专利名称：高热效率介电谐振器支座的制作方法
技术领域：
本文所公开的实施方式总体上涉及用于在介电谐振器的操作期间进行传热的高热效率结构。
背景技术：
介电谐振器是对一般位于微波频带中的狭窄频率范围显现出谐振的电子部件。谐振器例如在射频通信设备中得到使用。为了实现期望的操作，许多谐振器包括安放在空腔内中心位置上、具有大介电常数和低耗散因数的“圆盘(puck) ”。圆盘与空腔的组合对空腔内的电磁辐射施加了边界条件。空腔具有至少一个导电壁，其可由金属材料制造。圆盘的纵轴可以安放成基本垂直于空腔内的电磁场，从而控制电磁场的谐振。当圆盘由诸如陶瓷之类的介电材料制成时，空腔能够以横电(TE)模谐振。因此，在电磁场的传播方向上可能没有电场。尽管可以使用许多TE模，但介电谐振器可针对涉及微波频率的应用而使用TEOll模。使用TEOll模作为示例情况，电场将在圆盘内达到最大，沿圆盘的中轴具有方位角分量，一般在空腔中远离圆盘而减小，并且沿任何导电空腔壁完全消失。磁场也将在圆盘内达到最大，但将缺少方位角分量。虽然介电谐振器将会储存电磁场，但其可能还产生显著量的热量。将圆盘与另一物体耦合可对过热做出补偿。当两个固体相接触时，热量从较热物体流向较冷物体。由于这种流动不是瞬时的，因此在相接触的两个表面之间的界面上出现温降。这种温降与跨界面的平均热流量之间的比率被称为“接触热阻”。当这种接触热阻得到最小化时，热量迅速流动。因此，介电谐振器可以使用“支座”来传热，以使热量从圆盘传递到支座并传出谐振器。设计师会利用热导率来表征支座中的材料，其中热导率是度量其导热能力的参数。遗憾的是，具有非常高热导率和非常低电导率的材料对于此类支座中的使用而言往往过于昂贵。因而，当前的实现无法有效地将热量辐射到外部环境，特别是在高功率应用中尤为如此，从而导致因过热造成的谐振器操作受损或者故障。因此，存在对用于介电谐振器的高热效率、性价比高的支座的需求。特别是，存在对这样的支座的需求其具有相对较低的接触热阻，从而允许迅速的热传递，但还具有不干扰谐振器操作的电特性。常规技术只能缓慢排出所生成的热量，因此它们不适合于在高功率操作中使用的、可能在中央圆盘中产生陡峭的温度尖峰的介电谐振器。
发明内容
鉴于目前对高热效率、性价比高的介电谐振器支座的需求，呈现各种示例性实施方式的概要。在以下概要中可能做出一些简化和省略，这旨在突出和介绍各种示例性实施方式的一些方面，而非为了对本发明的范围作出限制。在后面的章节中将跟随着足以允许本领域中普通技术人员实现和使用本发明概念的、对优选示例性实施方式的详细描述。
在各种示例性实施方式中，用于在通信设备中传热的系统可以包括介电谐振器，该介电谐振器在通信设备活动时生成热量。介电谐振器又可以包括具有顶面和底面的圆盘，其位于由至少一个导电壁所限定的空腔内，其中圆盘不接触该至少一个导电壁。介电谐振器还可以包括具有上表面和下表面的温度补偿结构，该结构通过使上表面与圆盘的底面相接触而将所生成的热量远离介电谐振器传递。为了最大化热传递，温度补偿结构的上表面和圆盘的底面可具有基本上相等的表面积。最后，谐振器可以包括处于温度补偿结构之下的支座，该支座接收从温度补偿结构的下表面传递的热量。支座可以接触导电壁并且具有与圆盘中的水平轴相垂直的垂直轴。在各种示例性实施方式中，具有高热效率热传递的介电滤波器可以包括多个介电谐振器和多个介电谐振器之间的孔。每个介电谐振器可以包括由至少一个导电壁所限定的空腔、位于该空腔内的具有顶面和底面的圆盘。圆盘的任何部分都不可以与至少一个导电壁相接触。具有上表面和下表面的温度补偿结构可以通过使其上表面与圆盘的底面相接触而将所生成的热量远离介电滤波器传递。温度补偿结构的上表面和圆盘的底面可以具有基本上相等的表面积。处于温度补偿结构之下的支座可以接收从温度补偿结构的下表面传递的热量。该支座可以接触导电壁并且具有与圆盘的水平轴相垂直的垂直轴。 因此，各种示例性实施方式提供一种改进的方法来将所生成的热量从介电谐振器去除。这些实施方式可以允许圆盘迅速将热量传入支座中，从而避免圆盘过热。这些实施方式还可以允许以高热效率的方式使用廉价材料，从而降低通信系统的总成本。
为了更好地理解各种示例性实施方式而对附图作出参考，其中图I示出了示例性介电滤波器的透视图；图2示出了第一示例性介电谐振器的侧视图；图3示出了第二示例性介电谐振器的侧视图；图4示出了第三示例性介电谐振器的侧视图；图5示出了第四示例性介电谐振器的侧视图；图6示出了第五示例性介电谐振器的侧视图；图7描绘了针对示例性介电谐振器和两个常规介电谐振器的对比测试结果。
具体实施例方式现在参考附图，公开了各种示例性实施方式的宽泛方面，在附图中相似标号指代相似部件或步骤，。图I是示例性介电滤波器100的透视图。如图I中所示，滤波器100包括第一介电谐振器110和第二介电谐振器120。孔130将第一介电谐振器110连接到第二介电谐振器120。第一介电谐振器110和第二介电谐振器120的不例性结构在下文中参考图2-图6来描述。虽然示例性滤波器100仅具有两个介电谐振器，但本领域中普通技术人员可以根据滤波器的适用环境而设计出具有任意数目介电谐振器的滤波器100。图I将第一介电谐振器110和第二介电谐振器120描绘成六角棱柱体。因此，第一介电谐振器110和第二介电谐振器120是具有八个面的半规则多面体。各面中的两个面是六角形，而各面中的六个面是矩形。然而，本领域中普通技术人员显而易见地能够将滤波器100设计成使用具有其他形状的介电谐振器。备选形式例如包括球体、椭圆体、圆柱体、圆锥体、环形体和立方体。介电谐振器还可以具有除六角棱柱体以外的多面体形状。在每种实施方式中，至少一个金属壁可以完全包围住第一介电谐振器110和第二介电谐振器120的空间。因此，适当的激励可以导致所包围的空间发生谐振，从而允许第一介电谐振器110和第二介电谐振器120成为电磁振荡源。孔130可以作为这些震荡的调谐器，从而允许滤波器100生成处于合适的频率范围内的电磁信号。对于调谐的需求在介电谐振器的操作可能在预定频率范围内发生时尤为迫切。高功率介电谐振器可以广泛用于各应用中诸如从塔台到接收器的视频、音频和其他多媒体的无线广播。在美国的当前实现中，此类技术可以在716-722MHZ频谱上传输信号。因此，耦合器可能要求在这一频谱范围内的准确调谐。
图2示出了第一示例性介电谐振器200的侧视图。谐振器200可以包括圆盘210、温度补偿结构220和支座230。如对于本领域中普通技术人员显而易见的那样，圆盘210可由陶瓷或其他合适的材料制成。圆盘210的整体物理尺寸及其材料的介电常数可以确定介电谐振器200的谐振频率。一般而言，圆盘210可以由诸如示例性陶瓷化合物BaCe2Ti5O15和Ba5Nb4O15之类具有大介电常数和低耗散因数的材料制成。尽管圆盘210可具有低耗散因数，但任何介电材料都具有损耗正切(losstangent)，其中损耗正切为对材料耗散电磁能的趋势作出度量的参数。因此，在介电谐振器200操作时，其电磁能的一部分将变成热量。如果该热量未以足够的速率辐射到外部环境，则介电谐振器200的温度可能过度上升。这样的过热可能损害介电谐振器200的操作，或者甚至将其损坏。因此，介电谐振器200可以包括温度补偿结构220，该结构220从圆盘210接收所生成的热量，并将接收的热量传递到支座230。温度补偿结构220可以与圆盘210相接触以便实现这种热传递。因此，温度补偿结构220可以用具有适当介电常数的导热粘合剂粘贴到圆盘210。备选地，温度补偿结构220可以用对本领域技术人员而言显而易见的其他机械装置(例如，夹钳、螺丝、螺栓等)附着到圆盘210。温度补偿结构220可以与支座230成为整体或者构成以某种方式附着到支座230的单独部件。在所示实施方式中，支座230是圆柱形，其具有与圆盘210的近端表面相接触的内表面。圆盘210的近端表面是圆盘210靠近温度补偿结构220和支座230的表面，而圆盘210的远端表面远离温度补偿结构220和支座230。虽然图2将圆盘210描绘成处于温度补偿结构220和支座230之上，但备选实施方式可以具有处于圆盘210之上的温度补偿结构220和支座230。在另一备选中，温度补偿结构220和支座230可以安放到圆盘210的左侧或右侧。在又一备选中，温度补偿结构220和支座230可以安放到圆盘210的前方或后方。一般而言,可将温度补偿结构220和支座230面向圆盘210的表面称为“内”表面，因为此类表面朝向空腔的中心。相反，可将背朝圆盘210的表面称为“外”表面，因为此类表面指向空腔的导电壁。此外，介电谐振器200可以具有多个支座，它们安放在其空腔内的各个位置上。例如，第二支座可以安放在圆盘210相对于支座230的相反一侧上。在这个示例中，圆盘210可以处于顶部支座与底部支座的中间。当两个物体具有不同大小时，扩散热阻可能阻碍热量的传递。因此，为了促进热量的高效传递，圆盘210与温度补偿结构220的邻接部分可以具有基本上相等的表面积。由于邻接表面积相似，对从圆盘210流入温度补偿结构220中的热量的扩散热阻可以是最小的。支座230可以以使支座230对所接收的热量进行传递的方式耦合到温度补偿结构220。支座230的形状也可以是圆柱形，使其内表面与温度补偿结构220的外表面相接触。备选地，如上所述，温度补偿结构220和支座230可以是单个单元。支座230的垂直轴240可以垂直于圆盘210的水平轴250。温度补偿结构220和支座230 二者均可具有足够的热导率以便将热量从圆盘210 传递到外部环境。热导率k度量材料的导热能力，并且通常以给定温度(开尔文)下在一定距离(米)上传递的功率(瓦特)来度量。因此，可以基于由圆盘210所辐射的热能的量来对用于温度补偿结构220和支座230的材料做出选择。如上文中所详述，在典型的实现中，可以使用陶瓷。对于本领域中技术人员而言，其他具有相对高热导率和相对低电导率的合适材料将会是显而易见的。例如，纯钻石是碳的一种同素异形体，其具有高达2320W/mK的热导率，并且可以用于温度补偿结构220或者支座230，尽管其非常昂贵。氧化铍(BeO)和氮化铝(AlN)是其他合适但昂贵的示例。氧化铝(Al2O3)相对于其他陶瓷具有低介电损耗和高热导率。此外，氧化铝具有相对于常规陶瓷的介电温度系数为正的介电温度系数。因此，氧化铝可能是介电谐振器200的有效支座材料。再一次地，如对于本领域中技术人员而言显而易见的那样，其他材料亦可用于温度补偿结构220和支座230。图3示出了第二示例性介电谐振器300的侧视图。谐振器300包括圆盘310、温度补偿结构320和支座330。不同于温度补偿结构220，温度补偿结构320可以具有延伸部340，该延伸部340安放在支座330上或者与其形成一体。支座330可以具有圆柱形表面，其中支座330的垂直轴350可以垂直于圆盘310的水平轴360。如上文中所述，可以有多个支座安放在谐振器300的空腔内的各个位置上。在其中支座330为圆柱形的示例性情况中，延伸部340可以以使得温度补偿结构320与支座330之间的接触表面积最大化的方式，在支座330周围以三维形式凸出。因此，延伸部340可以以圆锥形的形式，从温度补偿结构320底面处的最大宽度起逐渐变细，其中支座330的垂直轴350将充当圆锥的中轴。在图3的二维投影中，这个锥面的每个叶(nappe)在支座330的左侧或右侧分别呈现为三角形。这两个叶不能形成完整的圆锥，因为导电壁限定了谐振器300的空腔的外表面。因此，由延伸部340限定的两个叶无法在单个点相遇以限定完整的圆锥。另外，叶可能终止在导电壁之上的某个点，仅部分地沿支座330的长度延伸。在任一情况下，延伸部340可以具有截锥体的形状，因此可将它们描述为截头锥表面。如对于本领域中普通技术人员而言将显而易见的那样，可以使用基本上平坦的、具有接近于零的高斯曲率的其他表面。延伸部340从而可以增大温度补偿结构320与支座330之间的热界面的表面积。由于表面积相似，对从温度补偿结构320流入支座330的热量的扩散热阻将会是最小的。延伸部340中的叶将会允许热量从周围的温度补偿结构320向内流入支座330，从而提高热效率。图4示出了第三示例性介电谐振器400的侧视图。谐振器400包括圆盘410、温度补偿结构420和支座430。支座430可以具有圆柱形表面，其中支座430的垂直轴450可以垂直于圆盘410的水平轴460。如上文中所述，可以有多个支座安放在谐振器400的空腔内的各个位置上。不同于温度补偿结构220，温度补偿结构420具有弯曲的延伸部440，该延伸部440可以安放在支座430上或者与其形成一体。该延伸部440可以具有负高斯曲率，向内弯曲而非向外或平直。因此，可以将延伸部440描述为具有双曲面表面。延伸部440可以以使得温度补偿结构420与支座430之间的接触表面积最大化的方式，在支座430周围以三维形式凸出。延伸部440的双曲面表面可以沿支座430的至少 一部分安放，其中双曲面表面的中轴是支座430的垂直轴450。由于延伸部440可以具有负曲率，因而如果圆盘410是凸面的，则延伸部440可以更高效地促进热传递。相反，如果圆盘410是凹面的，则延伸部440可以具有正曲率。图5示出了第四示例性介电谐振器500的侧视图。谐振器500包括圆盘510、温度补偿结构520和支座530。支座530可以具有圆柱形表面，其中支座530的垂直轴550可以垂直于圆盘510的水平轴560。如上文中所述，可以有多个支座安放在谐振器500的空腔内的各个位置上。温度补偿结构520可以具有延伸部540，该延伸部540以使得圆盘510与温度补偿结构520之间的接触表面积最大化的方式，在圆盘510周围以三维形式凸出。延伸部540可以以锥形图案，从温度补偿结构520的顶面处的最大宽度起逐渐变细，其中圆盘510的水平轴560将会垂直于圆锥的中轴。在图5的二维投影中，这个锥形表面的每个叶在圆盘510的左侧或右侧分别呈现为三角形。这两个叶不能形成完整的圆锥，因为它们不能延伸到圆盘510的远端表面以外。另外，叶可以终止于圆盘510的远端表面之下的某个点处。在任一情况下，延伸部540可以具有截锥体的形状，因此可将其描述为截头锥表面。如对于本领域中普通技术人员而言将显而易见的那样，可以使用其他形状。作为另一示例，延伸部540可以以在不使用锥形图案的情况下使得圆盘510与温度补偿结构520之间的接触表面积最大化的方式，在510周围以三维形式凸出。延伸部540可以在圆盘510周围形成杯状结构,从而吸收从圆盘510的近端表面和圆盘510的任何侧壁两者辐射的热量。因此，热量可以从圆盘510的左侧和圆盘510的右侧两者流入温度补偿结构520。由于邻接表面积可能比使用平坦的单一邻接表面时更大，因而第四示例性介电谐振器500可具有改善的热传递。图6示出了第五示例性介电谐振器600的侧视图。谐振器600包括圆盘610、温度补偿结构620和支座630。支座630可具有圆柱形表面，其中支座630的垂直轴650可以垂直于圆盘610的水平轴660。如上文中所述，可以有多个支座安放在谐振器600的空腔内的各个位置上。温度补偿结构620可以具有弯曲的延伸部640，该延伸部640安放在圆盘610的近端表面上。因此，热量将会从圆盘610的近端表面流入温度补偿结构520的内表面。由于弯曲延伸部640与圆盘610之间的邻接表面积可能比使用平坦的单一邻接表面时更大，因而第五示例性介电谐振器600可具有比第一示例性介电谐振器200更快的热传递。弯曲延伸部640可具有负高斯曲率。因此，延伸部640可以具有沿圆盘610的至少一部分安放的双曲面表面，其中双曲面表面的中轴可以垂直于圆盘610的水平轴660。延伸部640的双曲面表面还可以在朝向圆盘610的远端表面的方向上收窄。延伸部640可以具有凹曲率，并且可以延伸到圆盘610的远端表面。对于这种备选，圆盘610可以具有半球形或者椭球形的近端表面，从而以均匀的方式辐射热量。在这种情况下，延伸部640的凹曲率可匹配于圆盘610的凸的近端表面，从而允许热量迅速流出圆盘 610。图7描绘了针对示例性介电谐振器和两个常规介电谐振器的对比测试结果700。图7以图形格式提供了根据电测试结果700的模拟和测量。图中的X轴以毫秒为单位列出 时间，范围从O到70ms。图中的y轴以摄氏度为单位列出温度，范围从35°C到85°C。这些温度是在限定介电谐振器的空腔内的圆盘的中心处测量的。第一示例710描绘了第一常规介电谐振器的温度曲线。在本示例中，圆盘与其对应的支座之间的接触表面积可以是大约I. 08平方英寸。在IOms内，介电谐振器的操作导致圆盘从大约60°C升温到80°C以上。温度升高20°C可能损坏圆盘或者损害谐振器的操作。第二示例720描绘了第二常规介电谐振器的温度曲线。在本示例中，圆盘与其对应的支座之间的接触表面积可以是大约2. 65平方英寸。由于接触表面积更大，因而本领域中普通技术人员能够预期在圆盘与其支座之间会发生更加迅速的热传递。尽管如此，这种介电谐振器的操作仍然导致圆盘的温度升高到接近80°C。此类迅速的加热可能使谐振器的频率性能畸变。第三示例730描绘了具有根据本文中关于图2公开的实施方式的温度补偿结构的示例性介电谐振器的温度曲线。接触表面积为大约5. 34平方英寸，显著大于示例710或者示例720中的任一示例。虽然温度积聚仍会发生，但圆盘的温度从不会升高到75°C以上。因此，该示例性介电谐振器可以比示例710和示例720的常规谐振器有效得多。对本领域中技术人员而言应当显而易见的是，以上所描述的实施方式能够以各种组合加以使用。例如，可以将图3的延伸部340添加到图5的延伸部540。备选地，可以将图4的延伸部440添加到图6的延伸部640。用于增大接触表面积的其他合适的布置和修改对于本领域中技术人员而言将会是显而易见的。尽管通过具体参考各示例性实施方式的特定示例性方面对其做出了描述，但是应当理解，本发明能够有其他实施方式，并且其细节在各个明显方面中可以得到修改。如对本领域技术人员显而易见的那样，可以在仍然处于本发明的精神和范围内的情况下实现各种变体和修改。因此，前文的公开、描述和附图仅出于示例说明的目的，并且不以任何方式对本发明作出限制，本发明仅由权利要求书所限定。
权利要求
1.一种用于通信设备中的热传递的系统，该系统包括 介电谐振器，其在所述通信设备活动时生成热量，所述介电谐振器包括具有远端表面和近端表面的圆盘，所述圆盘位于由至少一个导电壁所限定的空腔内，其中所述圆盘不接触所述至少一个导电壁； 温度补偿结构，其具有内表面和外表面，所述温度补偿结构通过使所述内表面与所述圆盘的所述近端表面相接触而将生成的热量远离所述介电谐振器传递，其中所述温度补偿结构的所述内表面和所述圆盘的所述近端表面具有基本上相等的表面积；以及 支座，其与所述温度补偿结构相邻，该支座接收从所述温度补偿结构的所述外表面传递的热量，其中所述支座接触所述至少一个导电壁并且具有与所述圆盘中的水平轴相垂直的垂直轴。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述温度补偿结构包括 延伸部，其形状为截头体，该截头体沿所述支座的至少一部分限定截头锥表面，其中所述截头体的中轴是所述支座的所述垂直轴，并且所述截头锥表面在朝向所述至少一个导电壁的方向上沿所述支座的所述垂直轴变细。
3.根据权利要求I所述的系统，其中所述温度补偿结构包括 弯曲的延伸部，其具有沿所述支座的至少一部分安放的双曲面表面，其中所述弯曲延伸部的中轴是所述支座的所述垂直轴并且所述双曲面表面在朝向所述至少一个导电壁的方向上沿所述支座的所述垂直轴变窄。
4.根据权利要求I所述的系统，其中所述温度补偿结构包括 延伸部，其形状为截头体，该截头体沿所述圆盘的至少一部分限定截头锥表面，其中所述截头体的中轴垂直于所述圆盘的所述水平轴并且所述截头锥表面在朝向所述圆盘的顶面的方向上变细。
5.根据权利要求I所述的系统，其中所述温度补偿结构包括 弯曲的延伸部，其具有沿所述圆盘的至少一部分安放的双曲面表面，其中所述弯曲的延伸部的中轴垂直于所述圆盘的所述水平轴并且所述双曲面表面在朝向所述圆盘的顶面的方向上变窄。
6.根据权利要求I所述的系统，该系统还包括 多个支座和热补偿结构，其中每个热补偿结构的内表面从所述圆盘接收热量，并且每个热补偿结构的外表面将所接收的热量传递到相应的支座。
7.一种介电滤波器，其具有高热效率的热传递，所述介电滤波器包括 多个介电谐振器；以及 所述多个介电谐振器之间的孔，其中每个介电谐振器包括 由至少一个导电壁限定的空腔； 具有远端表面和近端表面的圆盘，其位于所述空腔内，其中所述圆盘不接触所述至少一个导电壁； 温度补偿结构，其具有内表面和外表面，该温度补偿结构通过使所述内表面与所述圆盘的所述近端表面相接触而将所生成的热量远离所述介电滤波器传递，其中所述温度补偿结构的所述内表面和所述圆盘的所述近端表面具有基本上相等的表面积；以及 支座，其处于所述温度补偿结构之下，该支座接收从所述温度补偿结构的所述外表面传递的热量，其中所述支座接触所述至少一个导电壁并且具有与所述圆盘中的水平轴相垂直的垂直轴。
8.根据权利要求7所述的介电滤波器，其中每个温度补偿结构包括 延伸部，其形状为截头体，该截头体沿所述支座的至少一部分限定截头锥表面，其中所述截头体的中轴是所述支座的所述垂直轴，并且所述截头锥表面在朝向所述至少一个导电壁的方向上沿所述支座的所述垂直轴变细。
9.根据权利要求7所述的介电滤波器，其中所述温度补偿结构包括 弯曲的延伸部，其具有沿所述支座的至少一部分安放的双曲面表面，其中所述弯曲的延伸部的中轴是所述支座的所述垂直轴并且所述双曲面表面在朝向所述至少一个导电壁的方向上沿所述支座的所述垂直轴变窄。
10.根据权利要求7所述的介电滤波器，所述介电滤波器还包括 多个支座和热补偿结构，其中每个热补偿结构的所述内表面从所述圆盘接收热量，并且每个热补偿结构的所述外表面将所接收的热量传递到相应的支座。
全文摘要
各种实施方式涉及用于在介电谐振器中使用的温度补偿结构，该温度补偿结构允许支座高热效率地迅速传递由谐振器中的中央圆盘所生成的热量。温度补偿结构可以具有延伸部，该延伸部的形状使得促进热量从圆盘流入支座，从而允许介电谐振器在不过热的情况下高功率操作。
文档编号H01P1/208GK102656743SQ201080048632
公开日2012年9月5日 申请日期2010年10月22日 优先权日2009年10月30日
发明者R·K·雷迪, 张任兴 申请人:阿尔卡特朗讯