频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波技术领域，涉及一种谐振腔，具体涉及一种利用补偿方法改善谐 振腔的谐振频率稳定度的频率稳定性谐振腔及其补偿体高度的获得方法。
【背景技术】
[0002] 谐振腔是一种适用于高频率的微波谐振元件，它是金属导体壁完全密闭的空腔， 可以将电磁波全部约束在空腔内，同时其整个大面积的金属表面又为电流提供通路，谐振 腔具有固定的谐振频率和很高的Q值。圆柱形谐振腔通常用作微波频率计，为了保证系统 的性能，圆柱形谐振腔需要能够保持稳定的谐振频率。实际的微波谐振腔随着工作时间的 增加，一方面由于谐振腔存在功率损耗，谐振腔的温度会升高；另一方面随着环境温度变 化，谐振腔的温度也会改变。温度变化会使腔体发生热膨胀。谐振腔的体积和形状发生的 微小变化，会引起谐振腔谐振频率漂移从而使设备性能发生变化，影响系统的正常工作。
[0003] 以圆柱形谐振腔为例，圆柱形谐振腔1￡""1模的谐振频率是：
[0004]
( 1)
[0005] 其中，c是真空中的光速，e 1^为介质的相对介电常数，y1^为介质的相对磁导率， P' n(x)的根，r为谐振腔的内径，h为谐振腔的高度。
[0006] 谐振腔受热膨胀后，谐振腔的尺寸r和h便会发生变化，从公式（1)可以看出，谐 振腔的谐振频率会发生偏移。常用的提高谐振腔温度稳定性的方法有两种，一是采用恒温 槽等保持谐振腔所处的环境温度恒定，但这样会增加系统复杂性，降低系统可靠性而且会 增加系统能耗；另一种是采用低膨胀系数的材料来制作谐振腔，如殷钢，线膨胀系数平均可 达1. 5 X 10 6/°C，从而减小谐振腔结构尺寸随温度的变化，这种材料做成的谐振腔的频率稳 定度是用铜或铝做成的谐振腔频率稳定度的十倍左右，然而，由于殷钢材料成本很高而且 加工困难，造成谐振腔的生产成本显著提高。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种材料和结构改进的频率稳 定性谐振腔，通过谐振腔材料及结构的改进，能够使谐振频率得到补偿，进而改善谐振腔的 谐振频率稳定度，甚至可以使谐振腔的频率稳定度比用殷钢制作的谐振腔的频率稳定度要 高，并且能有效的降低谐振腔的制作成本。
[0008] 本发明的另一目的在于提供一种获得上述频率稳定性谐振腔中补偿体高度的方 法。
[0009] 为了达到上述目的，本发明提供了一种频率稳定性谐振腔，包括腔体和补偿体；所 述腔体内部中空，构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；所述补偿体位于腔体内，构成谐振 腔的下底面。
[0010] 实施方式之一，一般谐振腔主要由两个底面和至少一个侧面构成，在本发明中，腔 体构成谐振腔的上底面和至少一个侧面；补偿体构成下底面。
[0011] 实施方式之一，为了构成一个完整的谐振腔，谐振腔可以进一步包括平板，腔体开 口的一侧以及补偿体均与平板固定连接；当然，为了能够构成一个完整的谐振腔，在本发明 的思想指导下，本领域技术人员很容易采用其它方式实现，这均落入本发明的包括范围。在 这里，为了便于腔体与平板连接，可以将腔体的外边缘向外延伸，该延伸部与平板贴合，并 固定连接。
[0012] 实施方式之一，补偿体的侧表面接近腔体的内侧面，使得补偿体的侧表面与墙体 的内侧面间的间隙小，其目的是抑制简并模式，使得模式截止，能量泄漏小，在补偿体和腔 体尺寸变化时，不考虑这方面尺寸变化对频率的影响。当腔体和补偿体均为圆柱形时，这里 应该满足的条件为补偿体的直径接近腔体的内直径；在优选的实施方式中，补偿体的侧表 面与腔体的内侧面之间的间隙占腔体内直径0. 1%~1%，其具体比值与工作频率和工作 模式有关。
[0013] 实施方式之一，补偿体材料的膨胀系数大于腔体材料的膨胀系数。利用补偿体材 料随温度变化膨胀时尺寸改变大于腔体材料膨胀时尺寸改变的特性，来减小上底面和侧面 膨胀后的频率偏移，以达到稳定频率的目的。根据对补偿体材料和腔体材料特性的限定，上 述腔体材料可以为铜；上述补偿体材料可以为镉或者表面涂覆银层的塑料。平板材料可以 与腔体材料相同。在本发明的指导思想下，本领域技术人员可以根据采用的具体谐振腔，来 选择合适的补偿体材料。
[0014] 实施方式之一，腔体和补偿体可以均设置为圆柱形。当谐振腔腔体高度为氏、补偿 体高度为氏，且氏-11 3=30.7臟时，H3的取值范围为：150臟<H3< 170臟。
[0015] 实施方式之一，腔体与平板以及补偿体与平板之间通过螺钉连接。在这里螺钉起 固定作用，本领域的技术人员也可以选择其它常用的固定连接方式。
[0016] 本发明进一步提供了一种获得上述频率稳定性谐振腔中补偿体高度的方法，对于 设定谐振频率fc的的圆柱形谐振腔，采用模式为TE^模，腔体高度为H，内半径为R，包括以 下步骤：
[0017] S1，假定谐振腔采用殷钢制作时，殷钢的线膨胀系数为ai，在温度变化At，腔体 高度变化AHi和半径变化A1^为：
[0018] AHi=a:AtH (4)
[0019] AR1=a:AtR (5)
[0020] 腔体膨胀后的谐振频率为：
[0021]
(6>
[0022] 频率偏移为：
[0023]
[0024] S2,对于采用膨胀系数小的材料作腔体，膨胀系数大的材料作补偿体时，设腔体材 料的线膨胀系数为a2，腔体高度为H2，腔体的内半径为R，补偿体的线膨胀系数为a3，高 度为H3，有如下关系：
[0025] H2-H3=H
[0026] 在温度变化At，谐振腔腔体的高度变化值AH2和半径变化AR2为：
[0027] AH2= a2AtH2 (8)
[0028] AR2= a2AtR (9)
[0029] 补偿体的高度变化值A113为：
[0030] AH3=a3AtH3 (10)
[0031] 则谐振腔的高度变化AH和谐振腔的半径变化AR为：
[0032] AH= AH2-AH3 (11)
[0033] AR= AR2 (12)
[0034] 谐振腔膨胀后的谐振频率为：
[0038] S3,通过matlab分析，当使用补偿体制作的谐振腔的频率偏移小于使用殷钢制作 的谐振腔腔的频率偏移时，即得到补偿体的高度。
[0039] 通过上述方法，只要知道腔体、补偿体的材料以及谐振腔的尺寸，便可很容易得到 所需要的补偿体的高度，进而制作出满足要求的谐振腔。
[0040] 本发明提供的频率稳定性谐振腔具有以下至少一项有益效果：
[0041] 1、通过合理的选择补偿体材料以及设置补偿体的尺寸，可以提高谐振腔的频率稳 定性；
[0042] 2、补偿体材料可以选择易于加工或成本低廉的材料，以实现高频率稳定性谐振 腔，并且极大的降低了谐振腔的制作成本。
【附图说明】
[0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
[0044] 图1为本发明提供的一个实施例的频率稳定性谐振腔的剖面示意图。
[0045] 其中，1、补偿体，2、腔体，3、平板，4、螺钉。
【具体实施方式】
[0046] 以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描 述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本 发明所保护的范围。
[0047] 本实施例以圆柱形的频率稳定性谐振腔为例，图1给出该谐振腔的沿轴向的剖面 示意图。
[0048] 该谐振腔的上底面和侧面为一体，构成腔体2,腔体2可以采用铜制作，铜的膨胀 系数平均为17. 5X 10 6/°C;下底面为补偿体1，补偿体1可以采用膨胀系数高于腔体2材 料的其它材料制作。本实施例中采用的是膨胀系数高于铜的材料镉，镉的膨胀系数平均为 41 X 10