用的腔体滤波器有矩形波导膜片式滤波器，殷钢薄壁圆腔双模滤波器等，前者一般用于宽带滤波器，其Q值(即滤波器的品质因数，衡量滤波器的滤波器特性的关键参数)也相对较低，后者则常作为传统输出多工器的通道滤波器。由于圆腔双模滤波器一个谐振腔体内包含两个模式，发热量大且圆波导腔体的谐振器散热性能较差， 限制了功率容量，目前Ku频段150W的功率容量已经成为殷钢薄壁圆腔双模滤波器的极限， 在需要高Q值，大功率的场合，现有技术已经不能满足需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种大功率切角方腔滤波器，该滤波器具有大功率、高Q值、单模工作范围宽、调试简单、可以应用于窄带设计等特点，可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求。本发明的技术解决方案是一种大功率切角方腔滤波器，包括上散热片、侧散热片、散热片固定夹、上半腔体、下半腔体、下散热片、支架、频率调谐螺钉和耦合调谐螺钉；所述大功率切角方腔滤波器为4阶滤波器，由上半腔体和下半腔体扣合形成四个谐振腔体，均为长方体，呈田字形分布，且四个谐振腔体排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信号在所述大功率切角方腔滤波器中的传输顺序，四个谐振腔体依次为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；所述四个谐振腔体均对四个侧壁的棱切圆角，第一谐振腔侧壁有长方形输入耦合窗口 ；第四谐振腔侧壁有长方形输出耦合窗口 ；在第一谐振腔和第二谐振腔之间、第一谐振腔和第四谐振腔之间、第三谐振腔和第四谐振腔之间的侧壁上有长方形耦合窗口 ；在第二谐振腔和第三谐振腔之间有两个耦合窗口，一个为U形窗口，另一个为长方形窗口 ；所述耦合窗口位于各个谐振腔体的圆角处；上半腔体的顶部，在每一个谐振腔体的正对中心处位置有螺纹孔，用于安装频率调谐螺钉；上半腔体的顶部位于谐振腔体之间的长方形耦合窗口的位置有螺纹孔，用于安装耦合调谐螺钉；上散热片通过螺钉连接在上半腔体上，下散热片通过螺钉连接在下半腔体上，支架通过螺钉连接在下散热片上，侧散热片由散热片固定夹按压通过螺钉连接在上散热片和支架上。
所述对谐振腔体四个侧壁的棱切圆角半径大小在5mm 12mm之间。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)本发明结构上考虑将整个滤波器各耦合腔体垂直底面排布，呈田字型，使整个滤波器成平面排布结构，并在滤波器周围增加散热片。这样做的可以增加散热面积，即增强热辐射能力；同时加大滤波器与冷基板的接触面积，增强传导散热能力。能够满足真空环境中300W以上的大功率设计要求。(2)本发明将滤波器谐振腔设计为介于方腔和圆腔之间的切角方腔，并使其工作在模式TEOll模。各耦合孔都位于谐振腔的中心部位，形成侧壁耦合，且均为磁耦合孔。各耦合孔开孔都较大，没有形成小缝隙，从而减小了低气压放电和微放电的可能性。(3)本发明的滤波器谐振腔采用TEOll模式，该模式具有很高的Q值，远高于矩形谐振器的TElOl模式，也高于目前常用圆腔双模滤波器使用的TE113和TE114模式。(4)本发明的滤波器采用的TEOll模及使用的耦合窗口结构具有很宽的单模工作范围，完全能够满足多工器的通道滤波器的需求，且由于本发明频率调整螺钉和耦合调整螺钉的设计，滤波器的耦合和频率均可以方便的进行调试，滤波器能够实现窄带和交宽带的设计，能够满足广泛的通信系统应用要求。
图1是一个典型的四阶广义切比雪夫带两个传输零点的S参数幅度曲线；图2是一个典型的大功率切角滤波器在CST中的传输特性仿真曲线。图3是本发明大功率切角滤波器的整体结构示意图；图4是本发明大功率切角滤波器的爆炸结构示意图；图5是本发明大功率切角滤波器在CST中的仿真结构示意图；图6是本发明大功率切角滤波器的腔体正面示意图；图7是本发明切角方腔滤波器输入/输出耦合孔计算模型；图8是本发明切角方腔滤波器输入/输出孔群时延计算结果；图9是本发明切角方腔滤波器腔间耦合计算模型。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行进一步的详细描述。发明的滤波器为带一对传输零点的四阶广义切比雪夫滤波器，其耦合矩阵的综合与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序或商用软件可以得出满足指标要求的滤波器耦合矩阵，如图1为耦合矩阵求出的滤波器传输特性曲线。图2为CST中最终得到的传输特性仿真曲线。如图3、图4、图5、图6所示，本发明提供了一种大功率切角方腔滤波器，包括上散热片1、侧散热片2、散热片固定夹3、上半腔体4、下半腔体5、下散热片6、支架7、频率调谐螺钉8和耦合调谐螺钉9 ；所述大功率切角方腔滤波器为4阶滤波器，由上半腔体4和下半腔体5扣合形成四个谐振腔体，均为长方体，呈田字形分布，且四个谐振腔体排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信号在所述大功率切角方腔滤波器中的传输顺序，四个谐振腔体依次为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；所述四个谐振腔体均对四个侧壁的棱切圆角，该切角不同于一般的为了方便加工的导圆角，是针对谐振腔体工作在TEOll模式进行的切角，谐振腔体四个侧壁的棱切圆角半径大小在5mm 12mm之间，本发明中采用半径8. 5mm，如图5中a为长方形耦合窗口，b 为U形耦合窗口分。第一谐振腔侧壁有长方形输入耦合窗口 ；第四谐振腔侧壁有长方形输出耦合窗口 ；在第一谐振腔和第二谐振腔之间、第一谐振腔和第四谐振腔之间、第三谐振腔和第四谐振腔之间的侧壁上有长方形耦合窗口 ；在第二谐振腔和第三谐振腔之间有两个耦合窗口，一个为U形窗口，如图5中b所示，另一个为长方形窗口 ；所述耦合窗口位于各个谐振腔体的圆角处；谐振腔体的大小根据滤波器频率的不同进行设计，耦合窗口的大小根据滤波器带宽的不同进行设计，输入输出耦合窗口连接到波导端口，波导端口也由上半腔体4 和下半腔体5扣合而成，并设计了对外通过螺钉连接的法兰接口。上半腔体4的顶部，在每一个谐振腔体的正对中心处位置有螺纹孔，用于安装频率调谐螺钉8 ；上半腔体4的顶部位于谐振腔体之间的长方形耦合窗口的位置有螺纹孔，用于安装耦合调谐螺钉9 ；上散热片1通过螺钉连接在上半腔体4上，下散热片6通过螺钉连接在下半腔体 5上，支架7通过螺钉连接在下散热片6上，侧散热片2由散热片固定夹3按压通过螺钉连接在上散热片1和支架7上，为了增强导热性能，连接面处均涂抹导热材料。上半腔体4和下半腔体5均有法兰面，上半腔体和下半腔体通过两个法兰面使用紧固螺钉连接，谐振腔体间的金属墙壁上也设计有垂直于谐振腔体上下表面的螺孔，可通过螺钉连接，同时，谐振腔体间金属墙壁上为了安装紧固螺钉，对金属墙壁局部进行了扩大，预留了紧固螺钉的安装位置。上半腔体4和下半腔体5使用低膨胀合金材料，并进行表面处理。本发明大功率切角滤波器新颖的设计，即平面的谐振腔排列，大切角的方腔，精巧的窗口排列，侧壁耦合等都是在考虑大功率的前提下进行设计的。这样的设计有利于整体的散热，从而实现大功率。同时整个滤波器耦合孔均为磁耦合孔，避免了电场聚集，且没有小的间隙和尖刺，因此可以有效减小微放电和低气压放电发生的可能性。大功率切角滤波器既可以作为单独的滤波器也可以作为多工器的通道滤波器使用。在第二谐振腔和第三谐振腔之间的U形窗口和长方形窗口共同实现了第二谐振腔和第三谐振腔之间的耦合，U形窗口和长方形窗口实现的物理电磁特性极性相反，且U形窗口的耦合量远大于长方形窗口的耦合量，所以总体电磁特性为U形窗口的电磁特性，且可以通过调节长方形窗口处的调谐螺钉来调谐第二谐振腔和第三谐振腔之间的耦合量。本发明的滤波器为带一对传输零点的四阶广义切比雪夫滤波器，其耦合矩阵的综合与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序可以得出满足指标要求的滤波器耦合矩阵。本发明滤波器，共有输入输出，主耦合，交叉耦合和四个自耦合共八个耦合量，都可以对应在6)(6的耦合矩阵中找到相应耦合量。大功率切角方腔滤波器在各腔体上下都可以增加温补装置(如温补桥)以改善温度特性，故有温补装置(包括温补桥)的改进方案也属于本发明范畴，同时散热片的形式也可以根据实际选用其他形式。大功率切角方腔滤波器的切角方形谐振腔平面结构排布，滤波器腔体各腔为各角有较大切角的方腔组成，其形状不同于一般的方腔，也不同于一般的圆腔，而是其形状介于方腔与圆腔之间。各耦合窗都开在切角的四个角上；所有耦合孔都为磁耦合孔，因此孔都较大。滤波器涂覆有温控漆、导电胶、导热胶，并在内表面镀银。传统的圆波导滤波器由于受限于与冷基板接触面积，因此在大功率下热耗无法散发，限制了其功率容量。而本发明中平面排布的谐振腔结构，使滤波器与冷基板接触面积大大增加，有利于热传导，大大解决了高功率下热传导的设计瓶颈，而增加的上下散热片和侧散热片也增加了热辐射的面积，同样有利于散热。采用切角方腔的原因是为了使滤波器工作于TEOll模式，在该模式下Ku频段，单模工作带宽可以> 500MHz，同时该种滤波器可以设计成为窄带滤波器，因此结合这两方面因素，可以将该种滤波器应用于多工器设计中，作为多工器的一个通道滤波器使用。各耦合孔开孔位置都在谐振器的四个角上，其原因是其他位置均不利于TEOl模的传输，开在四个角上，不仅有利于TEOl模的传输，同时可以抑制其他模式的传输，从而拓宽单模工作带宽。大功率另外一个限制是如果各耦合孔聚集强电场则容易击穿或者发生低气压放电和微放电，大功率切角方腔滤波器所有耦合窗设计均采用磁耦合，没有小间隙，避免了聚集电场的产生，成功的解决了高功率滤波器设计中遇到的微放电、常压气体放电问题。大功率切角方腔滤波器在第二谐振腔与第三谐振腔之间主耦合采用了一个负耦合结构，本发明巧妙的将一个耦合量用两个耦合窗来共同实现。其中一个耦合窗成U形，位于滤波器谐振器内侧，产生一个较大的负耦合量，另一个矩形窗位于滤波器谐振器外侧，产生一个较小的正耦合量，共同作用下产生一个总的负耦合量。独特设计的U形耦合窗精巧的实现了负耦合，且保证了传输函数的对称特性，即可以通过改变U形窗的尺寸调整传输曲线的对称性，在另一角开一个正耦合窗的原因是，由于U形窗位于滤波器结构内侧，较难直接调节，而通过在另一个靠外的切角处开一个矩阵耦合窗，则可以很方便地实现一个正耦合量，通过调节该正耦量则容易调节主耦合的耦合量了。大功率切角方腔滤波器可以在谐振腔上下部添加温度补偿装置，改善温度特性。 大功率产品往往受到工作温度的影响，随着工作温度的变化，通带会随之偏移，影响工作性能。虽然选择温度系数小的材料如殷钢可以改善温度特性，但是能力有限。传统的圆波导滤波器谐振器上下都为开孔位置，没有办法采用温补弓等物理的温补装置，而本发明所有耦合孔都开在谐振器的侧面，在使滤波器结构成平面而有利于散热的同时，最大的好处是可以在谐振器的上下面添加入温补弓之类的温补装置。温补装置(如温补弓)是通过温度变化时，温补弓拉紧或放松造成谐振器上下面形变从而改变谐振频率的方法来弥补由于温度引起的频率偏移。因此，添加了温补装置后可以非常明显的改善滤波器温度特性。大功率切角方腔滤波器螺钉有三种，如图3、图4、图6所示，9为耦合量调谐螺钉， 位于各耦合窗垂直方向，滤波器各耦合窗，包括输入、输出耦合窗口，1-4耦合窗以及2-3主耦合的矩形窗都加入调谐螺钉，可以对耦合量进行微调减小由于加工公差等原因导致的耦合量误差；8为频率调谐螺钉，位于各谐振腔的中心位置，可以对各谐振腔的频率进行微调，同时实现各谐振器的自耦合；紧固螺钉10位于各腔体周围。滤波器腔体加工时分为上下两部分，然后通过紧固螺钉安装到一起。为了防止泄露，需要在滤波器周围加足够多的紧固螺钉，同时在中间腔体间也需要加紧固螺钉，以防止各耦合腔之间的能量泄露，破坏滤波器性能。大功率切角方腔滤波器的仿真计算包括以下步骤1)在商用仿真软件CST或者HFSS中利用特征模求解器，建立谐振腔模型，通过调整谐振腔大小和切角的大小，使谐振腔谐振在所需频点，并具有良好的Q值和单模工作带宽。由于这里计算的为一个独立的谐振器，而实际上还需要开耦合窗，开耦合窗会降低谐振器的谐振频率，因此此处应该使谐振频率略高于所需频率。2)为谐振腔添加输入或输出耦合窗，利用群时延仿真法，对应耦合矩阵计算出的
输入输出群时延，群时延与输入输出耦合量的关系为M01 =松赤，其中Mtll为输入或输出
耦合，Βω为带宽，τ (COtl)为群时延；调整耦合窗大小，使仿真的群时延与耦合矩阵计算出的群时延相等。得出滤波器的输入输出窗口尺寸，如图7和图8。3)腔间耦合窗的计算采用本征模求解方式。在仿真软件中建立两腔的模型，如图 9，通过特征模求解器计算出两腔之间的耦合量。两腔之间的耦合量等于求解的模式之间的差值，该值应该等于耦合系数与设计带宽的乘积，即=Coup = MijXBu，其中Mij为对应耦合系数；Βω为带宽，Coup为对应的实际耦合量。4)上述步骤完成后，需要对滤波器进行整体仿真，通过步骤1)、步骤幻和步骤3) 得到了初始的滤波器尺寸和窗口尺寸，可以反复调节各尺寸，通过比较S参数的优略来改变耦合窗口及频率螺钉的尺寸，最终达到优良的仿真结果。当然也可以采用其它方法进行整体仿真。最终本发明的能够达到下列性能参数及指标，如表1所示表 权利要求
1.一种大功率切角方腔滤波器，其特征在于包括上散热片(1)、侧散热片(2)、散热片固定夹(3)、上半腔体(4)、下半腔体(5)、下散热片(6)、支架(7)、频率调谐螺钉(8)和耦合调谐螺钉(9)；所述大功率切角方腔滤波器为4阶滤波器，由上半腔体(4)和下半腔体(5)扣合形成四个谐振腔体，均为长方体，呈田字形分布，且四个谐振腔体排列在同一水平面上，均工作在模式TEOll模，按照微波信号在所述大功率切角方腔滤波器中的传输顺序，四个谐振腔体依次为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；所述四个谐振腔体均对四个侧壁的棱切圆角，第一谐振腔侧壁有长方形输入耦合窗口 ；第四谐振腔侧壁有长方形输出耦合窗口 ；在第一谐振腔和第二谐振腔之间、第一谐振腔和第四谐振腔之间、第三谐振腔和第四谐振腔之间的侧壁上有长方形耦合窗口 ；在第二谐振腔和第三谐振腔之间有两个耦合窗口，一个为U形窗口，另一个为长方形窗口 ；所述耦合窗口位于各个谐振腔体的圆角处；上半腔体(4)的顶部，在每一个谐振腔体的正对中心处位置有螺纹孔，用于安装频率调谐螺钉(8)；上半腔体(4)的顶部位于谐振腔体之间的长方形耦合窗口的位置有螺纹孔， 用于安装耦合调谐螺钉(9)；上散热片(1)通过螺钉连接在上半腔体(4)上，下散热片(6)通过螺钉连接在下半腔体(5)上，支架(7)通过螺钉连接在下散热片(6)上，侧散热片(2)由散热片固定夹(3)按压通过螺钉连接在上散热片(1)和支架(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种大功率切角方腔滤波器，其特征在于所述对谐振腔体四个侧壁的棱切圆角半径大小在5mm 12mm之间。
全文摘要
一种大功率切角方腔滤波器，包括上散热片、侧散热片、散热片固定夹、上半腔体、下半腔体、下散热片、支架、频率调谐螺钉和耦合调谐螺钉，用于通信系统中，可单独作为一个部件对某一频段的信号起滤波作用，也可以组合起来作为多工器的通道滤波器形成一个多工器网络，实现了滤波器谐振腔体TE011模的成功应用，显著提高了滤波器的功率容量，具有很高的品质因数，巧妙设计了一个U形窗和矩形窗两窗共同实现一个负耦合的结构，既降低了滤波器低气压放电和微放电的可能性，又保证了滤波器的传输对称特性，且易于调试，整个滤波器成平面排布结构能够很好的散热且可以安装外部温度补偿装置，保证了滤波器的温度稳定性。
文档编号H01P1/208GK102185170SQ20111004772
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者夏亚峰, 张燚, 殷新社 申请人:西安空间无线电技术研究所