СИСТЕМА МНОГОМЕМБРАННОЙ ГИБКОЙ СТЕНКИ ДЛЯ ФИЛЬТРОВ И МУЛЬТИПЛЕКСОРОВ С ТЕХНОЛОГИЕЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
SYSTEM OF SANDWICHED-MEMBRANE FLEXIBLE WALL FOR FILTERS AND MPX FILTERS WITH TEMPERATURE COMPENSATION

Настоящее изобретение относится к СВЧ-резонаторам, в общем используемым в области наземной и космической телекоммуникации.
Оно относится к системе гибкой стенки для СВЧ-РЕЗ фильтров с объемным резонатором, снабженным механическим устройством температурной компенсации.
Это изобретение предлагает решение проблемы термомеханических напряжений, встречающихся в гибких участках, подверженных тепловой деформации, фильтров и мультиплексоров известного типа, называемых OMUX (мультиплексор вывода), с объемным резонатором с технологией термокомпенсации и большой мощностью.
В целом и ниже в описании и в формуле изобретения выражение "технология термокомпенсации" используется для обозначения любой технологии, которая направлена на деформирование объемного резонатора посредством температуры, для того чтобы компенсировать колебание объема упомянутого объемного резонатора, причем упомянутое колебание объема обусловлено изменениями температуры, для того чтобы поддерживать требуемое значение резонансной частоты полости. Это значение в общем задано при условиях окружающей среды порядка 20°C.
Напомним, что СВЧ-резонатор является электромагнитным контуром, настроенным на пропускание энергии в точной полосе резонансной частоты. СВЧ-резонаторы могут использоваться для создания фильтров, для того чтобы отбрасывать частоты сигнала, расположенные за пределами полосы пропускания фильтра.
Резонатор принимает вид конструкции, образующей полость, называемую объемным резонатором, размеры которой определены, чтобы получить требуемую резонансную частоту.
Таким образом, любое изменение размеров полости, которое вносит изменение объема упомянутой полости, вызовет сдвиг его резонансной частоты и, следовательно, изменение его электрических свойств.
Изменения размеров объемного резонатора могут быть обусловлены расширениями или сжатиями стенок полости, вызванными изменениями температуры, что становится тем более существенным, если коэффициент теплового расширения материала возрастает и/или по мере того как возрастает колебание температуры.
Известно много технологий термокомпенсации.
Эти технологии основываются чаще всего на комбинации частей, включенных в конструкцию самой полости и которые выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, причем один коэффициент намного меньше, чем другой. Части расположены таким образом, чтобы создавать обусловленные температурой смещения относительно друг друга, используя термоупругий дифференциальный эффект. Совместно с гибкой стенкой они вызывают деформацию в смысле уменьшения объема при увеличении температуры или увеличения объема при снижении температуры.
Традиционно используется первый материал с очень малым коэффициентом температурного расширения, например Invar™. Вторым используемым материалом обычно является алюминий - материал, который имеет больший коэффициент температурного расширения, чем Invar, и который имеет, помимо низкой плотности, высокую теплопроводность, делая его особенно хорошо подходящим для применения в космосе.
Основанные на том же самом принципе использования двух материалов с различными коэффициентами теплового расширения имеются различные компенсирующие устройства вне полости, роль которых заключается в деформировании гибкой стенки.
Некоторые из этих устройств температурной компенсации, например, описаны в патентных заявках EP1187247 и EP1655802.
Для того чтобы удовлетворять все более и более жестким требованиям по расположению полезных нагрузок спутника, были разработаны архитектуры вертикального канала, то есть, например, архитектуры, которые имеют совмещенные входные и выходные полости. Эти архитектуры особенно вредны с точки зрения терморегулирования канала.
Сейчас в горячей среде при температурах порядка 85°C в области космических применений, сталкиваясь со все более и более высокими уровнями рассеиваемой мощности, то есть около 100 Вт рассеивается в фильтре мультиплексора вывода, технологии компенсации могут иметь ограничения в использовании.
Фактически, чтобы удовлетворить потребностям в компенсации, то есть деформациям свыше 200 мкм смещения в центре колпачка, колпачок должен быть выполнен достаточно гибким и деформируемым, чтобы поддерживать материал в области упругих деформаций.
Гибкость может быть получена в случае круглого колпачка путем увеличения расстояния между жестким круглым участком в центре и наружным жестким кольцевым участком или даже путем уменьшения толщины мембраны.
В обоих случаях это делает колпачок более терморезистивным и, следовательно, значительно снижает локальные температурные градиенты, то есть в месте самой гибкой стенки.
Большие градиенты могут быть особенно вредны, например, при использовании алюминиевых сплавов со структурным упрочнением, например алюминия 6061, механические свойства которого могут уменьшаться очень быстро в зависимости от температуры и продолжительности воздействия этой же самой температуры. Температура и, следовательно, тепловое сопротивление поэтому должны быть ограничены.
Напротив, чтобы способствовать снижению температурных градиентов в мембране, толщина гибкого участка может быть увеличена или расстояние между жестким круглым участком в центре и наружным жестким кольцевым участком может быть уменьшено, но тогда гибкость колпачка снижается и, следовательно, может стать несовместимой с необходимостью деформации для достижения требуемой компенсации.
Первое решение может включать в себя использование более теплопроводных материалов, но они обычно не совместимы в отношении их механических свойств или даже в отношении их термоупругих свойств в сочетании с конструкцией алюминиевого объемного резонатора.
Чтобы уменьшить температурные градиенты, наиболее очевидное решение включает в себя увеличение толщины стенок фильтров мультиплексора вывода, для того чтобы способствовать тепловому потоку, проводимому к системе терморегулирования полезной нагрузки спутника.
Сейчас это решение может стать невозможным с точки зрения конкурентоспособности продукта, особенно в космических применениях, по причине возникновения значительного увеличения веса.
Настоящее изобретение решает эти недостатки, предлагая систему, которая совместима с различными компенсационными решениями и которая позволяет снизить температурный градиент гибкого колпачка посредством значимого фактора, который влияет на общий вес всего на несколько грамм.
Настоящее изобретение таким образом дополняет современные технологии термокомпенсации для фильтров и мультиплексоров вывода с объемными резонаторами. Оно относится, в частности, к гибким колпачкам мультиплексоров вывода с термокомпенсацией. Идея заключается в оптимизации отношения между тепловым сопротивлением и деформативностью упомянутых колпачков.
Таким образом, чтобы получить меньшее тепловое сопротивление гибких колпачков, в то же время сохраняя деформативность, изобретение предлагает систему многомембранной гибкой стенки. Эта система может также позволить снизить механические напряжения для заданной деформации, в то же время поддерживая эквивалентное тепловое сопротивление, или даже увеличить деформацию до эквивалентных уровней механических напряжений и теплового сопротивления и таким образом сохранить эквивалентные температурные градиенты для заданной рассеиваемой мощности.
С этой целью предметом изобретения является система гибкой стенки для фильтра или мультиплексора вывода с технологией термокомпенсации, причем упомянутая стенка содержит по меньшей мере две расположенные друг над другом отдельные гибкие мембраны, причем каждая упомянутая гибкая мембрана имеет центральную область, промежуточную область и периферийную область торец к торцу, в которой упомянутые гибкие мембраны термически и механически соединены с центральной областью и периферийной областью и не соединены с промежуточной областью.
Предпочтительно, упомянутые мембраны выполнены с возможностью одновременного деформирования.
В системе гибкой стенки согласно изобретению упомянутые гибкие мембраны выполнены из гибкого металлического или неметаллического материала.
Упомянутые гибкие мембраны могут быть выполнены из материалов, отличных друг от друга.
В обычном варианте выполнения упомянутые гибкие мембраны выполнены из алюминия.
В другом варианте выполнения каждая мембрана выполнена из объединения различных материалов.
Наконец, каждая мембрана может быть выполнена из биметаллического материала.
Различные мембраны гибкой стенки согласно изобретению собираются по меньшей мере одним из следующих способов: скрепление винтами; скрепление бандажами; пайка; термическая сварка; электрическая сварка.
Предпочтительно, деформация упомянутой гибкой стенки, обусловленная температурой, может быть получена посредством внешнего устройства.
Предпочтительно, деформация упомянутой гибкой стенки, обусловленная температурой, может быть получена посредством деформации по меньшей мере одной из упомянутых гибких мембран.
Предпочтительно, по меньшей мере одна из упомянутых гибких мембран содержит биметаллический материал, причем упомянутый биметаллический материал участвует в упомянутой деформации гибкой стенки, обусловленной температурой.
Упомянутая гибкая стенка может содержать ровно две мембраны.
Предпочтительно, упомянутая гибкая стенка содержит ровно три мембраны.
Предпочтительно, каждая из упомянутых гибких мембран имеет толщину между двумя и тремя десятыми миллиметра.
Предпочтительно, фильтр с технологией термокомпенсации содержит по меньшей мере один объемный резонатор, уплотненный гибким колпачком, причем упомянутый гибкий колпачок состоит из гибкой стенки согласно изобретению.
Предпочтительно, фильтр с технологией термокомпенсации согласно изобретению может включать в себя плунжер, взаимодействующий с упомянутыми мембранами, чтобы предусматривать оптимизацию регулирования объема упомянутого объемного резонатора.
Предпочтительно, мультиплексор вывода с технологией термокомпенсации содержит по меньшей мере два канала, причем каждый канал содержит объемный резонатор, уплотненный гибким колпачком, причем упомянутый гибкий колпачок состоит из гибкой стенки согласно изобретению.
Другие признаки и преимущества изобретения станут понятны из следующего описания, данного в свете приложенных чертежей, на которых представлено:
Фиг. 1: упрощенная схема канала мультиплексора вывода, имеющего гибкий колпачок и полость, содержащую плунжер, согласно уровню техники;
Фиг. 2a: колпачок в разобранном виде с двумя мембранами и плунжером, которые скреплены бандажами, согласно изобретению;
Фиг. 2b: колпачок в разобранном виде с двумя мембранами и плунжером, которые скреплены винтами, согласно изобретению;
Фиг. 3a: поперечное сечение колпачка с тремя скрепленными бандажами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 3b: поперечное сечение колпачка с тремя скрепленными винтами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 4a: трехмерный вид колпачка с тремя скрепленными бандажами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 4b: трехмерный вид колпачка с тремя скрепленными винтами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 5a: поперечное сечение колпачка с двумя скрепленными бандажами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 5b: поперечное сечение колпачка с двумя скрепленными винтами мембранами согласно изобретению;
Фиг. 6: трехмерное представление вертикальной архитектуры канала мультиплексора вывода, содержащего две совмещенные полости и два гибких колпачка, соответствующие изобретению.
Фиг. 1 изображает частичную схему примера канала мультиплексора вывода. Этот канал содержит полость 2a, уплотненную гибким колпачком 1a, который имеет связанный с ним плунжер 3. Когда мультиплексор вывода активен, некоторая мощность P рассевается в канале; часть этой мощности P рассеивается на поверхности плунжера. Эта рассеянная мощность P повышает температуру внутри канала. Теперь главное поддерживать уровень температуры ниже заданного порога. Фактически, в случае если гибкий колпачок выполнен из структурно упрочненного алюминиевого сплава, упомянутый колпачок претерпевает за температурным порогом значительное ухудшение его механических свойств, что может найти свое отражение в потере эластичности, ведущей к необратимому повреждению канала.
Гибкий колпачок 1a имеет тепловое сопротивление Rth между центром и краем упомянутого колпачка 1a. Таким образом, более горячая область стремится к образованию в центре колпачка 1a. Более того, температурный градиент мал, если мало тепловое сопротивление. Следовательно, очевидно желательно иметь тепловое сопротивление Rth, которое настолько мало, насколько возможно, для того чтобы избежать чрезмерного повышения температуры в центре гибкого колпачка 1a.
Однако поле для маневра незначительно: фактически тепловое сопротивление колпачка 1a для заданных геометрических размеров связано с природой материала, образующего колпачок 1a, обычно алюминий, который имеет некоторую теплопроводность, и связано с толщиной гибкого колпачка. Чем толще колпачок, тем ниже тепловое сопротивление. Однако для гибкого колпачка 1a важно сохранить его механические характеристики, особенно в отношении деформативности, что ограничивает слишком большую толщину.
В действительности термомеханические ограничения, описанные выше, составляют главный ограничивающий фактор для области использования современных технологий температурной компенсации фильтров и мультиплексоров вывода и для канальной архитектуры. Фактически, они:
ограничивают мощность, обеспечиваемую мультиплексорами вывода,
ведут к чрезмерному весу вертикальных канальных архитектур,
накладывают ограничение на использование некоторых электронных топологий, требующих высокой компенсации для заданного повышения температуры и, следовательно, значительной деформации колпачка.
Задачей настоящего изобретения является предложение решения для совмещения малого теплового сопротивления и механических характеристик, что позволяет иметь высокую деформативность гибкого колпачка канала внутри мультиплексора вывода.
В этой связи Фиг. 2a-5b изображают различные варианты осуществления изобретения в виде многомембранного гибкого колпачка, предназначенного для уплотнения объемного резонатора канала мультиплексора вывода. Важно отметить, что этот предпочтительный вариант осуществления изобретения не является единственно возможным вариантом осуществления. Фактически многомембранная гибкая стенка согласно изобретению подходит для использования в качестве гибкой стенки для любого устройства, основанного на технологии температурной компенсации, и, в частности, для устройств типа фильтра или мультиплексора вывода.
Кроме того, Фиг. 2a, 3a, 4a, 5a относятся к многомембранным колпачкам, скрепленным бандажами, тогда как Фиг. 2b, 3b, 4b, 5b относятся к многомембранным колпачкам, скрепленным винтами. Следует отметить, что множественные мембраны гибких стенок согласно изобретению могут быть прикреплены друг к другу, используя другие технологические способы, в частности, пайкой, термической сваркой или даже электрической сваркой. Упомянутые мембраны, предпочтительно, выполнены из алюминия, но могут быть использованы другие подходящие материалы, такие как, например, медь. Использование различных материалов для мембран одной и той же многомембранной гибкой стенки также может рассматриваться.
Так, на Фиг. 2a показан принцип изобретения, примененный в качестве примера к колпачку, который может уплотнять объемный резонатор канала мультиплексора вывода. Гибкий колпачок 1b в этом случае состоит из нескольких мембран 10, 11, связанных с плунжером 14. На Фиг. 2a мембраны 10, 11 скреплены бандажами; на Фиг. 2b принцип абсолютно тот же, помимо того, что мембраны 10, 11 скреплены на винтах, используя средство 100 крепления.
Использование многомембранного колпачка 1b обеспечивает обширное поле для маневра в отношении оптимизации теплового сопротивления и механических напряжений, которые существуют внутри полости с технологией температурной компенсации. Фактически возможно использование гибких мембран 10, 11 ограниченной толщины, обычно между 0,2 миллиметра и 0,4 миллиметра, для колпачка с тремя мембранами с общей толщиной около 1,2 миллиметра, для того чтобы сохранить, например, те же характеристики в отношении механических напряжений, как на Фиг. 1, в то же время снижая общее тепловое сопротивление упомянутого колпачка 1b. Чтобы получить этот эффект, изобретение обеспечивает тепловое и механическое соединение мембран 10, 11, но только по части их площади поверхности, что четко изображено на Фиг. 3a и 3b.
Фиг. 3a и 3b представляют собой поперечные сечения многомембранного гибкого колпачка 1b согласно изобретению. Колпачки 1b, представленные на Фиг. 3a, 3b, содержат блок из трех мембран 10, 11, 12, что ведет к увеличению как теплового сечения колпачка 1b, так и уровня механических напряжений, приложенных к упомянутым колпачкам 1b, которые необходимо поддерживать.
Важно отметить, что в соответствии с изображенным на Фиг. 3a и 3b три мембраны 10, 11, 12 гибкого колпачка 1b соединены бандажами на Фиг. 3a и винтами на Фиг. 3b в центральной области C и периферийной области P, причем эти центральная C и периферийная P области используются, чтобы механически и термически соединить мембраны. За этими областями мембраны не соединены, так что многомембранный колпачок 1b приобретает значительную гибкость. Причем имеется промежуточная область I между центральной областью C и периферийной областью P, на которой мембраны 10, 11, 12 не соединены. Таким образом, тепловое и механическое соединение по центральной C и периферийной P областям максимизирует механические напряжения и минимизирует тепловое сопротивление колпачка 1b, тогда как отсутствие соединения мембран в промежуточной области I дает колпачку 1b его гибкость и адаптивность.
На Фиг. 4a и 4b показан колпачок 1b с тремя скрепленными бандажами, соответственно винтами, мембранами 10, 11, 12, соответствующими настоящему изобретению.
На Фиг. 5a и 5b показаны два других примера выполнения многомембранной гибкой стенки согласно изобретению, снова применительно к колпачку с технологией температурной компенсации, предназначенному для уплотнения объемного резонатора канала мультиплексора вывода. На Фиг. 5a таким образом показан гибкий колпачок 1b' с двумя мембранами 10', 11', которые скреплены бандажами, тогда как на Фиг. 5b показан гибкий колпачок 1b' с двумя мембранами 10', 11', которые скреплены винтами.
Следует также отметить, что на Фиг. 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b различные слои 10, 11, 12, соответственно 10', 11', также расположены друг над другом вокруг рукоятки, которая удерживает их на месте.
На Фиг. 6 показан пример всего канала согласно изобретению, содержащий колпачок, состоящий из многомембранной гибкой стенки, причем внешняя система компенсации не показана.
Подводя итоги, следовательно, можно сказать, что использование многомембранного гибкого колпачка позволяет:
снизить тепловое сопротивление гибкого колпачка, в то же время сохраняя тот же уровень механических напряжений, приложенных к нему,
или, наоборот, снизить механические напряжения, приложенные к гибкому колпачку, в то же время сохраняя эквивалентное тепловое сопротивление упомянутого колпачка, или даже увеличить деформацию гибкой стенки, в то же время сохраняя эквивалентный уровень механических напряжений и в то же время сохраняя эквивалентное тепловое сопротивление.
Прямым следствием настоящего изобретения является то, что область использования мультиплексора вывода расширяется как в горизонтальной, так и в вертикальной конструкциях:
в отношении мультиплексоров вывода большой мощности,
в отношении проводящей и излучающей рабочей среды, которая является горячей, около 85°C,
в отношении мультиплексоров вывода, которые имеют электронную конструкцию со значительной задачей компенсации.
В другом примере осуществления изобретения многомембранная гибкая стенка может взаимодействовать с плунжером, для того чтобы оптимизировать регулирование объема упомянутого объемного резонатора в отношении технологии температурной компенсации, подходящей для фильтров и мультиплексоров вывода.