具有热传输装置的频率空腔谐振器

摘要

一种RF空腔谐振器(400)，包括用于容纳RF场的谐振器腔(410)；耦合到该谐振器腔的RF耦合元件(450，452)，用于将RF场引导到谐振器腔中和从谐振器腔提取RF场；使RF场以所需的频率谐振的调谐组件(420)，其中该调谐组件的至少一部分耦合在谐振器腔内；以及传输来自RF空腔谐振器的热量的热传输元件(440)，其中该热传输元件的至少一部分耦合在谐振器腔内，该热传输元件包括相变材料、用于封闭该相变材料的壳体、循环壳体内该相变材料的装置和隔离该相变材料和RF场的导电表面。

说明书

技术领域

本发明通常涉及射频空腔谐振器，并且更具体地涉及具有热传输装置的RF空腔谐振器。

背景技术

RF空腔谐振器用在包括放大器、滤波器和振荡器的多种应用中。作为滤波器，RF空腔谐振器可以用在例如发射器和接收器的装置中。当用在大功率应用中，例如在发射器中，一些RF空腔谐振器的基本部分通常要经受极端的温度变化。例如，当将电源引入到RF空腔谐振器中时，这些基本部分可以加热到负面影响RF空腔谐振器的性能的温度。这通常将导致RF空腔谐振器的谐振频率变得不稳定，由此影响包括RF空腔谐振器的RF设备的性能。如果RF空腔谐振器还运行在高环境温度中，这将使稳定性问题变得更坏。而且，在最坏的情形中，RF空腔谐振器的基本部件可以加热到故障点。

为了处理在大功率和高环境温度条件下RF空腔谐振器的不稳定性，RF设备设计者可以在包含RF空腔谐振器的产品的功率处理能力和运行温度之间折衷。然而，这反过来导致了产品的性能规范的损害。还可以在RF空腔谐振器设计中使用已知的温度补偿技术。然而，这些技术可以使用稍微增加产品尺寸和重量的挤压散热器。而且，这些设计技术通常导致增加的设计周期时间，并且在制造工艺中还需要重要的预处理，这增加了最终产品的成本。另外，常规温度补偿技术一般不提供对于产品的整个运行范围的解决方案。

因此，存在对于包括热传输机构的RF空腔谐振器的需求。希望的是热传输机构既不损害RF空腔谐振器的运行范围，也不明显增加包括RF空腔谐振器的设备的尺寸、成本或者设计周期时间。

附图说明

现在仅仅借助于实例，参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1描述了根据本发明实施例的RF空腔谐振器的横截面图；

图2描述了包含用于传输来自图1的RF空腔谐振器的热量的导热管的调谐组件的轴视图；

图3描述了可以包含在图2的调谐组件中的锁紧螺母的轴视图；

图4描述了根据本发明另一实施例的RF空腔谐振器的横截面图；

图5描述了在图4的RF空腔谐振器中使用的电介质基座的图；

图6描述了在图4的RF空腔谐振器中使用的电介质基座的底侧视图；以及

图7描述了根据本发明另一实施例的RF空腔谐振器的横截面图。

具体实施方式

尽管该发明容许有很多不同形式的实施例，它们在图中示出并将在这里以具体特定的实施例描述，但是可以理解的是，当前公开的应当认为是本发明原理的实例并不意味着将本发明局限到所示的和所述的特定实施例。而且，这里使用的术语和词语不应当认为是限制性的，而只是描述性的。还将理解的是，为了描述的简单和清楚，图中所示的元件没必要按规定比例画出。例如，一些元件的尺寸彼此相对放大了。而且，在认为适当的地方，已经在图中重复了附图标记以表示相应的元件。

图1描述了根据本发明实施例的RF空腔谐振器100的横截面图。RF空腔谐振器100包括通常具有盖112的谐振器腔110。谐振器腔110内部是用于容纳具有给定谐振频率的RF场的空腔。谐振器腔可以由任何适当的材料例如铜、铝或者具有包括金属化塑料的导电表面的任何物质构成。可以使用任何适当的装置将盖112固定到谐振器腔，例如包括将盖焊接和/或铆接到谐振器腔。

RF空腔谐振器的谐振频率强烈地依赖于谐振器腔的几何形状。因此，很难制造具有精确谐振频率的谐振器腔。而且，对于终端用户存在着能够将空腔的谐振频率调整为和所给的指定运行频率一致的必要。因此，RF空腔谐振器100还包括调谐组件120，其包括调节谐振器腔110的谐振频率的元件的集合，使得腔中的RF场以所需的频率谐振。图1中描述为调谐组件120的元件是调谐杆122，它的一部分延伸到谐振器腔，以及耦合到谐振器腔内部中的调谐杆的端部的调谐元件124。通常，调谐元件124具有平面形状，例如电容盘。然而，本领域普通技术人员将意识到，调谐元件124可以具有不同的形状，例如抛物线，其中调谐元件124的形状依赖于运行的需要。为了描述的简单，没有在图1中描述调谐组件120的其它元件，但是将参考图2具体描述。在该实施例中，调节调谐组件120相对于谐振器腔110中的RF场调节调谐元件124进和出，将谐振器腔的谐振调节为所需的频率。

RF空腔谐振器100还包括RF耦合元件，在该实施例中该耦合原件包括RF耦合环130和RF连接器132。传输模式(两个端口)的RF空腔谐振器使用具有电连接的耦合环130的RF连接器132，以将RF场引入谐振器腔110中和从谐振器腔110中取得RF场。反射模式(一个端口)的RF空腔谐振器使用具有一个电连接的谐振器腔110的一个RF连接器132，通过该耦合环将RF场引入谐振器腔110中和从谐振器腔110中取得RF场。这里公开的本发明可应用于传输模式和反射模式RF空腔谐振器。本领域普通技术人员将认识到存在RF耦合元件的其它实施例，用于将RF电场引入到RF空腔谐振器中和从RF空腔谐振器取得RF场，例如孔径耦合元件或者至少一个微波传输带元件和耦合到微波传输带元件的至少一个RF连接器。

RF空腔谐振器100包括根据本发明实施例的热传输元件，用于传输来自RF空腔谐振器的热量。包括该热传输元件能够在较高水平的RF功率或者较高的环境温度实现RF空腔谐振器的功能性，或者在任意水平RF功率和环境温度提供改善的频率稳定性和可靠性。热传输元件的至少一部分可操作地耦合在谐振腔110内部，并且该热传输元件包括相变材料、封闭相变材料的壳体、循环壳体内相变材料的装置以及隔离相变材料和RF场的导电表面。在RF空腔谐振器实施例100中，由于谐振器空腔中的功率耗散导致的最大热通量通常在调谐元件124中。因此，所希望的是包含在RF空腔谐振器100中的热传输元件将产生的热量从调谐元件传输到谐振器腔外面的周围空气中。例如这可以使用包含到图2所示的调谐组件中的热传输元件的实施例来完成。

图2描述了用在图1的RF空腔谐振器中的调谐组件220的轴视图，并且其包含用于RF空腔谐振器100的热传输元件。调谐组件220包括常规的元件：具有第一端和第二端的调谐杆222；在第一端耦合到调谐杆222的调谐元件224；围绕调谐杆222的至少一部分的调谐杆支持240；围绕调谐杆222的至少一部分并朝调谐杆支撑240紧固的锁紧螺母250，用于将调谐元件224锁定在达到所需谐振频率时的位置；和在第二端耦合到调谐杆222的调谐旋钮260，用于调节该调谐元件进出以达到所需的谐振频率。

调谐组件220还包括热传输元件，例如对于RF空腔谐振器100，其包括至少一个导热管232并且在该实施例中其包括多个导热管232。导热管232被调谐杆222围绕并理想地从调谐杆的一端延伸到另一端，使得导热管以所需的热传输方向定位。导热管232可以是任何适当的导热管，其具有理想地防漏的容器或者壳体、在容器内的相变材料和循环壳体内相变材料的装置。

壳体可以由材料例如铜、铜合金、黄铜、磷青铜、殷钢或者具有导电表面的任何材料包括金属化塑料构成。对于壳体材料的选择是下列因素的函数，例如：和相变材料与壳体外部环境的兼容性；强度和重量比；热导率；热膨胀系数；容易制造，包括焊接、加工性和延伸性；多孔性；可湿性等等。在该实施例中，相变材料通常是在热传输过程中变成气体(也就是，液体-气体材料)的液体，并可以是任何适当的液体-气体材料，例如水、氟里昂、氨或者二醇制剂等，例如乙二醇或者丙二醇。

循环壳体内相变材料的装置可以是任何适当的装置，例如重力(取决于调谐元件相对于热通量的区域的定向)或者表面张力馈送设备或者二者，表面张力馈送设备例如是灯芯效应设备，该灯芯效应设备可以是由具有多个孔径尺寸范围的材料，例如钢、镍、铝、铜、塑料等构成(该灯芯效应设备的使用与定向无关)。表面张力馈送设备的基本功能是产生表面张力压力，以循环壳体内的相变材料。

导热管的一部分延伸到谐振器腔前面板210的内部，并且一部分位于谐振器腔前面板210的外部，通常是将来自谐振器腔内部的热量传送到谐振器腔外部的环境空气中(或者在其它的实施中传输到散热器或者其它的散热元件中，等等)。因此，在该实施例中，由于最大热通量的区域通常是调谐元件224，所以导热管理想地耦合到调谐元件224，以将来自该元件的热量传输到谐振器腔外部的环境空气中。本领域普通技术人员将意识到，在替换实施例中，导热管可以延伸到调谐元件224中，以进一步增强来自调谐元件224的热传输。

图2中所示的热传输元件还包括在谐振器腔前面板210内部的将相变材料和RF场隔开的导电表面。在该实施例中，延伸到谐振器腔前面板210内部中的调谐杆222的至少一部分可以由具有导电表面的适当材料构成，例如铸造金属、铸造导电和导热树脂、陶瓷和其组合物。用于导热管的壳体还可以或者可替换地可以由和导电表面相同的材料构成。由于该导电表面隔离相变材料和谐振器腔的RF场，所以热传输功能性对于RF空腔谐振器功能性是透明的，并不干扰谐振器性能。

理想地，图2中所示的热传输元件还包括一个或者多个表面膨胀元件，以进一步增强热量传输到谐振器腔外面的环境空气中。这些表面膨胀元件在图2中示出(但是没有标出)并进一步在图3中示出。因此，图3示出了可以包括在例如图2的调谐组件中的锁紧螺母300。锁紧螺母300示为具有上侧310和下侧320以及例如使用压入配合方法或者铸造工艺通过锁紧螺母的上侧310和下侧320理想地耦合的多个表面膨胀元件330。可替换地，表面膨胀元件330可以耦合到锁紧螺母的上侧310和下侧320或者只耦合到其中的一侧。

而且，表面膨胀元件(和锁紧螺母的剩余部分)可以由任何适当材料制成，例如铜、铜合金等等，并可以具有可能依赖于一些因素(例如锁紧螺母侧面的表面面积、基本上不依赖于物理方向有效地将热量传输到环境空气中的能力)的尺寸和形状。除了只增加锁紧螺母的表面面积以更大地影响热量传输到环境空气中之外，最佳表面膨胀表面元件设计包括表面轮廓和过渡半径的实施，以促进环境空气在膨胀的锁紧螺母表面上均匀地流动。

本领域普通技术人员将意识到，尽管图2和图3示出了包含在锁紧螺母中的热传输元件，但是热传输元件可以合并到谐振器腔外部的调谐组件的单独组成的任意一个(也就是调谐旋扭、调谐杆支撑或者具有相似功能的锁紧螺母或者元件)中或者其任意组合中。本领域普通技术人员还将意识到，代替使用导热管，在本发明的另一个实施例中，可以通过将调谐杆用作具有容纳相变材料的一个或者多个中空腔的壳体以及循环相变材料的装置来构成热传输元件。因此，延伸到谐振器腔中的壳体的该部分通常是由适当的导电材料或者具有导电表面的导热材料构成。调谐元件同样可以由导电材料构成，并具有包含相变材料的一个或者多个腔和用于循环该材料的伴随装置。还有，本领域普通技术人员将意识到，相变材料可以可替换地是在热传输过程中从固态到液态或者从固态到气态地改变它的相的一种材料。

最后，尽管图2和图3描述了手动调谐组件和它的相关元件，但是这里公开的本发明同样可应用于自动调谐空腔谐振器系统中。在这个实施例中，电机元件，例如步进电机，可以包含在调谐组件中。可以和调谐旋扭、调谐杆支撑和锁紧螺母的任意组合一起使用步进电机，最简单的实施例是锁紧螺母对着调谐旋钮拧紧以及电机耦合到调谐旋钮，例如以在谐振器腔内驱动调谐元件进和出。然而，本领域普通技术人员将意识到，在其它实施例中，步进电机可以代替调谐旋钮、调谐杆支撑和锁紧螺母或者其任意组合。其中，如果省略了锁紧螺母，那么热传输元件可替换地包括在具有和锁紧螺母相似的散热能力的元件中，其可以耦合到调谐电极并围绕调谐杆的至少一部分。例如，热传输元件可以和下面参考图7具体描述的基座734具有类似的设计和散热功能。

图4表示根据本发明另一个实施例的RF空腔谐振器400的横截面图。RF空腔谐振器400包括谐振器腔410，该谐振器腔通常具有盖142并还理想地具有在设计和功能上类似于图1中同样标注的元件耦合环450和RF连接器452，为了简明这里不再重复对其的描述。RF空腔谐振器400还包括调谐组件420，该组件至少包括常规的元件：具有第一端和第二端的调谐杆422；在第一端耦合到调谐杆422的调谐元件424；围绕调谐杆422的至少一部分的调谐杆支撑(未示出)；围绕调谐杆422的至少一部分并朝着调谐杆支撑紧固的锁紧螺母(未示出)，用于将调谐元件424锁定在达到所需谐振频率的位置；以及在第二端耦合到调谐杆422的调谐旋扭(未示出)，用于调节调谐元件424进和出以达到所需的谐振频率。

RF空腔谐振器400还包括用于将RF场汇集在谐振器腔中的电介质元件430和耦合到电介质元件430以支撑该元件的基座440。基座440的一部分延伸到谐振器腔410的内部，其通常是设置基座的唯一区域。然而根据本发明，基座440的一部分还设置在谐振器腔410的外部，以增强热传输，这将在下面具体解释。例如该两部分通常可以借助铸造工艺由任何一种适当材料形成为一体，然而，根据实施方式它们可以至少包括两段。

在该实施例中，最大热通量的区域通常是电介质元件。因此，对于该实施例理想的热传输元件耦合到电介质元件。在一个实施例中，至少一个导热管442和优选地多个导热管442封闭在基座440内部，并包括用于RF空腔谐振器400的热传输元件。导热管442可以是任何适当的导热管，具有理想防漏的容器或者壳体、在容器内的相变材料和循环壳体内相变材料的装置。上面参考图1和2对适当导热管的具体说明进行了描述，为了简明将不在这里重复。导热管442理想地从基座440的一端延伸到另一端，使得导热管沿着所需的热传输路径定向。因此，一部分导热管延伸到谐振器腔410内部，一部分延伸到谐振器腔410的外部，以有助于将来自电介质元件430的热量传输到例如环境空气中，设置在谐振器腔410外部的散热器等等。

RF空腔谐振器400的热传输元件还包括用于隔离导热管和包含在谐振器腔410内的RF场的导电表面。理想地，热传输元件的导电表面是构成在谐振器腔内延伸的基座440的至少一部分的材料。该材料可以是如上面参考图1所述的任何适当材料，为了简明将不再这里重复。该基座在腔之外的部分可以由相同或者不同的材料构成。

本领域普通技术人员将意识到，代替使用导热管，在本发明的另一个实施例中，可以将基座用作具有容纳相变材料的一个或者多个中空腔的壳体和用于循环相变材料的装置来构成热传输元件。因此，延伸到谐振器腔中的壳体的该部分通常将由适当的导电材料或者具有导电表面的导热材料构成。本领域普通技术人员还将意识到，相变材料可以替换地是在热传输过程中从固态到液态或者从固态到气态的改变它的相的材料。而且，对于图4中描述的本发明实施例的热传输元件还可以以类似于上面参考图2和图3所述的方式包括在调谐组件中。

图5说明具有导热管442的基座440的视图以及图6说明具有导热管442的基座440的底视图。在该实施例中，基座440的底部理想地以触角状延伸到表面区域，并提供设置在谐振器腔外部基座的该部分的表面轮廓和过渡半径，以促进环境空气在触角上面均匀地流动。这增强了热传输，其以类似于如上面参考图2和3所述的，使用锁紧螺母上的表面膨胀元件增强热传输的方式。理想地，导热管从基座的顶部延伸到基座底部的触角中，以最大化热传输。

图7描述了根据本发明另一个实施例的RF空腔谐振器700的横截面图。RF空腔谐振器700包括谐振器腔710，该谐振器腔通常具有盖712并还理想地具有耦合环740以及RF连接器742，它们在设计和功能上类似于图1中同样标注的元件，为了简明这里将不再重复对其的描述。RF空腔谐振器700还包含调谐组件720，该组件至少包括常规元件：具有第一端和第二端的调谐杆722；在第一端耦合到调谐杆722的调谐元件724；围绕调谐杆722的至少一部分的调谐杆支撑(未示出)；围绕调谐杆722的至少一部分并朝着调谐杆支撑紧固的锁紧螺母(未示出)，用于将调谐元件724锁定在达到所需谐振频率的地方；以及在第二端耦合到调谐杆722的调谐旋扭(未示出)，用于调节调谐元件724进和出以达到所需的谐振频率。

RF空腔谐振器700还包括用于将RF场汇集在谐振器腔中的谐振器杆730。谐振器杆730延伸到谐振器腔710的内部。根据本发明，RF空腔谐振器700还包括基座734，该基座耦合到谐振器杆730并位于谐振器腔710的外部，以增强热传输，这将在下面具体解释。谐振器杆730和基座734通常可以借助铸造工艺由任何一种适当材料形成为一体，但是根据实施方式，它们可以由至少两段构成。而且理想地，可以以类似于在谐振器腔410的外部并在上面参考图5和6具体描述的基座440的部分的形状形成基座734，为了简明这里将不再对其重复描述。

在该实施例中，最大热通量的区域通常是谐振器杆。因此理想地，该实施例的热传输元件耦合到谐振器杆。在一个实施例中，至少一个导热管736和优选地多个导热管736封闭在谐振器杆730和基座734内部，并包括用于RF空腔谐振器700的热传输元件。导热管736可以是任何适当的导热管，具有理想防漏的容器或者壳体、在容器内的相变材料和用于循环壳体内相变材料的装置。上面参考图1和2对适当导热管的具体说明进行了描述，为了简明将不在这里重复。导热管736理想地从谐振器杆730的顶端延伸到基座734的底端，使得导热管沿着所需的热传输路径定向。因此，一部分导热管延伸到谐振器腔710内部，一部分延伸到谐振器腔710的外部，以有助于将热量从谐振器腔730传输到例如环境空气中，位于在谐振器腔710外部的散热器等等。

RF空腔谐振器700的热传输元件还包括用于隔离导热管和包含在谐振器腔710内的RF场的导电表面。通常，热传输元件的导电表面是构成谐振器杆730的材料。该材料可以是如上面参考图1所述的任何适当材料，为了简明将不再这里重复。腔外部的基座734可以由相同的或者不同的材料构成。

本领域普通技术人员将意识到，代替使用导热管，在本发明的另一个实施例中，可以将例如谐振器杆和基座用作具有用于容纳相变材料的一个或者多个中空腔的壳体和用于循环相变材料的装置来构成热传输元件。因此，延伸到谐振器腔中的壳体的部分通常是由适当的导电材料或者具有导电表面的导热材料构成。本领域普通技术人员还将意识到相变材料可以替换地是在热传输过程中从固态到液态或者从固态到气态改变它的相的材料。而且，对于图7中描述的本发明实施例的热传输元件还可以以类似于上面参考图2和图3所述的方式包括在调谐组件中。

尽管已经结合特定的实施例对本发明进行了描述，但是附加的优点和变形对于本领域技术人员是很容易想到的。因此广义来说，本发明不局限于所示出的和所描述的特定细节、有代表性的装置和说明性的例子。根据前面的描述，多种变化、变形和改变对于本领域技术人员是显而易见的。因此，应当理解的是，本发明不应受到前面说明的限制，而是包含按照所附权利要求的精神和范围的所有变化、变形和改变。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种射频(RF)空腔谐振器，包括：

用于容纳RF场的谐振器腔；

耦合到该谐振器腔的RF耦合元件，用于将RF场引入到谐振器腔中和从该谐振器腔提取RF场；

导致RF场以所需的频率谐振的调谐组件，其中该调谐组件的至少一部分耦合在该谐振器腔内；以及

用于传输来自该RF空腔谐振器的热量的热传输元件，其中该热传输元件的至少一部分耦合在该谐振器腔中，该热传输元件包括相变材料、用于封闭该相变材料的壳体、用于循环该壳体内相变材料的装置以及用于隔离该相变材料和该RF场的导电表面。

2.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中该热传输元件包括至少一个导热管。

3.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中：

该相变材料是水、氟里昂、氨和二醇制剂中的一种；

用于循环的装置是重力和表面张力馈送设备中的至少一种；以及

该导电表面是金属、陶瓷和树脂中的至少一种。

4.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，还包括：

在谐振器腔室内的电介质元件，用于汇集该RF场；和

具有在该谐振器腔室内的一部分并耦合到该电介质元件的基座，用于支撑该电介质元件，其中该热传输元件包括在该基座中。

5.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中用于容纳该相变材料的该壳体的至少一部分由该导电表面构成。

6.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中该调谐组件包括：

调谐杆，具有第一端和第二端；

调谐元件，在谐振器腔内在该第一端耦合到该调谐杆；

调谐杆支撑，围绕该调谐杆的至少一部分；

锁紧螺母，围绕该调谐杆的至少一部分并朝着该调谐杆支撑紧固；以及

调谐旋钮，在该第二端耦合到该调谐杆，其中该热传输元件包括在该调谐元件、该调谐杆支撑、该锁紧螺母、该调谐旋钮和该调谐杆中的至少一个中。

7.如权利要求6的所述RF空腔谐振器，其中

该锁紧螺母包括上表面、下表面和多个表面膨胀元件；

调谐杆支撑朝着上表面紧固；以及

该多个表面膨胀元件是下述中的至少一个：通过上和下表面耦合，以及耦合到上表面和下表面中的至少一个。

8.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，还包括：

耦合在该谐振器腔内的谐振器杆；以及

耦合到该谐振器杆的基座，其中该热传输元件包括在该谐振器杆和该基座中。

9.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中该调谐组件包括：

调谐杆，具有第一端和第二端；

调谐元件，在该谐振器腔内在该第一端耦合到调谐杆；

电机元件，在该谐振器腔内移动该调谐元件进和出，其中该热传输元件至少包括在该调谐杆中。

10.如权利要求1的所述RF空腔谐振器，其中该RF耦合元件包括下述之一：

至少一个RF耦合环和耦合到该RF耦合环的至少一个RF连接器；

至少一个微波传输带元件和耦合到该微波传输带元件的至少一个RF连接器；以及

孔径耦合的元件。