CN103457008B - 一种具有背腔谐振器的滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有背腔谐振器的滤波器，在滤波器阶数较小的情况下也能产生传输零点，以提高滤波器带外抑制，解决双工器中带外抑制差的问题。该滤波器包括输入端、多个螺旋谐振器、隔板、输出端、多个背腔谐振器、金属框架。金属框架包括多个金属腔，输入端和输出端包括外包裹和位于外包裹内的金属杆，金属杆穿过金属框架金属腔的金属壁且不与金属壁接触。多个螺旋谐振器与多个背腔谐振器均置于金属框架内。本发明结构简单，构建灵活，可用于任何阶数的腔体滤波器，能在带外任何地方产生传输零点，提高其滤波性能。

Description

一种具有背腔谐振器的滤波器

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信系统射频技术领域的一种具有背腔谐振器的滤波器。本发明可用于无线通信系统射频前端进行滤波时产生传输零点，提高滤波器的带外抑制，从而提高通讯设备或收发系统的性能。

背景技术

滤波器是雷达、无线通信系统、测控系统必不可少的器件之一，利用它的选择性传输作用，可以从众多信号中选择出所需要的频率的信号，使其顺利传输，抑制不需要的信号频率。双工器是由两个不同通频段的滤波器通过阻抗匹配网络连接组成的，其作用是既要将微弱的接收信号耦合进来，又要将较大的发射功率信号馈送到天线上去，且要求两者各自完成其功能而不互相影响。在实际使用中，经常会有接收频率和发射频率很接近的情况，这就要求双工器有很好的隔离度，即双工器中接收端的滤波器要在发射频率处具有较高的抑制，以避免发射端的大功率信号泄露到接收端，阻塞甚至烧毁接收端的低噪放。同时，发射端的滤波器也要在接受频率处具有较高的带外抑制，来避免发射杂散太大从而淹没接受信号。因此，该滤波器需要在距离通带很近的带外所需频点处有较高的抑制。目前，能够实现该技术的方法如下：

南京广顺网络通信设备有限公司在其专利申请文件“一种射频信号中低频段高抑制双工器”（申请号201210345089.6，申请日2012.09.18，公布号CN102832428A,公布日2012.12.19）中提出了一种射频信号中低频段高抑制双工器。该双工器包括由腔体壁分隔开的两个相邻腔体，单腔侧边采用多层凸台结构，通过一根容性交叉耦合片将两个非相邻的谐振腔相连，实现了交叉耦合，提高了滤波器的带外抑制。但是，该方法存在的不足之处是，它的传输零点是通过交叉耦合来实现的，也就是说当阶数很少比如2阶时，就无法利用交叉耦合来产生传输零点。

华南理工大学在其专利申请文件“一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器”（申请号201210017994.9，申请日2012.01.18，公布号CN102544652A,公布日2012.07.04）中提出了一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器。该超宽带滤波器采用新型多枝节加载多模谐振器，在超宽带范围内具有五个谐振模式，并在通带上下各产生一个传输零点。产生的零点及其倍频零点抑制多模谐振器的高次谐振模式，极大拓宽了通带上阻带抑制效果。但是，该方法的不足之处是，该方法用于微带滤波器，不适用于腔体的滤波器来提高带外抑制。

丹东华欣电子科技有限公司在其专利申请文件“奇次谐波抑制型螺旋腔体滤波器”（申请号201210004885.3申请日2012.01.10公布号CN102544658A公布日2012.07.04）中提出在滤波器输出侧谐振腔外端加入抑制电路。该抑制电路为LC低通滤波电路，LC低通滤波电路的输入端和输出侧谐振腔的耦合引线相连。抑制电路用于滤除螺旋腔体滤波器的奇次谐波，从而提高了滤波器的带外抑制。该方法的不足之处是，虽然该滤波器能抑制螺旋腔体的奇次谐波，但是在滤波器通带很近的带外，抑制效果不明显，不能满足双工器中对滤波器的邻近带外高抑制的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有背腔谐振器的滤波器。本发明的结构中由于引入背腔谐振器可以产生传输零点，提高滤波器的带外抑制，从而提高双工器收发通道之间的隔离。

为实现本发明的目的，本发明的滤波器包括输入端，多个螺旋谐振器，隔板，输出端，多个背腔谐振器，金属框架。金属框架包括多个金属腔。

输入端和输出端包括外包裹和位于外包裹内的金属杆，金属杆穿过金属框架金属腔的金属壁，且不与金属壁接触。

与输入端相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输入端的金属杆相连。与输出端相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输出端的金属杆相连。

多个螺旋谐振器与多个背腔谐振器均置于金属框架内。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明的结构中引入背腔谐振器，背腔谐振器谐振时信号短路到地，产生传输零点，由此在滤波器阶数很少比如二阶时也能产生传输零点，克服了现有技术中使用交叉耦合必须要满足滤波器阶数大于等于三阶时才能产生传输零点的不足，使得本发明具有在滤波器任意阶数时都可以产生传输零点的优点。

第二，由于本发明的背腔谐振器可以设计工作在滤波器传输零点的频率处，由此传输零点可以在滤波器阻带的任何位置，克服了在现有技术中滤波器阶数为两阶时在通带附近的阻带不能产生传输零点的不足，使得本发明具有双工器中对滤波器阶数为两阶时带外特定频点高抑制的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明单个螺旋谐振器的正视图；

图3为本发明的仿真效果图。

具体实现方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照附图1，本发明包括输入端1，多个螺旋谐振器2，隔板3，输出端4，多个背腔谐振器5，金属框架6。金属框架6包括多个金属腔。输入端1和输出端4包括外包裹和位于外包裹内的金属杆，金属杆穿过金属框架6金属腔的金属壁，且不与金属壁接触。与输入端1相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输入端1的金属杆相连。与输出端4相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输出端4的金属杆相连。多个螺旋谐振器2与多个背腔谐振器5均置于金属框架6内。

输入端1的金属杆、多个螺旋谐振器2、隔板3、输出端的金属杆4、多个背腔谐振器5和金属框架6的表面均镀银，减小滤波器的损耗。

输入端1和输出端4，均使用同轴馈电。本发明的实施例采用HFSS模型，其中金属杆半径为0.75mm，外包裹使用空气介质，半径为1.75mm；内外半径比为3:7，端口阻抗为50Ω，可模拟实际工程的50Ω馈电。该金属杆位于螺旋谐振器匝数N=0.25匝的位置时，满足滤波器的外部耦合。

隔板3的厚度为2mm，高度88mm≤h≤90mm。本发明的实施例中选取隔板高度h=89mm。选取的隔板3的高度满足滤波器的腔间耦合，使得滤波器通带插损耗较小，滤波器性能较好。

多个螺旋谐振器2的个数由下式确定：

$n=\mathrm{int}\left[\frac{\log ({10}^{\frac{\mathrm{AL}}{10}}-1)}{2\log \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}\right]+1$

其中，n表示多个螺旋谐振器的个数，int[·]表示取整运算符号，log(·)表示取对数运算符号，AL表示滤波器通带插损，0.01dB≤AL≤3dB，表示滤波器归一化频率因子， $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}=1.$

本发明的实施例中选取滤波器通带插损AL=0.05dB，多个螺旋谐振器的个数n=2。

多个背腔谐振器5的个数选取由与之对应的滤波器带外零点个数确定，一个背腔谐振器可以产生一个滤波器带外零点。引入的背腔谐振器个数越多，滤波器带外零点就越多，带外抑制也越好。本发明的实施例中选取两个相同的背腔，在同一频点处产生传输零点，使得滤波器带外抑制大大提高。

多个金属腔的腔体个数的选取由多个螺旋谐振器2与多个背腔谐振器5个数之和来确定。本发明的实施例中多个金属腔的腔体个数选取4。

多个螺旋谐振器2距金属框架6的金属腔顶端与底端的距离均为0.3*Smm，S表示金属框架6单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm。

本发明的实施例中选取金属框架6中单个金属腔的边长S=85mm。

金属框架6的单个金属腔边长其中，q表示单个金属腔的无载Q值，q≥2000，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz。

金属框架6单个金属腔的边长S越大，滤波器的体积就越大，单个金属腔的无载Q值q也越大，实际中在满足单个金属腔的无载Q值q≥2000的情况下选取尽可能小的金属框架6单个金属腔的边长S，使得滤波器体积小，重量轻。金属框架6的单个金属腔高度H=b+0.6*Smm，b表示螺旋谐振器2的螺旋高度，83.16mm≤b≤85.14mm。

本发明的实施例中选取滤波器通带中心频率f₀=92MHz，螺旋高度b=85mm。

参照附图2所示的单个螺旋谐振器的正视图，图2中的单个螺旋谐振器的螺旋参数为：螺旋直径d=0.66*Smm，S表示金属框架（6）单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm；螺旋高度b=1.5*dmm；螺旋螺距τ=f₀*S²/4160mm，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz；螺旋匝数N=4160/f₀*S²；螺旋线直径φ₀=f₀*S²/8320mm。螺旋高度越高，匝数越多，滤波器通带中心频率f₀就越低。

本发明的实施例中，选取金属框架6单个金属腔的边长S=85mm，滤波器通带中心频率f₀=92MHz。

单个背腔谐振器的螺旋参数为：螺旋直径d=0.66*Smm，S表示金属框架6单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm；螺旋高度b=1.5*dmm；螺旋螺距τ=f₀*S²/4160mm，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz；螺旋匝数5.65≤N₁≤5.85；螺旋线直径φ₀=f₀*S²/8320mm。螺旋高度越高，匝数越多，滤波器带外零点频率就越低。

本发明的实施例中选取金属框架6单个金属腔的边长S=85mm，滤波器通带中心频率f₀=92MHz，单个背腔谐振器的螺旋匝数N₁=5.75。

下面结合仿真图对本发明效果做进一步描述：

本发明的仿真效果是在HFSS软件下，建立具有背腔谐振器的滤波器实物模型，对本发明的传输特性和回波特性随频率的变化进行仿真。

附图3是本发明的仿真效果图。图3（a）中横坐标代表频率，纵坐标代表传输特性，图3（a）中的曲线代表本发明滤波器的传输特性。从图3（a）可以看出，本发明的滤波器中心频率为92MHz，带宽为1MHz，通带插损为0.1dB，在滤波器的带外约82MHz的频率处产生传输零点，抑制约为-60dB，表明滤波器在所需频点处抑制有了一定提高。

图3（b）中横坐标代表频率，纵坐标代表回波特性，图3（b）中的曲线代表本发明滤波器的回波特性。从图3（b）可以看出，本发明的滤波器在中心频率为92MHz处，回波损耗小于-15dB，表明滤波器性能较好。

以上描述仅是本发明效果图相应滤波器所采用具体参数。除此之外，单个金属腔的边长S可取84.5mm、85.5mm，滤波器中心频率可取91MHz、92MHz，隔板高度可取88.5mm、89.5mm，螺旋谐振器的螺旋匝数可取5.7、5.8，高度b可取83.5mm、84.5mm。

Claims (10)

1.一种具有背腔谐振器的滤波器，包括输入端(1)，多个螺旋谐振器(2)，隔板(3)，输出端(4)，多个背腔谐振器(5)，金属框架(6)；所述的金属框架(6)包括多个金属腔；所述的输入端(1)和输出端(4)包括外包裹和位于外包裹内的金属杆，金属杆穿过金属框架(6)金属腔的金属壁，且不与金属壁接触；所述的与输入端(1)相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输入端(1)的金属杆相连；所述的与输出端(4)相邻的螺旋谐振器、背腔谐振器分别与输出端(4)的金属杆相连；所述的多个螺旋谐振器(2)与多个背腔谐振器(5)均置于金属框架(6)内；所述的每个背腔谐振器(5)设置于每个螺旋谐振器(2)背面腔内，所述的多个背腔谐振器(5)的谐振频率位于滤波器阻带内。

2.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的输入端(1)和输出端(4)均使用同轴馈电。

3.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的多个螺旋谐振器(2)个数的选取由下式确定：

$n=\mathrm{int}\[\frac{log({10}^{\frac{AL}{10}}-1)}{2log\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}\]+1$

其中，n表示多个螺旋谐振器的个数，int[·]表示取整运算符号，log(·)表示取对数运算符号，AL表示滤波器通带插损，0.01dB≤AL≤3dB，表示滤波器归一化频率因子，

4.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的多个背腔谐振器(5)个数的选取由与之对应的滤波器带外零点个数确定。

5.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的多个金属腔的腔体个数的选取由多个螺旋谐振器(2)与多个背腔谐振器(5)个数之和来确定。

6.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述多个螺旋谐振器(2)的螺旋参数为：螺旋直径d＝0.66*Smm，S表示金属框架(6)单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm；螺旋高度b＝1.5*dmm；螺旋螺距τ＝f₀*S²/4160mm，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz；螺旋匝数N＝4160/f₀*S²；螺旋线直径φ₀＝f₀*S²/8320mm。

7.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述多个螺旋谐振器(2)距金属框架(6)的金属腔顶端与底端的距离均为0.3*Smm，S表示金属框架(6)单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm。

8.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在，所述的隔板(3)的厚度为2mm，高度88mm≤h≤90mm。

9.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的多个背腔谐振器(5)的螺旋参数为：螺旋直径d＝0.66*Smm，S表示金属框架(6)单个金属腔的边长，84mm≤S≤86mm；螺旋高度b＝1.5*dmm；螺旋螺距τ＝f₀*S²/4160mm，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz；螺旋匝数5.65≤N₁≤5.85；螺旋线直径φ₀＝f₀*S²/8320mm。

10.根据权利要求1所述的一种具有背腔谐振器的滤波器，其特征在于，所述的金属框架(6)的单个金属腔边长其中，q表示单个金属腔的无载Q值，q≥2000，f₀表示滤波器通带中心频率，90MHz≤f₀≤93MHz；高度H＝b+0.6*Smm，b表示螺旋谐振腔(2)的螺旋高度，83.16mm≤b≤85.14mm。