CN103682535A - 基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，由若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元耦合组成，每个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元由两个杆状的实心金属导体、筒状金属壁和充填物三部分组成，充填物为空气，位于筒状金属壁和杆状的实心金属导体之间的谐振腔内，筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将谐振腔密闭。所述若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元呈线状并列结构，所述两个杆状的实心金属导体是两段直径不同的同轴柱体，分为下导体柱和上导体柱，两段导体柱上下串联。下导体柱与输入或者输出端口的馈电线电连接。本发明采用阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元实现两个通带，通带频率比可调范围大，体积小，结构简单合理。

Description

基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的双频带滤波器，具体涉及一种基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器。

背景技术

由于无线通信技术的迅速发展以及人们对无线通信的需要日益增加，当今市场2G、3G、4G网络并存，许多无线终端，比如移动电话、平板电脑等，在设计时都希望能兼容多个通信标准，这就可以让终端用户同时享受不同运营商提供的服务。多频滤波器在一个电路上同时实现多个通带或者阻带，能显著减小电路尺寸并降低成本，因此是一个研究的热点。在实际工业生产中，最常用的是腔体滤波器，因为与平面滤波器相比，腔体滤波器具有更高的功率容量。在腔体滤波器中，使用同轴腔体制成的滤波器一般可实现较高的带宽，在对通信速度要求越来越高的当今社会，这是一个明显的优点。另外，相对于波导滤波器，同轴腔体滤波器具有极小的色散，通过的信号几乎不会产生畸变。因此，同轴腔体滤波器具有非常高的实际应用价值。

现有技术中，设计双频滤波器最直接的方法是对每个频段设计一个独立的谐振器，然后将它们组合成一个双频滤波器。但是为了避免两个谐振器互相影响，谐振器之间必须有足够的距离，这样必然导致滤波器尺寸变大，且成本也很高。2010年，Xiaoguang Liu,LindaP.B.Katehi,Dimitrios Peroulis在本技术领域期刊"IEEE MICROWAVE AND WIRELESSCOMPONENTS LETTERS"上发表题为"Novel Dual‐Band Microwave Filter UsingDual‐Capacitively‐Loaded Cavity Resonators"的文章，其提出设计双频滤波器时分别使用两个谐振器来产生两个通带。使用这种结构设计的滤波器不仅体积较大，而且第一个寄生通带位于第一通带的三倍频处，因此离第二通带较近，容易引入干扰。

现有技术中，另外一个设计思路是在一个通带内插入零点来实现两个通带，如下面二个例子：2006年，Giuseppe Macchiarella和Stefano Tamiazzo在本技术领域期刊"IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES"上发表题为"Design Techniques forDual‐Passband Filters"的文章，其提出设计双频滤波器时使用同轴腔体设计了双频带通滤波器，该滤波器使用均匀的谐振器；中国专利申请号为201310062624.1、专利名称为SIR同轴腔体双通带滤波器的技术方案，同样使用同轴腔体设计了双频带通滤波器，该滤波器使用阶跃阻抗结构的谐振器。这种在一个通带内插入零点来实现两个通带的方法，导致通带频率比可调范围小；并且需要设计出众多谐振器严格并列形成矩阵的结构，从而使得滤波器体积大、外形不能灵活调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通带频率比可调范围大、体积小、结构简单合理和成本低的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，由若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元耦合组成，每个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元由两个杆状的实心金属导体（1）和（2）、筒状金属壁（4）和充填物（5）三部分组成，充填物（5）为空气，位于筒状金属壁和杆状的实心金属导体之间的谐振腔内，筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将谐振腔密闭。所述若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元呈线状并列结构，所述两个杆状的实心金属导体是两段直径不同的同轴柱体，分为下导体柱（1）和上导体柱（2），两段导体柱上下串联。由于两段导体柱的直径不同，也即特性阻抗不同，那么，通过改变其阻抗比，可以实现第一和第二个通带的频率比可控。下导体柱与输入或者输出端口的馈电线（6）或者（8）电连接。

更具体的，所述筒状金属壁（4）为方形金属壳；所述下导体柱（1）和上导体柱（2）长度相等，且和所述筒状金属壁（4）同轴。

更具体的，相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置调谐螺钉(3)，调谐螺钉连接在外层封盖板上，其长度可灵活调节，用于对滤波器进行微调，从而降低加工误差对最终结果产生的影响。

更具体的，相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置耦合窗（7），可以调整耦合系数的大小，其分为上下两个窗口，窗口宽度可调，主要是为了更加灵活地控制容性耦合和感性耦合；上面的窗口（即宽度为W₂的窗口）同时存在较强的容性耦合和感性耦合，而下面的窗口（即宽度为W₁的窗口）以感性耦合为主。由于混合耦合的引入，在两个通带中间产生了一个零点，提高了通带的边缘特性。

更优化的，所述阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元有3个，呈直线排列结构，其输入端口和输出端口的馈电线分别与直线排列结构两端的下导体柱（1）电连接，由于两端馈电线距离远，输入和输出信号互相干扰少。

更优化的，所述基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器采用铝、铜、铁、金或者银中的任意一种金属或任意几种金属的合金制作。

更优化的，所述基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器的筒状金属壁的内表面、调谐螺钉镀层和杆状的实心金属导体镀层的材料为银，以减小损耗。

本发明基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器的工作原理：

两个通带的频率主要由谐振器控制，通过调整谐振器阻抗比可以方便地调节两个通带的频率比。

参看图1，阻抗比与频率比的关系可由如下公式表示，其中Rz为上导体柱（2）的特性阻抗比下导体柱（1）的特性阻抗，f₁和f₂分别为第一、第二通带的频率。

$\frac{f_2}{f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{\arctan \sqrt{R_z}}-1---\left(1\right)$

从公式（1）可以看到，当阻抗比Rz大于1时（即D₂<D₁），频率比小于3；当阻抗比Rz小于1时（即D₂>D₁），频率比大于3。

在设计中，选取L₂=L₃，导体的特性阻抗使用下面的公式进行近似计算，其中Z₀₁为下导体柱（1）的特性阻抗，Z₀₂为上导体柱（2）的特性阻抗，ε_r为腔体内充填物的相对电介质常数。

$Z_{01}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}\ln \left(\frac{L_2}{D_1}\right),Z_{02}=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}\ln \left(\frac{L_2}{D_2}\right)---\left(2\right)$

根据以上两道公式，在不同的下上导体柱直径比下，所得到的频率比（部分数据）如图4所示。

在设计中选取上下导体柱（2）和（1）的长度相等（即L₄=L₅），设上下导体柱在f₁频率下的电长度为θ，有以下公式：

$\mathrm{\&theta;}=\arctan \left(\sqrt{R_z}\right)---\left(3\right)$

由于谐振腔中存在电容效应，以上仅为近似计算公式。设计中应该利用公式给出的初始值再进行优化设计。

至于通带的带宽，则主要由外部品质因数和耦合系数控制。外部品质因数是由馈电线的馈电位置决定的，而耦合系数，则可以通过调整耦合窗（即改变W₁和W₂的大小）来调节。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元实现两个通带，减小了电路的体积并降低了制作成本。

（2）本发明通过调整谐振器阻抗比可以方便地调节两个通带的频率比，通带频率比可调范围大。

（3）本发明的若干谐振器单元呈线状并列结构，可以组成直线、曲线等多种形状，结构简单合理，能够方便、灵活的应用于各种不同的实际工作环境。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的剖面示意图。

图3为本发明实施例的俯视剖面示意图。

图4为本发明实施例的谐振腔内两段同轴导体柱直径比与通带频率比的关系图。

图5为本发明实施例的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不限于实施例表述的范围。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神及保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在权利要求书保护的范围内。

实施例

本实施例，一种基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，如图1所示，具有3个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元直线排列结构，其输入端口和输出端口的馈电线分别设置在直线排列结构两端，由于两端馈电线距离远，输入和输出信号互相干扰少。

所述阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元由两个杆状的实心金属导体（1）和（2）、筒状金属壁（4）和充填物（5）三部分组成，充填物（5）为空气，位于筒状金属壁和杆状的实心金属导体之间的谐振腔内，筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将谐振腔密闭。两个杆状的实心金属导体（1）和（2）是两段直径不同的同轴柱体，分为下导体柱（1）和上导体柱（2），两段导体柱上下串联。

所述筒状金属壁（4）为方形金属壳（L₂=L₃）；所述下导体柱（1）和上导体柱（2）长度相等（L₄=L₅），且和所述筒状金属壁（4）同轴。

相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置调谐螺钉(3)，调谐螺钉连接在外层封盖板上，其长度可灵活调节，用于对滤波器进行微调，从而降低加工误差对最终结果产生的影响。

相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置耦合窗（7），其分为上下两个窗口，窗口宽度（W₁和W₂）可调。

本实施例采用金属铝制作。

本实施例的筒状金属壁（4）的内表面、调谐螺钉镀层和杆状的实心金属导体镀层的材料为银，以减小损耗。

本实施例各部分尺寸，如图1所示：

给定的通带频率指标为f₁=900MHz，f₂=1800MHz，可以通过公式（1）‐（3）得到谐振腔的阻抗比为3，上下导体在f₁处的电长度为θ=1.05。之后，通过调整馈电点来确定外部品质因数，通过调整耦合窗口来确定耦合系数，便可获得所需的带宽。通过优化后，各部分尺寸参数为：L₁=111.3mm,L₂=L₃=50mm,L₄=L₅=50.5mm,L₆=50.5mm,L₇=28.6mm,W₁=9.6mm,W₂=10mm,W₃=3mm,D₁=22.74mm,D₂=4mm，H=6.5mm。

本实施例工作过程，结合全波仿真软件HFSS的仿真结果如下：

仿真过程中，从输入端口（6）输入测试信号，从输出端口（8）即可获得经过本实施例处理后的输出信号。如图5所示，横轴表示输入的信号频率，纵轴表示散射参数的幅值大小，包括插入损耗(S₂₁)的幅值和回波损耗(S₁₁)的幅值，S₂₁表示通过本实施例的信号的输入功率与信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)=20*log|S₂₁|；在信号传输过程中，信号的部分功率被反射回信号源，被反射的功率成为反射功率；S₁₁表示通过本实施例的信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率=20*log|S₁₁|。本实施例两个通带的3dB带宽分别为0.894GHz到0.905GHz（1.2%）和1.793GHz到1.807GHz（0.8%）。也就是说，工作中，从输入端口（6）输入需要处理的信号，那么，频率在0.894GHz到0.905GHz之间和1.793GHz到1.807GHz之间的信号可以通过本实施例，其余信号都将得到大于一半的功率衰减。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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，例如改变阶跃阻抗的阻抗值、改变耦合窗形状，或者将矩形腔体改为其他形状等，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，由若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元耦合组成，每个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元由两个杆状的实心金属导体（1）和（2）、筒状金属壁（4）和充填物（5）三部分组成，充填物（5）为空气，位于筒状金属壁和杆状的实心金属导体之间的谐振腔内，筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将谐振腔密闭；其特征在于：所述若干个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元呈线状并列结构；所述两个杆状的实心金属导体是两段直径不同的同轴柱体，分为下导体柱（1）和上导体柱（2），两段导体柱上下串联；下导体柱与输入或者输出端口的馈电线（6）或者（8）电连接。

2.根据权利要求1所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：所述筒状金属壁（4）为方形金属壳；所述下导体柱（1）和上导体柱（2）长度相等，且和所述筒状金属壁（4）同轴。

3.根据权利要求1所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置调谐螺钉(3)，调谐螺钉连接在外层封盖板上，其长度可灵活调节。

4.根据权利要求1所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：相邻两个阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元之间设置耦合窗（7），其分为上下两个窗口，窗口宽度可调。

5.根据权利要求1‐4任一项所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：所述阶跃阻抗同轴腔体谐振器单元有3个，呈直线排列结构，其输入端口和输出端口的馈电线分别与直线排列结构两端的下导体柱（1）电连接。

6.根据权利要求1‐4任一项所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：采用铝、铜、铁、金或者银中的任意一种金属或任意几种金属的合金制作。

7.根据权利要求1‐4任一项所述的基于阶跃阻抗结构的同轴腔体双频滤波器，其特征在于：筒状金属壁的内表面、调谐螺钉镀层和杆状的实心金属导体镀层的材料为银。

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