CN101409377A - 腔体滤波器结构数学响应模型及其移动通讯网络用腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波通讯系统用腔体滤波器。为解决现有以切比雪夫数学响应模型制造的腔体滤波器存在结构尺寸不统一、结构复杂等技术问题，本发明提供了一种腔体滤波器结构数学响应模型及其移动通讯网络用腔体滤波器，其数学响应模型采用等元低通原型作为腔体滤波器结构设计数学响应模型，使得依据本数学响应模型得到的腔体滤波器结构，在其谐振腔、谐振杆、耦合调整杆、谐振腔隔板均分别具有统一、一致的结构尺寸，这样就使腔体滤波器产品制造加工工艺大大简单化，同时装配好的腔体滤波器调试也更为简单，适于批量生产。本技术方案的另一大优点是：在满足阻带衰减条件下，基准通带中心损耗减至最小，并可保证腔体的无载Q值最大，腔体滤波器的插入损耗最小。

Description

腔体滤波器结构数学响应模型及其移动通讯网络用腔体滤波器

技术领域

本发明涉及的是微波通讯系统的元器件——带通滤波器，尤其涉及的是移动通讯网络用腔体滤波器。

背景技术

在移动通讯网络中，尤其是目前的3G移动通讯网络中，滤波器有着十分重要的作用，要求其具备插入损耗小和选择性高的特性。以TD-SCDMA基站建设为例，由于TD-SCDMA采用结构较为复杂的智能天线，非线性将超过其它普通基站天线，因而TD-SCDMA受电磁影响的低噪声增加量会高于普通基站的低噪声增加量，所以基站上、下行链路中就需要大量的插入损耗小、选择性高的带通滤波器。为了满足移动通讯网络对带通滤波器在重量、体积、稳定性、可靠性和经济性等方面的高要求，多选用的是腔体滤波器。这些腔体滤波器多以切比雪夫为数学响应模型设计制造，由于实际制得的腔体滤波器的无载Q值是有限的，所以应用切比雪夫数学响应模型都要预畸设计法进行设计，这样就使通带中心插入损耗增高，因而难以满足TD-SCDMA网络中基站上、下行链路所需信号传输及抑制干扰的使用需求。尤其是切比雪夫数学响应模型制造的腔体滤波器存在的一些技术问题是致命的：其谐振回路的耦合电容不相等、谐振回路的电感不相等、各回路耦合量不统一，所设计谐振腔和调整尺寸均不统一、结构复杂，极大的增加了加工和调试的复杂性和难度。

发明内容

本发明申请的发明目的在于将LC滤波器图表设计所依据的等元法特性应用于腔体滤波器结构设计中，从而提供一种腔体滤波器结构数学响应模型及其移动通讯网络用腔体滤波器，应用本技术方案提供的等元法数学响应模型设计的腔体滤波器具有结构统一性、制造和调试简单、插入损耗小、选择性高等技术优点。

本发明申请所提供的腔体滤波器结构数学响应模型技术方案，其主要技术内容是：一种腔体滤波器结构数学响应模型，首先确定腔体滤波器以下电参数：中心频率f₀，带宽，插入损耗，带外抑制A_s，输入、输出阻抗R₀，①确定腔体滤波器节数 $n=\frac{6+\mathrm{As}}{8.68};$ ②、根据腔体滤波器谐振器方腔的边长b与谐振杆外径d之比值，由设计手册查得特性阻抗Z_C，计算谐振杆等效电感值 $L=\frac{\mathrm{Zc}}{2\mathrm{\π}{f}_0},$ 计算谐振杆等效电容值 $C=\frac{25330}{f_0^{2}L},$ 再确定谐振杆尺寸：依据腔体中心频率确定谐振杆长度x₀，该长度取中心频率波长的1/8， $x_0=\frac{1}{8}\mathrm{\λ},$ $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f_0},$ 其中c为光速，其次根据公式 $C=\frac{{2\mathrm{\πh}}_1{\mathrm{\ξ}}_0}{\lg \frac{\mathrm{rb}}{\mathrm{ra}}}$ 以及机械加工要求确定谐振杆内圆直径、谐振杆外径d，公式中的r_a为谐振杆内圆半径，r_b为调整螺杆半径，最后根据等元法b/d最佳范围和谐振杆外径确定谐振腔边长b；③、计算耦合隔板高度：由公式 $Q_0=\frac{b}{\mathrm{\δ}}*\frac{\mathrm{lh}\frac{b}{d}}{1+\frac{b}{d}+\frac{b}{x_0}\mathrm{lh}\frac{b}{d}}$ 计算腔体的无载Q值，其中式中的δ为趋肤深度，通过查《微波传输线设计手册》的趋肤效应曲线图得到δ值；再根据公式Q_CP＝f₀/BW_-3dB计算腔体有载品质因数Q_cp；下一步，根据公式 $K=\frac{1}{Q_{\mathrm{cp}}}-\frac{1}{Q_0}$ 计算耦合系数K；再下一步，根据公式C_m＝KC计算等效耦合电容；再由公式C_M＝C_m·x₀确定腔体无隔板时的耦合电容，并根据公式 $R=\frac{C_m}{C_M}$ 确定腔体隔板的修正系数；最后由公式c＝b-Rb确定隔板高度，式中c为隔板高度；④、计算输入输出端耦合电感，确定耦合线的尺寸：每一谐振腔的有载品质因数为：Q_b＝0.435Q_cp；每个谐振腔的谐振阻抗为：R_b＝Q_b×Z_c；输入端和输出端接入系数为： $P=\sqrt{R_0/R_b},$ 式中R₀为输入、输出阻抗；输入端和输出端耦合电感为：L_i＝L₀＝P·L，式中L_i和L₀分别为输入、输出端耦合电感；根据公式L_i＝0.21[ln(2l/r)-1.0](μH)以及选择的导线直径计算输入、输出端引线的长度。

本发明申请基于上述数学响应模型制得的一种移动通讯网络用腔体滤波器，其技术方案的主要内容是：一种移动通讯网络用腔体滤波器，其腔体内纵向串联制有多个边长尺寸一致的谐振腔方腔，腔体两端的谐振腔壁对称连接设置输入、输出电磁耦合线连接部件，每一谐振腔内中央设置有统一尺寸与谐振螺杆配合的内螺管，由腔体输入侧至输出侧的谐振腔两两组成谐振腔组，每一谐振腔组的两谐振腔相邻窗口处、穿过盖板设有统一尺寸的耦合调整杆。

本发明申请提供的技术方案，采用等元法低通原型作为腔体滤波器结构设计数学响应模型，充分利用了其等元法数学响应模型的特性，这些特性包括：

(1)、所有回路电感相同，即L₁＝L₂＝L3＝L4＝......Ln＝L＝Z_C/2πf₀，其中Z_C为腔体特性阻抗，f₀为通频带的中心频率。

(2)、所有回路谐振频率均相同，即f₀₁＝f₀₂＝f₀₃＝f₀＝……fn＝f₀。

(3)、所有回路电容相同，即 $C1=C2=C3=C4=......\mathrm{Cn}=C=\frac{25330}{f_0^{2}L}$

(4)、所有回路耦合电容均相同C₁₂＝C₂₃＝C₃₄＝……C_n，n+1＝C_M＝K·C所以由本发明申请所公开的腔体滤波器结构等元法数学响应模型设计的腔体滤波器结构，其谐振腔、谐振腔隔板、谐振杆、耦合调整杆均分别具有统一、一致的结构尺寸，腔体滤波器产品制造加工工艺大大简单化，同时装配好的腔体滤波器调试也更为简单，适于批量生产。本技术方案的另一大优点是：本等元法数学响应模型设计的带通滤波器为最小带中心插入损耗带通滤波器，使得在满足阻带衰减条件下，基准通带中心损耗减至最小，并在腔体体积一定的条件下，通过选择合适的谐振杆外径的尺寸，可以保证腔体的无载Q值最大，从而保证腔体滤波器的插入损耗最小。

公司名称	IL(fo)dB	Stopband 1	Stopband 2
				丹东华讯	1.0	1860MHz≥38dB	1960MHz≥38dB
美国K&L	1.0	1854MHz≥30dB	1966MHz≥30dB
				安徽博仑	1.2	1860MHz≥35dB	1960MHz≥35dB

从上表可以得出：本发明利用等元法设计的腔体滤波器，其插入损耗和带外抑制的指标优于国内同类产品的指标，并且接近美国K&L的产品技术指标。

附图说明

图1是用切比雪夫数学响应模型设计的腔体滤波器谐振腔结构示意图

图2是用本腔体滤波器结构数学响应模型设计的腔体滤波器谐振腔结构示意图

图3是显示本移动通讯网络用腔体滤波器的谐振腔总装结构示意图

图4是盖板8的结构图。

具体实施方式

本发明申请公开的腔体滤波器结构数学响应模型，依据其数学响应模型实施设计推导之前首先确定腔体滤波器以下的主要电参数：中心频率f₀，带宽，插入损耗，带外抑制A_s，输入、输出阻抗R₀，再由步骤确定腔体滤波器结构尺寸：

①、确定腔体滤波器节数 $n=\frac{6+\mathrm{As}}{8.68};$

②、腔体滤波器的谐振腔为方腔，其方腔边长b与谐振杆外径d比值，即b/d在3-4之间时腔体无载Q值最佳，在3-4之间确定一数值，由《微波传输线设计手册》查表得到特性阻抗Z_C；依据公式 $L=\frac{\mathrm{Zc}}{{2\mathrm{\πf}}_0}$ 计算谐振杆等效电感值L，再依据公式 $C=\frac{25330}{f_0^{2}L}$ 进行谐振杆等效电容值C的计算；再由C值确定谐振杆尺寸，即根据公式 $C=\frac{{2\mathrm{\πh}}_1{\mathrm{\ξ}}_0}{\lg \frac{\mathrm{rb}}{\mathrm{ra}}},$ 以及机械加工要求确定谐振杆内圆直径、谐振杆外径d，其中的r_a为谐振杆内圆半径，r_b为调整螺杆半径，最后根据等元法b/d最佳范围和谐振杆外径d确定谐振腔边长b；依据腔体中心频率确定谐振杆长度x₀，该长度取中心频率波长的1/8， $x_0=\frac{1}{8}\mathrm{\λ},$ $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f_0},$ 其中c为光速；

③、计算耦合隔板高度：由公式 $Q_0=\frac{b}{\mathrm{\δ}}*\frac{\mathrm{lh}\frac{b}{d}}{1+\frac{b}{d}+\frac{b}{x_0}\mathrm{lh}\frac{b}{d}}$ 计算腔体的无载Q值，其中的δ为趋肤深度，由《微波传输线设计手册》的趋肤效应曲线图查得δ值；由公式Q_CP＝f₀/BW_-3dB计算腔体有载品质因数Q_cp根据公式 $K=\frac{1}{Q_{\mathrm{cp}}}-\frac{1}{Q_0}$ 计算耦合系数K；由公式C_m＝KC计算等效耦合电容C_m；由公式C_M＝C_m·x₀确定腔体无隔板时的耦合电容，并根据公式 $R=\frac{C_m}{C_M}$ 确定腔体隔板的修正系数；最后由公式c＝b-Rb确定隔板高度，式中c为隔板高度；

④、计算输入输出端耦合电感，确定耦合线的尺寸：每一谐振腔的有载品质因数为：Q_b＝0.435Q_cp；每个谐振腔的谐振阻抗为：R_b＝Q_b×Z_c；输入端和输出端接入系数为： $P=\sqrt{R_0/R_b},$ 式中R₀为输入、输出阻抗；输入端和输出端耦合电感为：L_i＝L₀＝P·L，式中L_i和L₀分别为输入、输出端耦合电感；根据公式L_i＝0.21[ln(2l/r)-1.0](μH)以及选择的导线直径计算输入、输出端引线的长度。

基于上述等元数学响应模型计算得到的各结构参数制造的本发明公开的移动通讯网络用腔体滤波器，其结构构成是铝制屏蔽腔体1内纵向串联制有多个边长尺寸一致方腔式谐振腔2，在本实施例中，其屏蔽腔体1内纵向串联制有四个边长尺寸一致方腔式谐振腔2，腔体两端的谐振腔壁10、11外侧连接设置输入、输出电磁耦合线连接器，在本实施例中采用的是SMA座连接器5，其内侧对称焊接固定有输入、输出镀银耦合引线4进行电磁耦合，其耦合引线4的引入端线部分与谐振杆平行设置。每一谐振腔2内中央设置有统一尺寸的内螺管3，各铜质谐振杆7穿过腔体与内螺管3螺纹配合实现空间耦合。由屏蔽腔体1输入侧至输出侧的谐振腔两两组成谐振腔组，在图3的结构中，由左至右，第一谐振腔和第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔组成两谐振腔组，第一谐振腔和第二谐振腔间相邻窗口处、第三谐振腔和第四谐振腔间相邻窗口处、由屏蔽腔体1螺孔穿入设有统一尺寸的铜质耦合调整杆6，最后固定盖板8构成。其屏蔽腔体1、谐振杆7、耦合调整杆6和盖板表面均镀银处理，为保证谐振频率，其镀银厚度为5μm。

Claims (2)

1、一种腔体滤波器结构设计数学响应模型，其特征在于该数学响应模型为：首先确定腔体滤波器以下电参数：中心频率f₀，带宽，插入损耗，带外抑制A_s，输入、输出阻抗R₀，①确定腔体滤波器节数 $n=\frac{6+\mathrm{As}}{8.68};$ ②、根据腔体滤波器谐振器方腔的边长b与谐振杆外径d之比值，由设计手册查得特性阻抗Z_C，计算谐振杆等效电感值 $L=\frac{\mathrm{Zc}}{2\mathrm{\π}{f}_0},$ 计算谐振杆等效电容值 $C=\frac{25330}{f_0^{2}L},$ 再确定谐振杆尺寸：依据腔体中心频率确定谐振杆长度x₀，该长度取中心频率波长的1/8， $x_0=\frac{1}{8}\mathrm{\λ},$ $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f_0},$ 其中c为光速，其次根据公式 $C=\frac{2\mathrm{\π}{h}_1{\mathrm{\ξ}}_0}{\lg \frac{\mathrm{rb}}{\mathrm{ra}}}$ 以及机械加工要求确定谐振杆内圆直径、谐振杆外径d，公式中的r_a为谐振杆内圆半径，r_b为调整螺杆半径，最后根据等元法b/d最佳范围和谐振杆外径确定谐振腔边长b；③、计算耦合隔板高度：由公式 $Q_0=\frac{b}{\mathrm{\δ}}*\frac{\mathrm{lh}\frac{b}{d}}{1+\frac{b}{d}+\frac{b}{x_0}\mathrm{lh}\frac{b}{d}}$ 计算腔体的无载Q值，其中式中的δ为趋肤深度，通过查《微波传输线设计手册》的趋肤效应曲线图得到δ值；再根据公式Q_CP＝f₀/BW_-3dB计算腔体有载品质因数Q_cp；下一步，根据公式 $K=\frac{1}{Q_{\mathrm{cp}}}-\frac{1}{Q_0}$ 计算耦合系数K；再下一步，根据公式C_m＝KC计算等效耦合电容；再由公式C_M＝C_m·x₀确定腔体无隔板时的耦合电容，并根据公式 $R=\frac{C_m}{C_M}$ 确定腔体隔板的修正系数；最后由公式c＝b-Rb确定隔板高度，式中c为隔板高度；④、计算输入输出端耦合电感，确定耦合线的尺寸：每一谐振腔的有载品质因数为：Q_b＝0.435Q_cp；每个谐振腔的谐振阻抗为：R_b＝Q_b×Z_c；输入端和输出端接入系数为： $P=\sqrt{R_0/R_b},$ 式中R₀为输入、输出阻抗；输入端和输出端耦合电感为：L_i＝L₀＝P·L，式中L_i和L₀分别为输入、输出端耦合电感；根据公式L_i＝0.21[ln(2l/r)-1.0](μH)以及选择的导线直径计算输入、输出端引线的长度。

2、基于权利要求1所述数学响应模型所设计的一种移动通讯网络用腔体滤波器，其特征在于屏蔽腔体内纵向串联制有多个边长尺寸一致的谐振腔方腔，腔体两端的谐振腔壁对称连接设置输入、输出电磁耦合线连接部件，每一谐振腔内中央设置有统一尺寸与谐振螺杆配合的内螺管，由腔体输入侧至输出侧的谐振腔两两组成谐振腔组，每一谐振腔组的两谐振腔相邻窗口处、穿过盖板设有统一尺寸的耦合调整杆。

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