CN101630766A - 反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器 - Google Patents

Abstract

反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，包括螺旋滤波器腔体、螺旋滤波器盖板、SMA接头、频率调试螺钉、耦合调试螺钉、堵板、n个谐振器和m个反相位耦合机构，n是≥3的整数，m是≥1的整数，谐振器包括聚四氟乙烯介质骨架和正相位螺旋线圈，正相位螺旋线圈绕在聚四氟乙烯介质骨架上，反相位耦合机构包括两个反相位螺旋线圈和一个反相位馈电电缆，反相位耦合线圈从正相位螺旋线圈的接地位置反向绕制在聚四氟乙烯介质骨架上，其绕制方向与正相位线圈方向相反，产生了反相电流，在不增加体积、重量和损耗的前提下，在滤波器的带外形成了一对或多个衰减极点，使得带外抑制大大提高。本发明结构新颖紧凑，体积小，重量轻，功率容量大。

Description

反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器

技术领域

本发明涉及一种反相位螺旋滤波器，尤其是涉及一种多耦合椭圆函数螺旋滤波器，属于通讯技术领域。

背景技术

椭圆函数螺旋滤波器报道很少，主要是由于螺旋谐振器的特殊性，并且没有实用有效的设计软件，使得设计和实现非常困难。美国劳拉公司2000年提出了半波长双模椭圆函数螺旋滤波器，其结构特点是在一个螺旋谐振器上实现一腔双模技术，虽然使谐振器数目减半，但采用半波长谐振器又使得螺旋谐振器的高度增加了一倍；另外双模谐振器之间的耦合实现依靠45度的调谐螺钉，当线圈匝数多时(比如10以上时)，要求调谐螺钉的直径很大，所以难以实现。加拿大COM DEV公司在2004年提出了单模多耦合螺旋滤波器概念，其结构特征是将多耦合同轴腔体椭圆函数滤波器的设计技术移植到螺旋滤波器设计中，其技术具有开拓性。但缺点一是设计复杂，耦合有三四种形式，研制这样一个滤波器需要花费大量的人力物力，工程化困难；另外，由于是折叠式，体积变得庞大，实用性差。

本发明反相位耦合螺旋滤波器是依据无线通信系统中螺旋收发多工器的需求而研制的，它是把数十路大功率微波信号汇集，送往发射天线；同时，还可以把接收机微弱的宽带信号分成若干路。该螺旋收发多工器除了要求体积小、插损小、承载功率大外，还要求通道之间互隔离高达40dB。一般螺旋滤波器要达到这一目标阶数要增加2-3个，这样损耗将增加一半；反相位耦合螺旋滤波器在不增加体积、重量和损耗的前提下，在滤波器的带外提供了一对对称的衰减极点，使得带外抑制提高15dB以上，比折叠式椭圆函数螺旋滤波器缩小了体积，简化了设计电路，提高了可靠性。本发明相关设计思想和结构在国内外无相关公开文献。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、损耗小、承载功率大、电路简单、高可靠性的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器。

本发明的技术解决方案是：反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，包括螺旋滤波器腔体、螺旋滤波器盖板、SMA接头、频率调试螺钉、耦合调试螺钉、堵板、n个谐振器和m个反相位耦合机构，谐振器和反相位耦合机构固定安装在螺旋滤波器腔体内，螺旋滤波器腔体与螺旋滤波器盖板机械连接，SMA接头安装在螺旋滤波器腔体的两侧，频率调试螺钉和耦合调试螺钉分别与螺旋滤波器腔体的上端面机械连接，堵板与螺旋滤波器腔体为整体结构，n是≥3的整数，m是≥1的整数；

其中每个谐振器包括一个聚四氟乙烯介质骨架和一个正相位螺旋线圈，聚四氟乙烯介质骨架下端固定安装在螺旋滤波器腔体内，其上端面加工有与频率调试螺钉配合的孔，正相位螺旋线圈绕在聚四氟乙烯介质骨架上，正相位螺旋线圈一端开路，另一端接地，安装在螺旋滤波器腔体两侧边缘谐振器的正相位螺旋线圈伸出第三端输入输出抽头，输入输出抽头与SMA接头的导线柱连接，用来输入输出信号；

每个反相位耦合机构包括两个反相位螺旋线圈和一个反相位馈电电缆，反相位馈电电缆包括反相位馈电电缆外导体和反相位馈电电缆内导体，反相位耦合线圈从正相位螺旋线圈的接地位置反向绕制在聚四氟乙烯介质骨架上，反相位螺旋线圈的开路端与反相位馈电电缆内导体相连，另一端接地，正相位螺旋线圈和反相位螺旋线圈共同通过一个接地端螺旋谐振器接地，反相位馈电电缆外导体焊接在螺旋滤波器腔体上加工的反相位馈电电缆放置槽中，反相位馈电电缆内导体穿在反相位馈电电缆外导体中，同一反相位耦合机构的两个反相位螺旋线圈不相邻。

所述的反相位耦合机构可与任意三个一组的谐振器组合构成CT结构，使得滤波器频率响应高端或底端有一个极点，或者与任意四个一组的谐振器组合构成CQ结构，使得滤波器频率响应有一对极点。

所述的反相位馈电电缆集成在螺旋滤波器腔体的内部或外部。

所述的反相位螺旋线圈的直径及导线直径可以与正相位螺旋线圈相同也可不相同。

所述的CT结构和CQ结构可以任意组合。

所述的螺旋滤波器腔体、螺旋滤波器盖板、堵板和反相位馈电电缆外导体由金属材料制成。

所述的反相位馈电电缆外导体和反相位馈电电缆内导体同轴。

同相位线圈如图1所示，指两个互相耦合的电感线圈11′和22′，电流I和电压U方向相同，产生的磁通方向相反；反相位线圈如图2所示，指两个互相耦合的电感线圈11′和22′，电流I和电压U方向相反，产生的磁通方向相同。本发明中反相位耦合线圈如图3所示，指在滤波器中，两个相邻或不相邻的线圈11′和22′，由自身耦合产生反相位电流。当两个线圈相邻时，反相位的负耦合能量只是起到对主耦合了能量的抵消作用；当两个线圈不相邻时，反相位的负耦合可以通过极点提取技术提取出来，用作产生交叉耦合椭圆函数的带外衰减极点。

本发明的原理：反相位耦合螺旋滤波器是对单模多耦合螺旋滤波器概念的一个扩充，把一般螺旋滤波器其中一些谐振器改造成具有正、反相位的耦合线圈，并且将反相位线圈技术和极点提取技术结合起来，在常规多耦合螺旋滤波器(如图4所示)的任意三个一组(CT，如图5所示)的谐振器当中增加反相位耦合机构，反相位耦合机构安装在第一和第三个谐振器上，或是在四个一组(CQ，如图6所示)的谐振器当中增加反相位耦合机构，反相位耦合机构安装在第一和第四个谐振器上，使得滤波器响应带外有一个极点(CT)或一对极点(CQ)。它的优势是不需要折叠谐振器(如加拿大COM DEV技术)或增加高度的双模技术(如美国劳拉公司技术)就可以获得椭圆函数带外陡峭的滤波特性；另外反相位螺旋耦合机构很容易与螺旋滤波器集成，在不增即体积和重量的前提下，实现高性能抑制。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过引入反相位耦合机构，不需要折叠谐振器或增加高度的双模技术就可以获得椭圆函数带外陡峭的滤波特性；

(2)本发明的反相位耦合机构在不增加体积、重量和损耗的前提下，在滤波器的带外提供了一对对称的衰减极点，使得带外抑制提高15dB以上，比折叠式椭圆函数螺旋滤波器缩小了体积，简化了设计电路，提高了可靠性；

(3)本发明的反相位耦合机构，很容易与螺旋滤波器集成，在不增即体积和重量的前提下，实现高性能抑制；

(4)本发明反相位耦合机构可以实现任意三个谐振器一组(CT)或四个谐振器一组(CQ)或者两者结合，产生高端或低端一个或一对衰减极点的高性能滤波器特性，其设计技术先进，具有很大的灵活性；

(5)本发明的反相位耦合机构由于体积小、结构简洁，可以集成在滤波器的内部或外部；

(6)本发明体积小，重量轻，为研制高性能的螺旋双工器和多工器打下了良好的基础，开拓了领域、积累了经验，具有相当的实用性和市场竞争力，研制成功的螺旋多工器系统联试表明，工作性能稳定；

(7)本发明结构简单，不需要大量的设计工作，降低了生产成本。

附图说明

图1为同相位线圈示意图；

图2为反相位线圈示意图；

图3为本发明反相位耦合线圈示意图；

图4为一般的螺旋滤波器等效电路示意图；

图5为本发明CT结构等效电路示意图；

图6为本发明CQ结构等效电路示意图；

图7为本发明CT+CQ结构等效电路示意图；

图8为本发明内部集成结构示意图；

图9为图8的侧视图；

图10为本发明外部集成结构示意图；

图11为本发明性能测试曲线图；

图12为一般螺旋滤波器与本发明性能比较曲线图。

具体实施方式

下面结合实例来进一步说明本发明，实例以单组CQ结构为例，其余结构原理相同。

如图8、9、10所示，反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器包括螺旋滤波器腔体1、螺旋滤波器盖板2、SMA接头3、频率调试螺钉4、耦合调试螺钉5、堵板6、4个谐振器和1个反相位耦合机构。

螺旋滤波器腔体1与螺旋滤波器盖板2机械连接，构成屏蔽式结构。螺旋滤波器腔体1和螺旋滤波器盖板2由金属材料制成。

SMA接头3安装在螺旋滤波器腔体1的两侧，SMA接头3中心的导柱用来连接线圈的输入输出端，传输信号。

频率调试螺钉4与螺旋滤波器腔体1的上端面机械连接，伸入到聚四氟乙烯介质骨架7上端面加工的内孔中，用来调试反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器的频率。

耦合调试螺钉5与螺旋滤波器腔体1的上端面机械连接，与堵板6上下对应，耦合调试螺钉5通过微调与堵板6垂直距离来调节耦合度。堵板6为金属材料，是在成型螺旋滤波器腔体1时一体成型，堵板6可作为内侧谐振器线圈的接地端。

谐振器包括一个聚四氟乙烯介质骨架7和一个正相位螺旋线圈8，聚四氟乙烯介质骨架7下端固定安装在螺旋滤波器腔体1内，其上端面加工有与频率调试螺钉4配合的孔，正相位螺旋线圈8绕在聚四氟乙烯介质骨架7上，正相位螺旋线圈8一端开路，另一端接地，内侧的正相位螺旋线圈8通过螺旋谐振器接地柱11与堵板6连接。

安装在螺旋滤波器腔体1两侧边缘谐振器的正相位螺旋线圈8伸出第三端输入输出抽头10，输入输出抽头10与SMA接头3的导线柱连接，用来输入输出信号，其接地端通过螺旋谐振器接地柱11与螺旋滤波器腔体1连接。

正相位螺旋线圈8的设计主要是根据功率容量、插入损耗要求选择每个螺旋滤波器腔体1的边长尺寸，具体选择是：功率要求低，边长的尺寸可以较小，功率要求高，则边长的尺寸较大；根据螺旋滤波器腔体1高度选择谐振器线圈的焊接位置，螺旋滤波器腔体1高度尺寸一般约为腔体尺寸的1.6倍，本例中螺旋滤波器腔体1为32mm方腔，构成谐振器的铜导线直径选1.5mm，螺距选3mm。

反相位耦合机构包括两个反相位螺旋线圈9和一个反相位馈电电缆，反相位馈电电缆包括反相位馈电电缆外导体13和反相位馈电电缆内导体14，反相位耦合线圈9从正相位螺旋线圈8的接地位置反向绕制在聚四氟乙烯介质骨架7上，反相位螺旋线圈9的开路端与反相位馈电电缆内导体14相连，另一端接地，正相位螺旋线圈8和反相位螺旋线圈9共同通过螺旋谐振器接地柱11接地，反相位馈电电缆外导体13焊接在螺旋滤波器腔体1上加工的反相位馈电电缆放置槽12中，反相位馈电电缆内导体14穿在反相位馈电电缆外导体13中，反相位馈电电缆外导体13和反相位馈电电缆内导体14同轴，反相位馈电电缆外导体14由金属材料制成。同一反相位耦合机构的两个反相位螺旋线圈9不相邻。

反相位耦合机构可与任意三个一组的谐振器组合构成CT结构，如图5所示，使得滤波器频率响应高端或低端有一个极点，或者与任意四个一组的谐振器组合构成CQ结构，如图6所示，使得滤波器频率响应有一对极点。CT结构和CQ结构可以任意组合，通过CT结构和CQ结构任意组合，可以实现复杂的多耦合高性能椭圆函数螺旋滤波器，使得本发明的结构形式多样化，图7描述了一种CT+CQ的组合方式，其余组合方式在此就不一一赘述。反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器可以相互集成，或与其他螺旋滤波器集成，组成高性能、具有收发共用功能的双工器或多工器。

反相位馈电电缆可以如图8所示，集成在螺旋滤波器腔体的内部，也可如图10所示，集成在螺旋滤波器腔体的外部。反相位馈电电缆的选择办法：反相位馈电电缆内导体14直径可以选与正相位螺旋线圈8绕线直径相当，反相位馈电电缆外导体13外径尽可能选择直径较小的半刚性电缆。

反相位螺旋线圈9的直径及导线直径可以与正相位螺旋线圈8相同也可不相同。反相位螺旋线圈9是在主耦合正相位螺旋线圈8的接地位置绕制，由于其绕制方向与正相位螺旋线圈8方向相反，产生了反相电流，其耦合系数可以通过测试法获得，或者由以下公式近似得到：Nn/N＝k。(注：Nn为反相位螺旋线圈匝数；N为正相位螺旋线圈匝数；k为椭圆函数滤波器耦合矩阵中交叉耦合系数。)

通过以上设计，本发明的实例性能测试如图11所示，与一般螺旋滤波器性能比较曲线图如图12。

主要性能如下：

^＊频率：F0＝60-100MHz

^＊带宽：通道带宽为2.5MHz

^＊插损：通道内插损小于0.9dB

^＊隔离：相互隔离大于等于40dB

^＊工作温度：-10～+45℃

^＊功率容量：大于80W。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1、反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于包括：螺旋滤波器腔体(1)、螺旋滤波器盖板(2)、SMA接头(3)、频率调试螺钉(4)、耦合调试螺钉(5)、堵板(6)、n个谐振器和m个反相位耦合机构，谐振器和反相位耦合机构固定安装在螺旋滤波器腔体(1)内，螺旋滤波器腔体(1)与螺旋滤波器盖板(2)机械连接，SMA接头(3)安装在螺旋滤波器腔体(1)的两侧，频率调试螺钉(4)和耦合调试螺钉(5)分别与螺旋滤波器腔体(1)的上端面机械连接，堵板(6)与螺旋滤波器腔体(1)为整体结构，n是≥3的整数，m是≥1的整数；

其中每个谐振器包括一个聚四氟乙烯介质骨架(7)和一个正相位螺旋线圈(8)，聚四氟乙烯介质骨架(7)下端固定安装在螺旋滤波器腔体(1)内，其上端面加工有与频率调试螺钉(4)配合的孔，正相位螺旋线圈(8)绕在聚四氟乙烯介质骨架(7)上，正相位螺旋线圈(8)一端开路，另一端接地，安装在螺旋滤波器腔体(1)两侧边缘谐振器的正相位螺旋线圈(8)伸出第三端输入输出抽头(10)，输入输出抽头(10)与SMA接头(3)的导线柱连接，用来输入输出信号；

每个反相位耦合机构包括两个反相位螺旋线圈(9)和一个反相位馈电电缆，反相位馈电电缆包括反相位馈电电缆外导体(13)和反相位馈电电缆内导体(14)，反相位耦合线圈(9)从正相位螺旋线圈(8)的接地位置反向绕制在聚四氟乙烯介质骨架(7)上，反相位螺旋线圈(9)的开路端与反相位馈电电缆内导体(14)相连，另一端接地，正相位螺旋线圈(8)和反相位螺旋线圈(9)共同通过一个螺旋谐振器接地柱(11)接地，反相位馈电电缆外导体(13)焊接在螺旋滤波器腔体(1)上加工的反相位馈电电缆放置槽(12)中，反相位馈电电缆内导体(14)穿在反相位馈电电缆外导体(13)中，同一反相位耦合机构的两个反相位螺旋线圈(9)不相邻。

2、根据权利要求1所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的反相位耦合机构可与任意三个一组的谐振器组合构成CT结构，使得滤波器频率响应高端或低端有一个极点，或者与任意四个一组的谐振器组合构成CQ结构，使得滤波器频率响应有一对极点。

3、根据权利要求1所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的反相位馈电电缆集成在螺旋滤波器腔体(1)的内部或外部。

4、根据权利要求1所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的反相位螺旋线圈(9)的直径及导线直径可以与正相位螺旋线圈(8)相同也可不相同。

5、根据权利要求2所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的CT结构和CQ结构可以任意组合。

6、根据权利要求1所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的螺旋滤波器腔体(1)、螺旋滤波器盖板(2)、堵板(6)和反相位馈电电缆外导体(13)由金属材料制成。

7、根据权利要求1所述的反相位耦合椭圆函数螺旋滤波器，其特征在于：所述的反相位馈电电缆外导体(13)和反相位馈电电缆内导体(14)同轴。

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