一种具有温度补偿性能的微波谐振腔

所属技术领域

本申请涉及谐振腔滤波器技术领域，更具体的，尤其涉及一种宽温度范围下工作性能良好的微波谐振腔。

背景技术

随着高频、高速电路和系统技术的发展，材料特性的表征已经成为微波电子学中的一个主要领域。在过去的几十年里，该领域的研究取得了显著的进步，开发并应用了一大批新的测量方法和技术。材料性能表征方法通常分为非谐振法和谐振法，其中基于谐振法的微波微扰法具有更高的精度和灵敏度。在微波微扰法的材料微扰中，材料被引入谐振腔的腔体中，腔体的谐振频率会发生改变，该材料的电磁参数便可由谐振频率的变化来确定。溶液浓度的变化会导致其介电常数的改变，而浓度检测在食品工业、材料科学、环境科学等领域有着广泛的需求。伴随着微波技术应用的多元化，产生了以微波传感器为核心部件的微波检测技术与其它学科交叉应用的领域，由于这种技术具有无接触、灵敏度高、无损伤、检测速度快等优点，近年来得到了业界广泛的关注，并得到了快速发展。

微波谐振腔是基于微波测量技术的一种传感器，具有品质因素高、损耗小、高稳定性等特点。其工作原理主要是腔体微扰技术，即在测试样品时假设谐振腔在微小扰动前后的变化是近似相同的。当谐振腔满足微扰条件时，可以通过测试谐振腔的频率变化对待测物质的电磁参数(介电常数或磁导率)进行测试，实现待测物质特性参数与微波传感器的电学参数的统一。例如浓度和谐振频率的统一。因此，利用微波谐振腔可以实现对于溶液浓度的精确检测。具体工作步骤为：通过在封闭的导体中间产生空腔形成微波谐振器，微波谐振腔的导体壁可以反射进入其中的电磁波，使得谐振腔中的电磁能量在相互转换过程中出现振荡现象，从而可以得到谐振腔的特性参数。在微波谐振腔中，受到测试物质微扰位置的电磁波具有叠加的特性，利用该特性即可以对待测试物质的某些特性进行分析。微波腔微扰测量是分析材料特性的一种有效方法。在这些测量过程中，通常情况下，微波滤波器要在较宽的温度范围内工作，当环境温度发生变化时，滤波器由于谐振腔的热胀冷缩，其谐振频率会产生变化，由此可能导致谐振腔滤波器驻波比变大，损耗增加，相位出现偏移等情况，也就是常说的温度漂移现象。如果温度漂移引起的幅相变化超过某一数值，将会影响信号的传输质量。因此对微波滤波器进行温度补偿非常必要。

目的

基于上述需求，本申请提供一种宽温度范围下工作性能良好的微波谐振腔，可有效解决在宽温度范围下，谐振腔滤波器驻波比变大，损耗增加，相位出现偏移等可靠性问题。并通过将谐振腔内外腔部分采用双材料设计，改变腔体各结构参数，其余部分仍采用普通设计，在一定程度上方便改造与设计。

技术方案

一种具有温度补偿性能的微波谐振腔，包括上盖下盖，中间腔体部分，两个SMA端口以及溶液管。

根据该谐振腔的设计指标要求以及应用场景，上下盖(黄色部分)为圆柱体，材料为铜，。

中间腔体部分为圆柱体，由两种材料组成。上部分(红色部分)材料为铜；下部分(蓝色部分)材料为铝，内部为空腔。

双SMA外部材料为圆柱体，材料为特氟龙(Teflon)，深入腔体内部长管为圆柱体，材料为铜。

溶液管为圆柱体，材料为特氟龙(Teflon)。

有益效果

基于上述的方案可知，本申请的具有温度补偿性能的微波谐振腔具有如下创新和有益效果：

(1)通过设置腔体各部分材料以及对中间腔体采用双材料，使该谐振腔在宽温度范围下具有稳定的工作性能

(2)体积小，方便携带与使用

附图说明

图1具有温度补偿性能的微波谐振腔

图2有限元仿真器仿真流程

图3 -20℃稳态热仿真结果

图4 20℃稳态热仿真结果

图5 80℃稳态热仿真结果

图6 -20℃应力结构仿真结果

图7 20℃应力结构热仿真结果

图8 80℃应力结构热仿真结果

图9内腔铜与铝比例与谐振腔谐振频率变化对比

图10温度补偿与否谐振腔谐振频率变化对比

最佳实施方式

本申请提供一种具有温度补偿性能的微波谐振腔，可有效解决在宽温度范围下，谐振腔因环境温度变化产生的结构变化导致损耗增加及谐振腔滤波器驻波比变大，损耗增加，相位出现偏移等可靠性问题。并通过将谐振腔内外腔部分采用双材料设计，改变腔体各结构参数，其余部分仍采用普通设计，在一定程度上方便改造与设计。

下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案及逆行清楚、完成地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种种具有温度补偿性能的微波谐振腔，如图1所示，由于受到材料热膨胀系数的影响，各结构尺寸会发生改变。由定性分析结果知，当温度升高时，腔体底面半径会增大，腔体高度会增大，而这些变化都会导致谐振腔谐振频率的降低，且底面半径变化对于谐振频率的影响略高于腔体高度变化对谐振频率的影响。为实现温度补偿功能，需要减小甚至消除腔体底面半径变化和腔体高度变化对谐振频率的影响。由上述定性分析结果可知，当温度升高时，若腔体底面半径和腔体高度减小，则可实现温度补偿。由此结论，提出中间腔体使用双材料思路。表1给出部分常用金属及其热膨胀系数。

表1常用金属及其热膨胀系数

基于上述温度影响分析及相关材料数据的给出，设计出以下具有温度补偿性能的微波谐振腔，包括上盖下盖，中间腔体部分，两个SMA端口以及溶液管。

根据该谐振腔的设计指标要求以及应用场景，上下盖(黄色部分)为圆柱体，材料为铜。

中间腔体部分为圆柱体，由两种材料组成。上部分(红色部分)材料为铜，；下部分(蓝色部分)材料为铝,内部为空腔。

双SMA外部材料为圆柱体，材料为特氟龙(Teflon)；深入腔体内部长管为圆柱体，材料为铜。

溶液管为圆柱体，材料为特氟龙(Teflon)。

以上均为使用有限元仿真器软件仿真得出，所有选用数据均为谐振频率下最佳数据。将该谐振腔模型放入有限元仿真器软件进行多物理场仿真实验分析，耦合仿真如图2。调整中间腔体部分铝和铜的比例，得出上部分(红色部分)材料为铜；下部分(蓝色部分)材料为铝。

将修正模型与基础模型放入有限元仿真器软件进行多物理场仿真实验分析，部分仿真结果见图3至图8

内腔上下部分铜与铝的比例是本谐振腔温度补偿的关键，设铜部分高度为L

现给出一基础模型与修正模型做对比证明其温度补偿效果。

图10为温度补偿后的谐振腔与未补偿的谐振腔在一定温度范围内的谐振频率变化对比。由仿真结果可知，温度补偿后的微波谐振腔在宽温度范围内谐振频率较为稳定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。