頻率穩(wěn)定性諧振腔及其補償體高度的獲得方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種諧振腔，具體涉及一種利用補償方法改善諧 振腔的諧振頻率穩(wěn)定度的頻率穩(wěn)定性諧振腔及其補償體高度的獲得方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 諧振腔是一種適用于高頻率的微波諧振元件，它是金屬導(dǎo)體壁完全密閉的空腔， 可以將電磁波全部約束在空腔內(nèi)，同時其整個大面積的金屬表面又為電流提供通路，諧振 腔具有固定的諧振頻率和很高的Q值。圓柱形諧振腔通常用作微波頻率計，為了保證系統(tǒng) 的性能，圓柱形諧振腔需要能夠保持穩(wěn)定的諧振頻率。實際的微波諧振腔隨著工作時間的 增加，一方面由于諧振腔存在功率損耗，諧振腔的溫度會升高；另一方面隨著環(huán)境溫度變 化，諧振腔的溫度也會改變。溫度變化會使腔體發(fā)生熱膨脹。諧振腔的體積和形狀發(fā)生的 微小變化，會引起諧振腔諧振頻率漂移從而使設(shè)備性能發(fā)生變化，影響系統(tǒng)的正常工作。
[0003] 以圓柱形諧振腔為例，圓柱形諧振腔1￡""1模的諧振頻率是：
[0004]
( 1)
[0005] 其中，c是真空中的光速，e 1^為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，y1^為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率， P' n(x)的根，r為諧振腔的內(nèi)徑，h為諧振腔的高度。
[0006] 諧振腔受熱膨脹后，諧振腔的尺寸r和h便會發(fā)生變化，從公式（1)可以看出，諧 振腔的諧振頻率會發(fā)生偏移。常用的提高諧振腔溫度穩(wěn)定性的方法有兩種，一是采用恒溫 槽等保持諧振腔所處的環(huán)境溫度恒定，但這樣會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，降低系統(tǒng)可靠性而且會 增加系統(tǒng)能耗；另一種是采用低膨脹系數(shù)的材料來制作諧振腔，如殷鋼，線膨脹系數(shù)平均可 達1. 5 X 10 6/°C，從而減小諧振腔結(jié)構(gòu)尺寸隨溫度的變化，這種材料做成的諧振腔的頻率穩(wěn) 定度是用銅或鋁做成的諧振腔頻率穩(wěn)定度的十倍左右，然而，由于殷鋼材料成本很高而且 加工困難，造成諧振腔的生產(chǎn)成本顯著提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種材料和結(jié)構(gòu)改進的頻率穩(wěn) 定性諧振腔，通過諧振腔材料及結(jié)構(gòu)的改進，能夠使諧振頻率得到補償，進而改善諧振腔的 諧振頻率穩(wěn)定度，甚至可以使諧振腔的頻率穩(wěn)定度比用殷鋼制作的諧振腔的頻率穩(wěn)定度要 高，并且能有效的降低諧振腔的制作成本。
[0008] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種獲得上述頻率穩(wěn)定性諧振腔中補償體高度的方 法。
[0009] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種頻率穩(wěn)定性諧振腔，包括腔體和補償體；所 述腔體內(nèi)部中空，構(gòu)成諧振腔的上底面和至少一個側(cè)面；所述補償體位于腔體內(nèi)，構(gòu)成諧振 腔的下底面。
[0010] 實施方式之一，一般諧振腔主要由兩個底面和至少一個側(cè)面構(gòu)成，在本發(fā)明中，腔 體構(gòu)成諧振腔的上底面和至少一個側(cè)面；補償體構(gòu)成下底面。
[0011] 實施方式之一，為了構(gòu)成一個完整的諧振腔，諧振腔可以進一步包括平板，腔體開 口的一側(cè)以及補償體均與平板固定連接；當然，為了能夠構(gòu)成一個完整的諧振腔，在本發(fā)明 的思想指導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易采用其它方式實現(xiàn)，這均落入本發(fā)明的包括范圍。在 這里，為了便于腔體與平板連接，可以將腔體的外邊緣向外延伸，該延伸部與平板貼合，并 固定連接。
[0012] 實施方式之一，補償體的側(cè)表面接近腔體的內(nèi)側(cè)面，使得補償體的側(cè)表面與墻體 的內(nèi)側(cè)面間的間隙小，其目的是抑制簡并模式，使得模式截止，能量泄漏小，在補償體和腔 體尺寸變化時，不考慮這方面尺寸變化對頻率的影響。當腔體和補償體均為圓柱形時，這里 應(yīng)該滿足的條件為補償體的直徑接近腔體的內(nèi)直徑；在優(yōu)選的實施方式中，補償體的側(cè)表 面與腔體的內(nèi)側(cè)面之間的間隙占腔體內(nèi)直徑0. 1%~1%，其具體比值與工作頻率和工作 模式有關(guān)。
[0013] 實施方式之一，補償體材料的膨脹系數(shù)大于腔體材料的膨脹系數(shù)。利用補償體材 料隨溫度變化膨脹時尺寸改變大于腔體材料膨脹時尺寸改變的特性，來減小上底面和側(cè)面 膨脹后的頻率偏移，以達到穩(wěn)定頻率的目的。根據(jù)對補償體材料和腔體材料特性的限定，上 述腔體材料可以為銅；上述補償體材料可以為鎘或者表面涂覆銀層的塑料。平板材料可以 與腔體材料相同。在本發(fā)明的指導(dǎo)思想下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)采用的具體諧振腔，來 選擇合適的補償體材料。
[0014] 實施方式之一，腔體和補償體可以均設(shè)置為圓柱形。當諧振腔腔體高度為氏、補償 體高度為氏，且氏-11 3=30.7臟時，H3的取值范圍為：150臟<H3< 170臟。
[0015] 實施方式之一，腔體與平板以及補償體與平板之間通過螺釘連接。在這里螺釘起 固定作用，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以選擇其它常用的固定連接方式。
[0016] 本發(fā)明進一步提供了一種獲得上述頻率穩(wěn)定性諧振腔中補償體高度的方法，對于 設(shè)定諧振頻率fc的的圓柱形諧振腔，采用模式為TE^模，腔體高度為H，內(nèi)半徑為R，包括以 下步驟：
[0017] S1，假定諧振腔采用殷鋼制作時，殷鋼的線膨脹系數(shù)為ai，在溫度變化At，腔體 高度變化AHi和半徑變化A1^為：
[0018] AHi=a:AtH (4)
[0019] AR1=a:AtR (5)
[0020] 腔體膨脹后的諧振頻率為：
[0021]
(6>
[0022] 頻率偏移為：
[0023]
[0024] S2,對于采用膨脹系數(shù)小的材料作腔體，膨脹系數(shù)大的材料作補償體時，設(shè)腔體材 料的線膨脹系數(shù)為a2，腔體高度為H2，腔體的內(nèi)半徑為R，補償體的線膨脹系數(shù)為a3，高 度為H3，有如下關(guān)系：
[0025] H2-H3=H
[0026] 在溫度變化At，諧振腔腔體的高度變化值A(chǔ)H2和半徑變化AR2為：
[0027] AH2= a2AtH2 (8)
[0028] AR2= a2AtR (9)
[0029] 補償體的高度變化值A(chǔ)113為：
[0030] AH3=a3AtH3 (10)
[0031] 則諧振腔的高度變化AH和諧振腔的半徑變化AR為：
[0032] AH= AH2-AH3 (11)
[0033] AR= AR2 (12)
[0034] 諧振腔膨脹后的諧振頻率為：
[0038] S3,通過matlab分析，當使用補償體制作的諧振腔的頻率偏移小于使用殷鋼制作 的諧振腔腔的頻率偏移時，即得到補償體的高度。
[0039] 通過上述方法，只要知道腔體、補償體的材料以及諧振腔的尺寸，便可很容易得到 所需要的補償體的高度，進而制作出滿足要求的諧振腔。
[0040] 本發(fā)明提供的頻率穩(wěn)定性諧振腔具有以下至少一項有益效果：
[0041] 1、通過合理的選擇補償體材料以及設(shè)置補償體的尺寸，可以提高諧振腔的頻率穩(wěn) 定性；
[0042] 2、補償體材料可以選擇易于加工或成本低廉的材料，以實現(xiàn)高頻率穩(wěn)定性諧振 腔，并且極大的降低了諧振腔的制作成本。
【附圖說明】
[0043] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，以下將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，以下描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖所示實施例得到其它的實施例及其附圖。
[0044] 圖1為本發(fā)明提供的一個實施例的頻率穩(wěn)定性諧振腔的剖面示意圖。
[0045] 其中，1、補償體，2、腔體，3、平板，4、螺釘。
【具體實施方式】
[0046] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明各實施例的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描 述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本 發(fā)明所保護的范圍。
[0047] 本實施例以圓柱形的頻率穩(wěn)定性諧振腔為例，圖1給出該諧振腔的沿軸向的剖面 示意圖。
[0048] 該諧振腔的上底面和側(cè)面為一體，構(gòu)成腔體2,腔體2可以采用銅制作，銅的膨脹 系數(shù)平均為17. 5X 10 6/°C;下底面為補償體1，補償體1可以采用膨脹系數(shù)高于腔體2材 料的其它材料制作。本實施例中采用的是膨脹系數(shù)高于銅的材料鎘，鎘的膨脹系數(shù)平均為 41 X 10