高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器及设计方法

摘要

本发明公开了一种高精度低温漂的宽带可调谐X波段腔体滤波器设计方法，属于H01P1/20选频器件领域。本方法具体为：一、滤波器包括波导输入接口、输入波导转换器、滤波器主腔体、调谐传动机构和SMA输出接口，采用多腔体可调滤波器的腔体建立滤波器主腔体模型；二、推导出腔体各个结构的温漂影响因子N的等式，通过调整各个结构的尺寸和材料得出了低温漂的腔体；三、将波导输入接口通过输入波导转换器连接至滤波器主腔体，SMA输出接口置于滤波器主腔体上；四、将螺旋测微器去掉U型框架和U型框架上的固定小砧，获得调谐传动机构；调节螺杆与活塞固连。本发明所设计的滤波器能够适用于但不仅限于对接设备舱前端，便于设备舱前端输出频率进行选频、滤波。

说明书

技术领域

本发明属于H01P1/20选频器件领域。

背景技术

双模圆波导宽带可调谐带通滤波器是微波功率计中的关键部件，位于功率 计的最前端，用于对输入的微波信号进行选频、滤波，以便位于其后的信号主 通道进行衰减、放大、检波以测量输入微波信号的功率。

在进行滤波器设计时，一般依据中心频率、通带带宽、带内插损、带外抑 制等指标选择合适的实现形式和函数类型，例如需要设计一个X波段的带通滤 波器，如选用平面微带结构实现，其损耗将十分明显，可考虑使用波导腔体结 构实现。波导腔体滤波器因其具有结构坚固、工作频段高、损耗低、承受功率 高等特点，在各种军用、民用电子系统中具有极其广泛的应用。对于适用于设 备舱前端输出频率选频、滤波的滤波器设计，应考虑进一步减小滤波器的尺寸 和体积，例如可选用双模圆波导宽带可调谐带通滤波器利用波导腔的双模原理， 采用一腔双模的工作方式，将物理的一腔等效于两个谐振器，因此可将滤波器 的体积减小一半。

然而对于单腔体双模圆波导腔体滤波器来说，其圆柱形腔体带有活塞，通 常需要通过移动活塞来调整腔体体积，以此来调整腔体滤波器集总电容的大小， 则要实现腔体滤波器的滤波精度，必须控制腔体活塞的调整精度，传统的对腔 体活塞的调整使用人工移动活塞并根据活塞刻度来实现量化调整，这种活塞调 整方式不能够满足高精度滤波的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了高精度的宽带调节范围X波段腔体滤波器设计方 法，使用该方法所设计的腔体滤波器其调节精度高，并能够有效抑制腔体滤波 器温度漂移，提高了腔体滤波器的稳定度。

为解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案为：

高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器，包括波导转换器、输入波导转换 器、滤波器主腔体、调谐传动机构和SMA输出接口；

所述滤波器主腔体包括圆柱腔、位于圆柱腔开口处的活塞和由圆柱腔的外 表面伸入到圆柱腔内部调谐螺钉；

所述调谐传动机构包括调节螺杆、粗调旋钮、微调旋钮、可动刻度盘以及 固定刻度盘，即为将螺旋测微器去掉U型框架和固定小砧的剩余部分；

所述波导输入接口通过输入波导转换器与圆柱腔连接，SMA输出接口位于 圆柱腔上，调谐传动机构固定于滤波器主腔体带有活塞的一端，调节螺杆与活 塞固连。

进一步地，调谐传动机构采用一级螺旋测微器，刻度精度为0.01。

本发明还提供了一种高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器设计方法，具 体步骤为：

步骤一、建立如上所述的高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器的模型；

步骤二、所述步骤一建立的滤波器模型的部分结构尺寸随温度变化对滤波 器主腔体的本征频率产生影响，该部分结构包括：圆柱腔、调节螺杆以及调谐 螺钉，建立如下等式：

$N=\underset{1}{\overset{i}{\Sigma }}\frac{\Delta f_i}{f_0}=\underset{1}{\overset{i}{\Sigma }}\frac{\Delta x_i}{x_0}{M}_i{x}_i$

对于滤波器中的结构A_i，f₀为A_i没有尺寸变化时主腔体的谐振频率，x₀为 A_i的基本尺寸，△x_i为温度变化而引起的A_i的尺寸x_i的改变量，Δf_i为△x_i引起 的主腔体谐振频率的变化量，M_i为A_i的尺寸的频率灵敏度系数；

N为温漂影响因子，滤波器模型固定之后，调整各结构所使用的材料，使N 值趋于零，得出低温漂的腔体；

步骤三、采用步骤二中得出的部分结构所使用的材料制作高精度的宽带可 调谐X波段腔体滤波器。

进一步地，步骤二中的部分结构的尺寸具体为:

对于圆柱腔，使用圆柱腔整体的体积作为其尺寸进行计算；

对于调节螺杆，使用其全长的长度为其尺寸进行计算；

对于调谐螺钉，使用其全长的长度作为其尺寸进行计算。

有益效果：

1、本发明使用双模圆波导腔，配合螺旋测微头的使用，实现了对腔体活塞 的精确调整，所采用的螺旋测微头其游标调整精度到达0.01mm，从而提高了腔 体滤波器的调节精度，真正实现了腔体滤波器的小型化，精密化设计；

2、本发明采用温度补偿技术，通过研究各结构的温度效应对于腔体本征频 率的影响，建立了抵消温漂的模型，得出了低温漂的腔体，使得腔体滤波器具 有更高的稳定性。

附图说明

图1为本发明双模圆波导腔体滤波器结构图；

图2为本发明双模圆波导腔体滤波器原理示意图；

1-波导转换器、2-输入波导、3-圆柱腔、4-活塞、5-调谐螺钉、6-调节螺杆、 7-粗调旋钮、8-微调旋钮、9-可动刻度盘、10-固定刻度盘、11-紧固螺钉、12-SMA 输出接口。

具体实施方式

下面结合附图并举具体实施例针对本发明作进一步的详细说明：

本发明所提供的高精度的宽带调节范围X波段腔体滤波器，包括波导转换 器1、输入波导2、滤波器主腔体、调谐传动机构和SMA输出接口12。

滤波器主腔体包括圆柱腔3、活塞4、调谐螺钉5；其中活塞4位于圆柱腔 3开口处，调谐螺钉5由圆柱腔3外表面伸入到腔体内部。

在本实施例中，采用单腔体多模可调滤波器的腔体作为滤波器主腔体，其 中圆柱腔3通过活塞4与外部隔离，活塞4的位置的上下移动可控制圆柱腔3 的体积大小，由单腔体多模可调滤波器的腔体的性质，腔体体积的大小决定了 腔体的集总电容的大小，而腔体的集总电容的大小决定了腔体滤波器的输出中 心频率，因此通过调节活塞4可以调节滤波器主腔体的输出中心频率。

调谐螺钉5具有一定的长度，其伸入到圆柱腔3中长度的多少也会对滤波 器腔体的集总电容的大小产生影响。

调谐传动机构采用螺旋测微器的部分结构，包括调节螺杆6、粗调旋钮7、 微调旋钮8、可动刻度盘9以及固定刻度盘10，即将螺旋测微器去掉其U型框 架以及固定于U型框架上的固定小砧构成调谐传动结构。

波导转换器1通过输入波导2与圆柱腔3连接，SMA输出接口12位于圆柱 腔3上，调谐传动机构固定于滤波器主腔体带有活塞4的一端，本实施例中使 用紧固螺钉11将调谐传动机构与腔体滤波器一端固连，调节螺杆6与活塞4固 连。

本实施例中波导转换器1包括顺次连接的转接头和环形器，其中转接头用 来实现与设备舱专用输出设备的连接；环形器用于改善滤波器的输入驻波。本 实施例中环形器连接输入波导2。

本实施例中输入波导2为信号输入通道。

本实施例中的调谐传动机构采用一级螺旋测微器，刻度精度为0.01，旋转 粗调旋钮可对活塞的位置进行初步调节，旋转微调旋钮可以实现对活塞的位置 的细微调节。

分析上述结构，根据螺旋测微器的工作原理可知，通过旋转螺旋测微头的 粗调旋钮7和微调旋钮8能够精确定量地使调节螺杆6伸长或缩短，将调谐传 动机构固定于滤波器主腔体带有活塞4的一端，并使调节螺杆6与活塞4固定 为一体，则调节调谐传动机构的粗调旋钮7和微调旋钮8，可以实现对活塞4的 上下移动的控制，从而达到调节腔体滤波器的集总电容的大小的目的，进而改 变腔体滤波器的输出中心频率。

本发明还提供了一种高精度的宽带调节范围X波段腔体滤波器设计方法， 其具体步骤如下：

步骤1、依据上述方案建立高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器的模型， 其中采用单腔体多模可调滤波器的腔体作为滤波器主腔体，在本实施例中可采 用双模圆波导宽带可调谐带通滤波器的腔体作为滤波器主腔体。

步骤2、为降低腔体滤波器的温漂，本实施例采用温度补偿技术，推导出滤 波器各结构的的温漂影响因子，建立了抵消温漂的模型，得出了低温漂的腔体， 制作出高稳定性、高精度的滤波器主腔体。

针对现有的腔体滤波器腔体模型，其调谐螺钉以及外腔体的温度效应均对 腔体的谐振频率造成一定的影响，且对于双模圆波导腔体滤波器来说各结构尺 寸随温度变化对谐振频率的影响不相同，这导致腔体滤波器易产生温度漂移。

而在依据上述方案建立的高精度的宽带可调谐X波段腔体滤波器的模型 中，调节螺杆6的长度控制了活塞4的位置，并且在实验中发现调节螺杆6的 温度效应也对腔体的谐振频率造成一定影响。

由此可建立抵消温漂的模型建立具体如下：

腔体滤波器的圆柱腔3、调节螺杆6以及调谐螺钉5随温度变化都会产生一 定的尺寸变化，这对腔体谐振频率造成一定的影响。在本实施例中由于各结构 尺寸随温度变化对谐振频率的影响各不相同，有使谐振频率上升的，也有使谐 振频率下降的，且改变量也不尽相同，谐振频率随着温度的变化而变化即为腔 体滤波器产生了温漂，温漂较大的腔体稳定性较差。

为降低温漂，对于上述圆柱腔3、调节螺杆6以及调谐螺钉5结构，根据其 随温度变化的尺寸变化值，采用如下等式进行温漂影响因子的计算：

$\frac{{\mathrm{\Delta f}}_i}{f_0}=\frac{{\mathrm{\Delta x}}_i}{x_0}{\mathrm{Mx}}_i$

对于滤波器的某一结构，f₀为该结构没有尺寸变化时腔体的谐振频率，x₀为 该结构的基本尺寸，△x_i为温度变化而引起的该结构尺寸x_i的改变量，Δf_i为△x_i引起的腔体谐振频率的变化量，M为x_i尺寸的频率灵敏度系数。

整个腔体滤波器的腔体谐振频率随温度变化可用下式表示：

$\underset{i}{\Sigma }\frac{{\mathrm{\Delta f}}_i}{f_0}=\underset{i}{\Sigma }\frac{{\mathrm{\Delta x}}_i}{x_0}{\mathrm{Mx}}_i$

滤波器模型建立后，x_i即被确定，而Mx_i是x_i相关联的量，也即被确定。只 有△x_i是与材料的温度系数和温度变化量相关联的量。

令即N为温漂影响因子。调整滤波器模型所使用的 材料，使N值趋于零，使得滤波器腔体温漂较低。

在本实施例中，通过对圆柱腔3、调节螺杆6以及调谐螺钉5等结构进行分 析，当温度变化时，每个结构的长度、直径和体积的变化率各不相同，因此本 实施例中采用如下措施：针对圆柱腔3，使用其内腔整体的体积作为其尺寸进行 计算；针对调节螺杆6，使用其全长的长度为其尺寸进行计算；针对调谐螺钉5， 使用其全长的长度作为其尺寸进行计算；将上述计算的结果求和即得到温漂影 响因子N。

步骤3、制作滤波器，即根据步骤1中的高精度的宽带可调谐X波段腔体 滤波器的模型制作滤波器，其中滤波器中的调谐螺钉5、调节螺杆6以及圆柱腔 3所使用的材料采用步骤二中得出的各结构所使用的材料。

经过以上步骤所设计的高精度低温漂的宽带调节范围X波段腔体滤波器， 其滤波流程如图2所示：输入信号通过波导转换器1和输入波导2输入圆波导 滤波器主腔体；滤波器主腔体采用单腔体双模圆波导腔体滤波器，通过调节调 谐传动结构实现对滤波器主腔体集总电容的精确控制，实现对中心频率的调节。 滤波后的波导由SMA输出接口输出，腔体滤波器通过SMA输出接口与后续的 组件进行连接。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。