CN102800909B - 多模滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模滤波器，包括谐振腔、设置在所述谐振腔侧壁上的输入端和输出端、置于所述谐振腔中的谐振子，所述输入端和输出端相互垂直，所述谐振腔侧壁上还设有分别与所述输入端和输出端共轴线的第一调谐杆和第二调谐杆，所述谐振子包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述人造微结构为导电材料制成的具有几何图案的平面结构。本发明设计一种带有人造微结构的谐振子，该谐振子具有三个频率相近的本征模式，并同时设计了一个垂直的端口激励结构的谐振腔，形成通带高低端的两个零点，实现高抑制性能的带通滤波器。

Description

多模滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，更具体地说，涉及一种具有带通功能的多模滤波器。

背景技术

滤波器作为一种二端口网络，具有特定的频率选择特性，即让需要的频率信号顺利通过而对其他频率信号衰减抑制，目前广泛应用于雷达、广播、无线通信、测控系统等领域。滤波器性能的优劣直接影响整个微波系统，实际中时常需要使用具有高带外抑制性能的滤波器。通过在带外一定频率处引入衰减极点，即传输零点，可以为滤波器带来陡峭的带外抑制。两路或多路信号的相互抵消，是传输零点产生的物理原因。实现信号相互抵消的一种方法是在非相邻谐振器之间引入交叉耦合。引入交叉耦合结构以后，当一定频率的信号通过滤波器时，滤波器主路的相移与交叉耦合路径的相移相差180°，即相位相反，从而使得主路信号与交叉耦合路径的信号相互抵消，产生衰减极点。实现信号相互抵消的另外一种方法是在梯形网络的串联或并联支路中插入特有的零点激发元件(支节)，如极点提取技术，也称“零点腔”技术。

多模滤波器是滤波器小型化的技术途径之一。在一个腔内，可以存在数个谐振频率相等或者十分接近的模式，每一个模式相当于一个谐振回路，将这些模式耦合连接起来，便构成多模滤波器，这种滤波器较单模滤波器更为紧凑,具有广泛应用前景。目前，多模技术在波导、介质、微带等滤波器中已有大量研究，例如介绍波导滤波器多模技术中常用的模式及耦合的典型方法，也有采用对一个矩形介质谐振振子切角、使两个HE的极化简并模耦合，实现了双模滤波器，或者利用一种微带双模谐振单元，通过垂直的端口激励以及45°处的微扰，实现了两个正交模式耦合。

利用交叉耦合或“零点腔”技术产生零点，都需要额外引入耦合结构或者外加的腔体，使滤波器结构变的繁冗复杂。而多模滤波器都不可不避免需要加上微扰工艺及微扰的耦合结构，增加了加工工艺的难度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种无线引入耦合结构或外加腔体即可形成“零点腔”、实现多模的多模滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多模滤波器，包括谐振腔、设置在所述谐振腔侧壁上的输入端和输出端、置于所述谐振腔中的谐振子，所述输入端和输出端相互垂直，所述谐振腔侧壁上还设有分别与所述输入端和输出端共轴线的第一调谐杆和第二调谐杆，所述谐振子包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述人造微结构为导电材料制成的具有几何图案的平面结构；所述谐振子包括相同且叠合在一起的两块基板，其中一块基板的面向另一块基板的表面上附着有所述人造微结构；所述基板为正方形，所述正方形的四个侧面分别依次面向输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆的末端端面，所述人造微结构所在平面与所述输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆所在平面共面，且四个侧面到四个对应的末端端面的距离均相等。

在本发明所述的多模滤波器中，所述人造微结构包括四个T字形支路，每个T字形支路包括一条横线和一条起始端端连接在所述横线上的竖线，且所述竖线垂直平分所述横线。

在本发明所述的多模滤波器中，四个所述T字形支路的四条竖线的末端共一点，且所述四条竖线分别依次与输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆的轴线共线。

在本发明所述的多模滤波器中，所述四条竖线长度相等，四条横线的长度不完全相等。

在本发明所述的多模滤波器中，所述基板由微波介质陶瓷材料制成，所述人造微结构由金属制成。

在本发明所述的多模滤波器中，每块所述基板采用介电常数为16、损耗角正切值为0.001的陶瓷，厚度为1mm；人造微结构由线宽为0.2mm、厚度为0.018mm的铜线构成，四个T字形支路的每条竖线长9.7mm，四条横线长度依次为10.4mm、7.4mm、10.4mm、7.4mm。

在本发明所述的多模滤波器中，所述输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆伸入所述谐振腔内的长度均相同，所述谐振子位于所述谐振腔中央。

在本发明所述的多模滤波器中，所述谐振腔内部为对称结构，其内壁面由四个相同的平面或曲面依次连接且首尾相接而成。

在本发明所述的多模滤波器中，所述谐振腔内部为圆柱形，半径20mm，高30mm；所述输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆伸入所述谐振腔内的部分直径均为2mm。

在本发明所述的多模滤波器中，多个所述多模滤波器级联成一个具有带外抑制功能的滤波器。

实施本发明的多模滤波器，具有以下有益效果：本发明设计一种带有人造微结构的谐振子，该谐振子具有三个频率相近的本征模式，并同时设计了一个垂直的端口激励结构的谐振腔，形成通带高低端的两个零点，实现高抑制性能的带通滤波器。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明优选实施例的多模滤波器的俯视图；

图2是图1所示多模滤波器的A-A旋转剖面图；

图3是图1所示多模滤波器的人造微结构的尺寸示意图；

图4是图1所示多模滤波器的谐振子的剖面示意图；

图5是第一模式的电磁场中人造微结构的等效电路图；

图6是第二模式的电磁场中人造微结构的等效电路图；

图7是第三模式的电磁场中人造微结构的等效电路图；

图8是图4所示谐振子的等效电路图；

图9是C1值不同时谐振子的等效电路响应曲线；

图10是具体实施例下多模滤波器的S参数仿真图。

具体实施方式

本发明涉及一种多模滤波器，如图1、图2所示，包括谐振腔1、设置在谐振腔1侧壁上的输入端Port1和输出端Port2、置于谐振腔1中的谐振子以及支撑谐振子的底座4。

其中，输入端Port1和输出端Port2相互垂直，即二者的轴线是相互垂直的。在谐振腔1侧壁上还设有与输入端Port1共轴线的第一调谐杆Tun1，以及与输出端Port2共轴线的第二调谐杆Tun2，同时输入端Port1、输出端Port2、第一调谐杆Tun1、第二调谐杆Tun2的轴线均在同一水平面上。输入端Port1、输出端Port2伸入谐振腔内的部分为探针，探针成直线形，两个探针的直径与第一调谐杆Tun1、第二调谐杆Tun2的直径均相同，两个探针伸入腔内的长度相同且与第一调谐杆Tun1、第二调谐杆Tun2伸入腔内的长度相同。

本发明的谐振子没有采用传统的微波介质陶瓷谐振子，而是采用带状线介质，其包括非金属材料制成的基板3和附着在基板3上的人造微结构2。基板3的非金属材料优选为介电常数高、损耗角正切值低的微波介质陶瓷，当然也可以采用其他介电常数相对较高、损耗小的材料例如环氧树脂、聚四氟乙烯、铁电材料等。

为了使谐振腔内的对称性，使电磁波的对称性更佳，如图2、图4所示，本发明优选谐振子具有两块相同的基板3且二者整齐地叠合，人造微结构2夹在二者之间。实际制作中，即在一块基板3的表面上通过电镀后蚀刻或者蒸镀等方法附上人造微结构2，然后在该表面上通过现有的微波专用胶水粘上另一块基板3。

整个谐振子位于谐振腔1的正中央，即其中心点处于谐振腔高度一半、横截面中心的位置。本实施例中，基板3为正方形，如图1所示，正方形的四个侧面分别依次面向输入端Port1、输出端Port2、第一调谐杆Tun1和第二调谐杆Tun2的末端端面，且四个侧面到四个对应的末端端面的距离均相等。初始状态下，输入端Port1、输出端Port2、第一调谐杆Tun1、第二调谐杆Tun2伸入谐振腔1内的长度均相同。当然，后期调谐过程中，第一调谐杆Tun1、第二调谐杆Tun2伸入腔内的尺寸是可调的。

人造微结构2为具有一定几何图案的平面结构，该图案由导电材料的丝线组合合成。导电材料常用的是金属或金属合金，例如银、铜、金、银合金、铜合金等，非金属的导电材料包括铟锡氧化物、掺铝氧化锌、石墨、碳纳米管、导电塑料等。

由于导电材料的存在，使得其在电磁场中能引起一定量的电子移动和聚集，从而形成电容/电感等效电路，从而影响电磁场的分布。因此，本发明即设计一类特殊的人造微结构的结构形状，使得其具有三个频率非常相近的本征模式，同时通过上述相互垂直设置的输入、输出端口激励，使得三个频率中最低、最高两个频率的模式相当于外挂的“零点腔”，从而在无需外加耦合结构或腔体的情况下，实现谐振模式频率高低端各带一个传输零点。这种人造微结构2可作为滤波器的谐振单元耦合使用，在制作高抑制性能滤波器中具有潜在应用价值。

为了获得上述三个频率非常相近的本征模式，本发明的人造微结构具有四个支路，且这四个支路基本上相同只略有区别，从而具有相近而略有区别的模式频率。为了便于调谐，简化为每个支路包括电感等效线和电容等效线，且四个电感等效线的起始端分别连接着各自的电容等效线，而末端共一点。进一步简化，四个电感等效线完全相同，且以任一电感等效线的末端点为旋转中心旋转90度后与原四个电感等效线构成的图形重合。四个电容等效线分别靠近输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆的末端端面，并与之分别形成四个等效电容。电感等效线则用来等效为连接在电容之间的电感。

上述电感等效线、电容等效线可以为任意形状的线条，例如直线、多段线、螺旋线或其他任意曲线。本实施例中，为了进一步简化，电感等效线和电容等效线均为直线。

如图1、图3所示，人造微结构包括四个T字形支路，每个T字形支路包括一条横线和一条竖线，该竖线的起始端连接在横线上且垂直平分所述横线。这里的横线即为电容等效线，竖线为电感等效线。由图可知，四个T字形支路的四条竖线长度相等且末端共一点，而四条横线的长度不完全相等。为了减少参数变量，取相平行的两条横线等长，四条横线的两组平行线长度不相等。同时为了进一步简化模型、便于计算，这四条竖线分别依次与输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆的轴线共线。同时，为了减少其他变量对电磁场的影响，谐振腔内部为对称结构，其内壁面由四个相同的平面或曲面依次连接且首尾相接而成，例如为正方形柱面、圆柱面等。

如图3、图4所示，设定四条竖线连成的两条垂直相交线段的长度分别为l₁、l₂，则已知l₁＝l₂。两条相平行的横线的线长均为S₁，另两条横线的线长均为S₂，已知S₁≠S₂。且线长为S₁的两条横线分别对应着输入端Port1的末端和第一调谐杆Tun1的末端，线长为S₂的两条横线分别对应着输出端Port2的末端和第二调谐杆Tun2的末端。所有横线和竖线的线宽均为w，线厚为ht，基板有两块且为相同的正方形，边长为H，板厚为hs。

由CST电磁仿真软件可以得知，该结构具有三个频率相近的本征模式。

其中，第一模式的电场主要集中在边长为S₁的两条横线上，而这两条横线和与之相对的输入端、第一调谐杆的末端端面距离相等且尺寸相同，因此两条横线与输入端、第一调谐杆分别产生电容效应因此相当于加载了等值的电容，设定可以分别等效为一个容值相等的电容C₁，而磁场主要环绕在与这两条横线相连的两条竖线构成的线段l₁上，因此可以等效为电感L₁。因此，第一模式的等效电路图如图5所示。

第二模式的电场分布在四条横线上，而磁场环绕四条竖线，根据上述每个边长为S₁的横线与对应的输入/输出端或第一/第二调谐杆等效为电容C₁，边长为S₂的等下为C₂，连起来长度为l₁的两条竖线分别等效为一个L₁/2的电感，而连起来长度为l₂的两条竖线分别等效为一个L₂/2的电感。第二模式的等效电路图如图6所示。

第三模式的电场则主要集中在边长为S₂的两条横线上，而这两条横线和与之相对的输出端、第二调谐杆的末端端面距离相等且尺寸相同，因此可以分别等效为一个容值相等的电容C₂，而磁场主要环绕在与这两条横线相连的两条竖线构成的线段l₂上，因此可以等效为电感L₂。因此，第一模式的等效电路图如图7所示。

本发明为垂直端口进行激励，本实施例中输入端Port1和输出端Port2为两个轴线垂直放置的50欧匹配的同轴线端口，采用探针方式对谐振子激励。

整个谐振子在垂直端口激励下的等效电路如图8所示。输入端Port1和接地端Ground1之间构成第一模式的谐振回路，输出端Port2和接地端Ground2之间为第二模式的谐振回路，输入端Port1和输出端Port2之间构成第三模式的谐振回路。由图8可以看出，第一模式对应的输入端频率f_mode1和第三模式对应的输入端频率f_mode3的信号将分别传到Ground1和Ground2，而不能到达输出端，因此第一模式和第三模式的谐振电路相当于外接的零点激励支节，即“零点腔”，第一模式对应的输入端频率为f_mode1和第三模式对应的输入端频率f_mode3为零点所在位置。

本文采用的雪花结构有l₁＝l₂，两金属边等效电感相等，设其大小为L₁，则三个模式各自的谐振频率为(1)、(2)、(3)式所示：

$f_{\mathrm{mode}1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·\sqrt{L_1\·\frac{C_1}{2}}}---\left(1\right)$

$f_{\mathrm{mode}2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·\sqrt{L_1\·\frac{C_1\·C_2}{C_1+C_2}}}---\left(2\right)$

$f_{\mathrm{mode}3}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·\sqrt{L_1\·\frac{C_1}{2}}}---\left(3\right)$

显然，当C₁>C₂时，有f_mode1<f_mode2<f_mode3，因此S参数响应图中f_mode1和f_mode3位置处的两个传输零点位于谐振频率f_mode2的高低两端，图9为用Ansoftdesigner仿真几个不同C₁(限定L₁＝60Nh，C₂＝0.22pF)的等效电路响应曲线，可以看出中心频率两端各带一个零点，且ΔC(ΔC＝C₁-C₂)越小，零点相距越近，谐振峰更陡峭。

在一具体实施例中，基板采用介电常数为16、损耗角正切值为0.001的陶瓷，尺寸为20mm×20mm、厚度为1mm的方形板；人造微结构由线宽为0.2mm、厚度为0.018mm的铜线构成，四个T字形支路的每条竖线长9.7mm，四条横线长度依次为10.4mm、7.4mm、10.4mm、7.4mm。谐振腔内部为圆柱形，半径20mm，高30mm；输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆伸入所述谐振腔内的部分均为直径2mm，长度9mm，它们到方形基板四个侧表面的距离均为1mm。为了减小损耗，在谐振腔内壁上镀银。

S参数的仿真结果如图10所示。由图可知，谢振峰也即第二模式对应的谐振频率f_mode2的为1.84GHz，两端零点也即第一、第三模式的谐振频率f_mode1、f_mode3分别为1.82GHz、1.86GHz。

由上述描述可知，C₁﹥C₂是实现两端零点的必要条件，因此在其他条件完全相同的情况下要求线长为S₁的横线与线长为S₂的横线必须满足S₁﹥S₂。可通过调节输入端和输出端的探针到谐振子的距离、以及第一调谐杆和第二调谐杆到谐振子的距离来微调谐振峰与两端零点的距离。

本发明设计一种带有人造微结构的谐振子，该谐振子具有三个频率相近的本征模式，并同时设计了一个垂直的端口激励结构的谐振腔，通过分析等效电路证明了当两对横线线长满足S₁≠S₂时，前后两个模式工作于“零点腔”，形成通带高低端的两个零点，实现高抑制性能。多个这样的多模滤波器级联，即可组成一个带外抑制效果非常好的带通滤波器。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种多模滤波器，包括谐振腔、设置在所述谐振腔侧壁上的输入端和输出端、置于所述谐振腔中的谐振子，其特征在于，所述输入端和输出端相互垂直，所述谐振腔侧壁上还设有分别与所述输入端和输出端共轴线的第一调谐杆和第二调谐杆，所述谐振子包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述人造微结构为导电材料制成的具有几何图案的平面结构；所述谐振子包括相同且叠合在一起的两块基板，其中一块基板的面向另一块基板的表面上附着有所述人造微结构；所述基板为正方形，所述正方形的四个侧面分别依次面向输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆的末端端面，所述人造微结构所在平面与所述输入端、输出端、第一调谐杆和第二调谐杆所在平面共面，且四个侧面到四个对应的末端端面的距离均相等。

2.根据权利要求1所述的多模滤波器，其特征在于，所述人造微结构包括四个T字形支路，每个T字形支路包括一条横线和一条起始端端连接在所述横线上的竖线，且所述竖线垂直平分所述横线。

3.根据权利要求2所述的多模滤波器，其特征在于，四个所述T字形支路的四条竖线的末端共一点，且所述四条竖线分别依次与输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆的轴线共线。

4.根据权利要求3所述的多模滤波器，其特征在于，所述四条竖线长度相等，四条横线的长度不完全相等。

5.根据权利要求1所述的多模滤波器，其特征在于，所述基板由微波介质陶瓷材料制成，所述人造微结构由金属材料制成。

6.根据权利要求1所述的多模滤波器，其特征在于，所述输入端、输出端、第一调谐杆、第二调谐杆伸入所述谐振腔内的长度均相同，所述谐振子位于所述谐振腔中央。

7.根据权利要求6所述的多模滤波器，其特征在于，所述谐振腔内部为对称结构，其内壁面由四个相同的平面或曲面依次连接且首尾相接而成。

8.根据权利要求4所述的多模滤波器，其特征在于，多个所述多模滤波器级联为一个滤波器。