宽频带同轴谐振腔的制作方法

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种工作于TEM_00p模式的宽频带同轴谐振腔。

背景技术：

TEM_00p模同轴谐振腔是一种微波谐振腔，可以用于微波检测、介质材料电参数的测量、微波宽频带同轴滤波器的设计等，其工作于TEM模，具有振荡模式简单、场结构稳定、无色散、工作频带宽等优点。常见的TEM_00p同轴谐振腔用黄铜加工，内表面镀银以提高腔体的固有品质因数。在腔壁下侧磁场最强处用耦合环进行激励，使腔内产生谐振。选取不同的p可获得不同的主模谐振频率，进而得到多个TEM_00p工作模式，即利用一腔多模技术可实现在较宽频带内覆盖多个离散的主模工作频点。

同轴腔法测量介质电磁参数，选用的工作模式为TEM_00p模，利用样品对腔体内TEM_00p模式的扰动，提取样品加载前后的谐振参数，通过计算即可反演出样品的电参数。但是由于腔体内大量非TEM_00p谐振模式的存在，会影响对工作模式的准确判定，导致测试结果不正确。因此如何抑制除TEM_00p模外的干扰模就成为同轴腔设计的关键。同轴腔尺寸与不同模式谐振频率的计算原理如下:同轴谐振腔内的电磁波在纵向两终端反射时其相位会产生一定的偏移。理想短路面产生的相位偏移量为π，理想开路面相位偏移量为0。对于一般情况的谐振腔而言，能量在某个频率下产生谐振时，记两端的相位偏移量分别为与根据谐振条件可得谐振腔的一般相位谐振条件如下：

其中，n为整数，β是腔体内对应谐振频点下的相位常数，l为谐振腔等效电长度。同轴线的特性阻抗为：

$Z_0=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}ln\left(\frac{b}{a}\right)---\left(2\right)$

其中a、b分别为同轴线内导体外径与外导体内径，ε_r为同轴线内填充介质的相对介电常数。

由公式(1)可知，不同模式的谐振频率的大小与腔体的尺寸有关，通过对腔体的尺寸进行优化，可使一部分干扰模式远离工作频带，但谐振腔的工作带宽较窄。为增加其工作带宽，在谐振腔的终端进行电容加载，即将两端短路的同轴线谐振腔的内导体与腔体一侧的端面脱离一段距离，便构成了重入式谐振腔，一方面可缩减同轴腔的体积，另一方面可增加其无干扰模的调谐范围。但是此时仍有大量的干扰模存在于工作频带内，严重限制了可用带宽，因此如何设计宽频带同轴腔，在不影响工作模式的情况下，又尽可能地抑制干扰模式，得到一个比较“干净”的TEM_00p模式频谱，是同轴腔设计的难题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种能抑制大量干扰模式、测量精度更高、结构简单紧凑、工作于TEM_00p模式的宽频带同轴谐振腔。

本发明技术方案如下：

一种宽频带同轴谐振腔，包括外导体、外导体内部同轴设置的内导体、外导体上方的上端盖、外导体底部的下端盖，所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为金属，所述内、外导体、上端盖、下端盖构成一个同轴谐振腔，外导体侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个通孔，通孔中用于插入耦合环，所述外导体侧壁外表面沿周向均匀设置向谐振腔中心垂直延伸的若干槽体，所述槽体的深度小于外导体的侧壁厚度，槽体的内部设有延伸至外导体内壁的宽度小于槽体的缝隙，所述槽体内填充有覆盖缝隙的吸波材料。

槽体内设置缝隙的方式，使得缝隙两侧的腔壁变薄。腔壁变薄利于被缝隙切断电流线的电磁波辐射出来，槽体内放入吸波材料将其吸收。

同轴谐振腔侧壁对称位置上开有两个通孔，用于插入耦合环对腔体进行激励，由同轴线TEM模的磁场分布可知，在靠近外导体内壁处磁场最强，将耦合环置于磁场最强处且使其环面与磁力线垂直，对腔内场分布的扰动较小。

作为优选方式，所述槽体为沿外导体侧壁周向均布的4个槽体，每个槽体内部设有缝隙，缝隙的宽度w＝0.8±0.2毫米，槽体宽度为8毫米。上述优选宽度基于对腔内场的分布以及HFSS软件仿真结果的分析、从杂模抑制以及能量损耗两个方面来综合考虑得到。如果缝隙太宽，则能量损耗太大，Q值降低；若缝隙太小，对杂模抑制效果不好。

作为优选方式，所述外导体内壁、内导体外壁镀银，银的镀层厚度大于同轴谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度，银的镀层的表面粗糙度优于7级。

同轴谐振腔内壁镀有银，由于银的电导率高，表面电阻小，可有效提高腔体的品质因数Q值，同时银镀层厚度应大于同轴谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度，使电流仅存在于银层中；银镀层的表面粗糙度优于7级，可减小导体损耗，进一步增大Q值；

作为优选方式，外导体上端盖中心设有用于放置样品的通孔。这样腔体应用在测试时方便样品放置。

作为优选方式，同轴谐振腔侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个法兰槽，各法兰槽中间设有一通孔，两个通孔关于谐振腔中轴线对称。

作为优选方式，所述下端盖中心设有与内导体配合的凹槽。内导体底部嵌入凹槽使连接更加紧密。

作为优选方式，所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为黄铜。

作为优选方式，所述外导体和上端盖通过螺钉固定连接，所述下端盖和外导体通过螺钉固定连接，所述内导体底部设有螺纹孔。

作为优选方式，所述内导体长度短于外导体长度。这样内导体与外导体上端面间隔一段距离，形成了电容效应。

本发明提出的同轴谐振腔工作时，将待测介质放入同轴谐振腔的上通孔中，通过选用工作模式TEM_00p模对待测介质进行电参数测量。由于外导体侧壁外表面沿周向均匀设置有若干条细缝，使得由于缝隙切断电流线的非TEM_00p模式电磁波不能在腔壁形成电流回路而无法谐振，但TEM_00p模式的电磁波能够形成电流回路而得到谐振，从而实现在不影响TEM_00p模式场分布的情况下，使得大部分干扰模式得到抑制。此外，在整个腔体外表面，沿所有细缝左右两侧开槽，槽宽大于细缝宽度，将细缝两侧的墙壁变薄，使得大量非TEM_00p模式在外导体内壁形成的电流线被缝隙切断后，其电磁波从细缝中泄露出去，并被槽内填充的吸波材料所吸收，从而进一步增加对非TEM_00p的干扰模式的抑制效果，最终提高了介质电参数的测量精度。

图7为两种尺寸、材料和加工工艺完全相同的同轴谐振腔的谐振曲线对比示意图。其中(a)为现有未开缝处理的同轴谐振腔的谐振曲线，(b)为本发明提出的具有开缝的同轴谐振腔的谐振曲线。从图7中可以看出，经过开缝的同轴谐振腔，其大部分干扰模式得到了有效抑制，主模谐振频谱更加纯净，从而提高了测试结果的精度。

本发明的有益效果是：本发明采用上述方案，能够有效的抑制大部分杂模，使得主模更加易于识别，尤其在较高频率范围内，效果更加明显，最终能够在0.6～13.5GHz的较宽频带范围内得到一个比较“纯净”的TEM_00p模式频谱，覆盖十多个离散频点。

附图说明

图1(a)是同轴线管壁的磁力线分布图。

图1(b)是同轴线管壁的位移电流和传导电流分布图。

图2是外导体上端盖三维视图。

图3是外导体下端盖三维视图。

图4是主腔体外导体三维视图。

图5是主腔体内导体三维视图。

图6是组成好的主腔体示意图。

图7(a)和(b)为两种尺寸、材料和加工工艺完全相同的同轴谐振腔的谐振曲线对比示意图：其中图7(a)为现有未开缝处理的同轴谐振腔的谐振曲线，图7(b)为本发明提供的具有缝隙的同轴谐振腔的谐振曲线。

其中，1为外导体，2为内导体，3为上端盖，4为下端盖，5为通孔，6为槽体，7为缝隙，8为样品通孔，9为法兰槽，10为凹槽。

具体实施方式

本实施例中谐振腔的发明过程分为两个部分：1、腔体尺寸的确定；2、腔体开缝的实现。

1、腔体尺寸的确定。

当填充介质为空气时，结合同轴腔两终端边界条件，通过用数值方法求解本文上述方程(1)就可以得到谐振腔的谐振频率，也可以根据需要的测试频率来求得腔体的等效电长度l，进而获得实际物理长度。为提高腔体的品质因数，主要是要减小谐振腔的能量损耗。对于空气填充的同轴谐振腔而言，其介质损耗比较小，所以能量损耗主要来自于金属的导体损耗，可以得到内外导体半径比b/a≈3.59时，导体损耗最小，此时结合同轴线特性阻抗求解公式(2)可以得到最小导体损耗时的同轴线的特征阻抗满足Z₀≈76Ω。综合考虑谐振频率、品质因数、腔体体积等因素即可确定谐振腔体的尺寸。

2、腔体开缝与开槽的实现

由于同轴线中传输TEM_00p模时，如图1所示，磁场只有φ方向分量，外导体内壁上的表面传导电流J_S只有轴向传输分量，通过外导体与内导体之间的径向位移电流J_d而形成电流闭合回路，所以从场方向入手，在外导体侧壁沿轴向开缝，可以在不影响TEM_00p模式场分布的情况下切断部分高次模的电流线，从而起到抑制杂模的效果。例如对于高次模TE模式，磁场的轴向分量不为零，则外导体内壁表面必然存在φ方向的传导电流，而所开的缝隙将切断此电流的传输，因此对该模式达到了抑制作用。此外，在整个腔体外表面沿所有细缝两侧开槽，将细缝两侧的墙壁变薄，槽内填充吸波材料，使得大量非TEM_00p模式在外导体内壁形成的电流线被缝隙切断后，其电磁波从细缝中泄露而被吸波材料所吸收，进一步增加了对非TEM_00p的干扰模式的抑制效果，提高测量精度。

具体的，如图2至图5所示，本实施例提供了一种宽频带同轴谐振腔，包括外导体1、外导体内部同轴设置的内导体2、外导体上方的上端盖3、外导体底部的下端盖4，所述外导体、内导体、上端盖、下端盖均为黄铜制成，所述外导体、内导体、上端盖、下端盖共同构成一个同轴谐振腔，外导体上端盖中心设有用于放置样品的样品通孔8，这样腔体应用在测试时方便样品放置。同轴谐振腔侧壁下端关于谐振腔中轴线对称设置两个法兰槽9，用于耦合环的固定，各法兰槽中间设有一通孔5，两个通孔5关于谐振腔中轴线对称，通孔中用于插入耦合环，所述外导体侧壁外表面沿周向均匀设置向谐振腔中心垂直延伸的4个槽体6，所述槽体的深度小于外导体的侧壁厚度，槽体的内部设有延伸至外导体内壁的宽度小于槽体的缝隙7，槽体内填充有覆盖缝隙的吸波材料。

缝隙的宽度w＝0.8±0.2毫米，槽体宽度为8毫米。上述优选宽度基于对腔内场的分布以及HFSS软件仿真结果的分析、从杂模抑制以及能量损耗两个方面来综合考虑得到。如果缝隙太宽，则能量损耗太大，Q值降低；若缝隙太小，对杂模抑制效果不好。

槽体内设置缝隙的方式，使得缝隙两侧的腔壁变薄。腔壁变薄利于被缝隙切断电流线的电磁波辐射出来，槽体内放入吸波材料将其吸收。缝隙与槽体的长度的选择遵循在满足机械加工的前提下尽量长的原则。

同轴谐振腔侧壁对称位置上开有两个通孔，用于插入耦合环对腔体进行激励，由同轴线TEM模的磁场分布可知，在靠近外导体内壁处磁场最强，将耦合环置于磁场最强处且使其环面与磁力线垂直，对腔内场分布的扰动较小。

所述外导体内壁、内导体外壁镀银，银的镀层厚度大于同轴谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度，银的镀层的表面粗糙度优于7级。同轴谐振腔内壁镀有银，由于银的电导率高，表面电阻小，可有效提高腔体的品质因数Q值，同时银镀层厚度应大于同轴谐振腔工作频点电磁波的趋肤深度，使电流仅存在于银层中；银镀层的表面粗糙度优于7级，可减小导体损耗，进一步增大Q值；

所述下端盖中心设有与内导体配合的凹槽10。内导体底部嵌入凹槽使连接更加紧密。

所述外导体和上端盖通过螺钉固定连接，所述下端盖和外导体通过螺钉固定连接，所述内导体底部设有螺纹孔。

所述内导体长度短于外导体长度。这样内导体与外导体上端面间隔一段距离，形成了电容效应。