CN101699648A - 可控电磁耦合介质谐振器滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控电磁耦合介质谐振器滤波器，包括导体壳，导体壳内有两个或两个以上的工作于TE01δ模式的介质谐振器，导体壳的顶部被导体盖板封闭，输入/出装置穿过导体外壳将电磁能量馈入/出滤波器；与介质谐振器顶部正对的导体盖板上有调谐螺钉，调谐螺钉底部固定连接一个调谐盘，在需要可控电磁耦合的相邻的两个导体谐振器之间设有电磁耦合控制组件。本发明用只具有主耦合路径的同轴腔滤波器实现了椭圆函数滤波特性，具有体积小，成本低，插入损耗小，响应非对称的优点。

Description

可控电磁耦合介质谐振器滤波器

技术领域

本发明涉及微波滤波器，尤其涉及一种具有可控电磁耦合结构的介质谐振器滤波器。

背景技术

随着无线通信用户容量的不断增大，有限的微波频段变得越来越拥挤，频谱资源变得越来越稀缺并且被越来越严格、密集地划分为多个子频段。因此日益增长的市场需求和无线通信标准的提高迫切地要求微波滤波器具有更高的选择性和更低的损耗从而能更高效地切割、划分和利用有限的频谱资源。介质谐振器由于具有极高的Q值、介电常数、温度稳定性而被应用制造具有高选择性、高稳定性、低损耗的介质谐振器滤波器。自上世纪80年代起介质谐振器滤波器被广泛应用于无线通信和卫星通信系统。在微波介质谐振器滤波器领域众所周知，一个带通滤波器的通带传输特性和阻带衰减特性是由滤波器中所有谐振器的谐振频率和这些谐振器之间的耦合决定的。因此如何控制介质谐振器滤波器中介质谐振器的谐振特性和谐振器间的耦合特性对于提高滤波器的性能至关重要。

准椭圆函数滤波响应具有有限频率的传输零点。传输零点就是陷波点，可以认为是响应曲线S21上的零点。传输零点可以出现在通带的一侧或两侧，以提高带外抑制并产生对称或非对称的滤波器响应。利用传输零点可以使低阶准椭圆函数滤波器获得的特性等同于甚至优于高阶切比雪夫滤波器的特性。目前，实现传输零点最常用的方法是采用交叉耦合技术。交叉耦合技术是指电磁信号从滤波器的输入端到输出端不仅通过了主耦合路径，还通过了交叉耦合路径。主耦合是指滤波器中输入端到输出端之间的谐振单元按顺序依次耦合，每个谐振单元只与按顺序与之相邻的谐振单元具有耦合关系；交叉耦合是指非相邻的谐振单元之间具有的耦合关系，具有交叉耦合设置的滤波器称为交叉耦合滤波器。在现有技术条件下的滤波器综合设计中，只具有主耦合路径的介质谐振器滤波器只能实现普通的切比雪夫函数滤波器响应而无法实现具有传输零点的准椭圆函数滤波器响应。目前大部分准椭圆函数滤波特性都是由交叉耦合滤波器实现的，但传统的交叉耦合滤波器存在阶数仍然较高，尺寸仍然较大，传输零点位置对各谐振器间的耦合十分敏感，且设计难度高的缺点。

TE01δ模介质谐振器滤波器是一种应用最为广泛的介质谐振器滤波器类型。这是由于TE01δ模是介质谐振器的基本谐振模式而且这种模式没有其他简并模。因此TE01δ模介质谐振器滤波器具有设计简单成本低廉调谐容易的优点，适合大规模生产和调试。以下简称TE01δ模介质谐振器滤波器为介质谐振器滤波器。在介质谐振器滤波器中，谐振器的电场大部分被束缚在谐振器的内部，而谐振器的磁场在远离谐振器的一段距离范围内仍然具有较强的场强。因此如果没有任何附加结构存在，相邻谐振器之间的耦合极性为磁耦合。为了实现椭圆函数交叉耦合滤波器，在非相邻的谐振器间不仅需要磁耦合，也需要电耦合，电耦合一般由设置在两个谐振单元之间的耦合探针实现。

在现有的介质谐振器滤波器中，所有相邻或非相邻的谐振单元之间都只存在单一的可控电耦合或磁耦合，而不存在可控的电磁耦合。专利号为US006094113A的实用型专利是一个典型的交叉耦合介质谐振腔滤波器，相邻谐振单元之间的主耦合全都是磁耦合，非相邻谐振单元之间的交叉耦合可以是磁耦合也可以是电耦合。该发明不具备可调的电耦合装置，因此无法实现可控的电磁耦合。此外由于该发明最多只能实现比滤波器阶数少2的可控传输零点，滤波器效率较低，而且所有传输零点对交叉耦合的变化非常敏感，不能独立控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有主耦合滤波器无法实现椭圆函数滤波特性的问题，克服现有交叉耦合滤波器体积仍然较大的问题，提供一种具有可控电磁耦合结构的介质谐振器滤波器以及由所述可控电磁耦合介质谐振器滤波器构成的双工器、多工器，用只具有主耦合设置的滤波器实现椭圆函数滤波特性。

为实现本发明的目的采用如下的技术方案：一种可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，包括由导体盖板密封的导体壳，导体壳内设有两个或两个以上的介质谐振器，介质谐振器底部固定在导体壳内底部，任意两个相邻的介质谐振器组成一个可控电磁耦合单元；输入/输出同轴电缆分别穿过导体壳的两个对立面，与固定在导体壳内壁上的两个能量转换装置分别连接；在任意一个可控电磁耦合单元中，两个相邻的介质谐振器之间设有从导体壳外穿入导体壳内的金属螺钉，还设有固定在导体壳内底部用于阻挡耦合磁场的金属共壁，在所述金属螺钉对面的导体壳内壁与所述两个相邻的介质谐振器之间还设有与所述两个相邻的介质谐振器排列方向平行的金属导带，所述金属导带与所述两个相邻的介质谐振器之间的距离可调。

为了更好地实现本发明，所述可控电磁耦合谐振器滤波器还包括从所述导体盖板上穿入所述导体壳内的金属或介质调谐螺钉，所述调谐螺钉穿入导体壳内位于任意一个介质谐振器顶部的正上方，其底部固定连接一个金属或介质调谐盘。在导体盖板上设置调谐螺钉及调谐盘，通过调节调谐盘与介质谐振器的距离，就可对每个谐振腔的谐振频率进行微调，使滤波器克服加工误差的影响更精确地工作于设定频率。

所述能量转换装置是指一端与输入/输出同轴电缆的内芯相接，另一端与导体壳相接的短路金属环，或者是一端与输入/输出同轴电缆的内芯相接，另一端不与导体壳相接的开路金属探针。

所述介质谐振器通过位于其底部的介质基座固定在导体壳内底部，所述介质基座的底部与导体壳的内底部由螺钉固定相接。

所述任一条金属导带的两端分别固定在从导体壳外穿入导体壳内的两个介质螺钉的顶端。所述介质螺钉的顶端设有呈“工”字型的固定装置，所述金属导带套接在“工”字型固定装置的凹陷处，这个“工”字型的固定装置可以由两个固定在介质螺钉顶端的介质螺帽实现，这是优选方案。因为这种连接方式不仅保证了介质螺钉和金属导带连接的灵活性，还使得金属导带不会因为介质螺钉的旋转而产生变形。

所述导体盖板由均匀分布在其四周的金属螺钉密封在导体壳上。

本发明的工作原理是：通过电磁耦合相互耦合并且被电磁耦合控制装置——金属导带、金属螺钉、介质螺钉——控制耦合量的两个相邻的介质谐振器及其相应的电磁耦合控制组建构成一个单独的可控电磁耦合滤波单元。电、磁耦合的控制方法如下：金属螺钉从导体壳外穿入导体壳内并伸入至两个相邻的谐振器之间。调整金属螺钉伸入谐振器之间的长度可以改变相邻两个谐振器之间磁耦合的强度；介质螺钉从导体壳外穿入导体壳内，介质螺钉的顶端与金属导带相连，调整介质螺钉伸入导体壳的长度可以改变金属导带与谐振器之间的距离从而改变电耦合的强度。电磁信号通过任意一个可控的电磁量的大小可以控制该传输零点的位置。每个可控电磁耦合滤波单元可以独立工作构成一个具有单个传输零点的二阶椭圆函数滤波器，也可以与其它可控电磁混合耦合滤波单元或谐振单元相互耦合并且协同工作，构成具有多个传输零点的高阶椭圆函数滤波器。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

1、传统的主耦合介质谐振器滤波器只能实现普通的切比雪夫滤波器响应，而本发明通过对相邻介质腔之间主耦合中电、磁耦合的控制可以实现性能更好的准椭圆函数滤波器，减少了所需谐振单元的数目，从而减小了滤波器的尺寸，降低了生产成本。

2、与现有交叉耦合滤波器相比，本发明具有更低的阶数、更小的体积以及更灵活的传输零点设置。传统的交叉耦合滤波器需要至少三个谐振单元才能产生一个传输零点；而本发明只需要一个包含两个谐振单元的电磁耦合滤波单元就可以产生一个传输零点，即本发明可以实现比滤波器阶数少1的可控传输零点。交叉耦合滤波器的传输零点需要整体设计，其中每个传输零点位置的变化都会导致其他传输零点的变化，并且传输零点的位置对交叉耦合大小的变化十分敏感；而在本发明中，每个传输零点都是由单个的可控电磁耦合单元独立创造的，因此滤波效率更高，在高阶的电磁耦合滤波器中，由于每个传输零点的位置可以独立控制且单个传输零点的变化不会引起其他传输零点的变化，很容易实现非对称的滤波器响应。

3、在本发明中，由于谐振器沿直线排列，因此本发明比交叉耦合滤波器更适于双工、多工器应用。

4、在本发明中，由于电磁耦合的抵消效应，谐振器之间的间距比传统的介质腔谐振器间距更小，因此滤波器尺寸更小。

5、本发明可以与现有的交叉耦合技术相结合，创造出体积更小，性能高优越的准椭圆函数滤波器。

附图说明

图1是一个2阶1零点可控电磁耦合介质谐振器滤波器的立体视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的主视图；

图4是图1中介质螺钉与金属导带的连接示意图；

图5是一个4阶3零点可控电磁耦合介质谐振器滤波器的结构图；

图6是图5中滤波器的频率响应曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例

图1～图3是2阶1零点的可控电磁耦合介质谐振器滤波器的结构示意图，导体壳1内有两个介质谐振器2，组成一个可控电磁耦合单元。导体壳1的顶部被导体盖板12封闭，导体盖板12的四周与导体壳1接触的地方由均匀分布的金属螺钉进行固定，导体盖板12可以拆卸以便设置金属导体壳1内部各部件。输入/出同轴电缆3穿过导体壳1并通过能量转换装置4将电磁能量馈入/出滤波器。能量转换装轴4可以是一端与馈电同轴电缆3的内芯相连接，另一端与导体外壳相接的短路金属环；也可以是一端与馈电同轴电缆3的内芯相接，另一端不与导体外壳相接的开路金属探针。可控电磁耦合介质谐振器滤波器工作时介质谐振器2及附近的电磁场分布模式为TE01δ模式。与介质谐振器2顶部正对的导体盖板12上设有从导体壳1外穿入导体壳1内的调谐螺钉10；调谐螺钉10底部固定连接一个调谐盘11。调谐螺钉10和调谐盘11的材料可以为金属或介质。旋入旋出调谐螺钉10可以改变调谐盘11与介质谐振器2的距离就可对每个谐振腔的谐振频率进行微调，使滤波器克服加工误差的影响更精确地工作于设定频率。相邻两个介质谐振器2之间分布的耦合磁场构成了二者之间的磁耦合。金属共壁5的底部固定在导体壳1的内底部，相邻两个介质谐振器2之间的金属共壁5可以阻挡耦合磁场从而减小磁耦合强度。在导体壳1内，两个相邻的介质谐振器2之间设有从导体壳1外穿入导体壳1内的金属螺钉7，在金属螺钉7对面的导体壳1内壁与所述两个相邻的介质谐振器2之间还设有与所述两个相邻的介质谐振器2排列方向平行的金属导带6，两个谐振器2之间的金属导带6实现二者之间的电耦合。

位于介质谐振器2底部的介质基座9用于支撑谐振器2。介质基座9的底部与导体壳1的内底部相接，其连接方式可以由螺钉固定。

金属导带6与介质螺钉8的连接方式如图4所示。介质螺钉8从导体壳1外穿入导体壳1内，其顶端设有呈“工”字型的固定装置用于卡住金属导带6。这个“工”字型的固定装置可以由两个固定在介质螺钉8顶端的介质螺帽实现。这种连接方式保证了介质螺钉8和金属导带6连接的灵活性，从而使金属导带6不会因为介质螺钉8的旋转而产生变形。

本发明的工作原理是：通过电磁耦合相互耦合并且被电磁耦合控制装置——金属导带6、金属螺钉7、介质螺钉8——控制耦合量的两个相邻的谐振器2及其相应的电磁耦合控制组建构成一个单独的可控电磁耦合滤波单元。电、磁耦合的控制方法如下：金属螺钉7从导体壳1的侧壁传穿过并伸入导体壳1内至两个介质谐振器2之间。调整金属螺钉7伸入相邻两个介质谐振器2之间的长度可以改变相邻两个谐振器2之间磁耦合的强度；介质螺钉8穿过导体壳1的另一侧壁并深入导体壳1内。介质螺钉8的顶端与金属导带6相连。调整介质螺钉8伸入导体壳1的长度可以改变金属导带6与介质谐振器2之间的距离从而改变电耦合的强度。电磁信号通过任意一个可控的电磁耦合滤波单元都会产生一个传输零点。通过分别控制电耦合能量和磁耦合能量的大小可以控制该传输零点的位置。每个可控电磁耦合滤波单元可以独立工作构成一个具有单个传输零点的二阶椭圆函数滤波器，如图1所示，也可以与其它可控电磁混合耦合滤波单元或谐振单元相互耦合并且协同工作，构成具有多个传输零点的高阶椭圆函数滤波器，如图5所示。

图5所示为一个4阶电磁耦合介质谐振器滤波器。导体壳1内设有4个介质谐振器2，任意两个介质谐振器2组成一个可控电磁耦合滤波单元，任意两个介质谐振器2之间均设有金属共壁5、金属螺钉7、两端分别固定在介质螺钉8顶端的金属导带6(结构与图1～图3的结构类似)。每两个谐振器之间都具有可控的电磁耦合装置从而可以实现3个位于通带附近的传输零点。该4阶电磁耦合介质谐振器滤波器还可以在每个介质谐振器2的顶部正对的导体盖板12上设置调谐螺钉10和调谐盘11，方便精确控制工作的频率。该4阶电磁耦合介质谐振器滤波器具有优越的准椭圆函数滤波特性，其频率响应曲线如图6所示。

本发明并不仅限于上述给出的实施方案，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，包括由导体盖板密封的导体壳，导体壳内设有两个或两个以上的介质谐振器，介质谐振器底部固定在导体壳内底部，任意两个相邻的介质谐振器组成一个可控电磁耦合单元；输入/输出同轴电缆分别穿过导体壳的两个对立面，与固定在导体壳内壁上的两个能量转换装置分别连接；在任意一个可控电磁耦合单元中，两个相邻的介质谐振器之间设有从导体壳外穿入导体壳内的金属螺钉，还设有固定在导体壳内底部用于阻挡耦合磁场的金属共壁，在所述金属螺钉对面的导体壳内壁与所述两个相邻的介质谐振器之间还设有与所述两个相邻的介质谐振器排列方向平行的金属导带，所述金属导带与所述两个相邻的介质谐振器之间的距离可调。

2.根据权利要求1所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述可控电磁耦合介质谐振器滤波器还包括从所述导体盖板上穿入所述导体壳内的金属或介质调谐螺钉，所述调谐螺钉穿入导体壳内位于任意一个介质谐振器顶部的正上方，其底部固定连接一个金属或介质调谐盘。

3.根据权利要求1或2所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述能量转换装置是指一端与输入/输出同轴电缆的内芯相接，另一端与导体壳相接的短路金属环；或者是一端与输入/输出同轴电缆的内芯相接，另一端不与导体壳相接的开路金属探针。

4.根据权利要求1或2所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述介质谐振器通过位于其底部的介质基座固定在导体壳内底部，所述介质基座的底部与导体壳的内底部由螺钉固定相接。

5.根据权利要求1或2所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述任一条金属导带的两端分别固定在从导体壳外穿入导体壳内的两个介质螺钉的顶端。

6.根据权利要求5所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述介质螺钉的顶端设有呈“工”字型的固定装置，所述金属导带套接在“工”字型固定装置的凹陷处。

7.根据权利要求1或2所述的可控电磁耦合介质谐振器滤波器，其特征是，所述导体盖板由均匀分布在其四周的金属螺钉密封在导体壳上。

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