CN103840240B - 一种谐振腔、滤波器件及电磁波设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振腔，包括腔体、端口和位于腔体内的谐振子，所述谐振子包括介质本体、开设在所述介质本体表面上的凹孔，所述凹孔内设置有导电材料构成的导电层；所述端口装在所述腔体上并伸入腔体内，且所述端口的末端为自由端。采用具有导电层的谐振子，有利于降低具有该谐振子的谐振腔的谐振频率，从而大大缩小谐振腔的体积，还涉及具有该谐振腔的滤波器件和电磁波设备其体积也会随之明显减小；并且滤波器件的端口设计成电耦合的方式，电耦合时耦合天线越靠近开路端耦合越强，载Q值越低；天线距离谐振子越近耦合越强。

Description

一种谐振腔、滤波器件及电磁波设备

技术领域

本发明涉及射频元器件及其设备，更具体地说，涉及一种谐振腔、滤波器件及电磁波设备。

背景技术

传统金属谐振子滤波器体积小且可实现较低频率的谐振，但是体积小会导致无法承受较高的功率。传统的介质谐振子滤波器可以承受高功率，但是如果要实现低频谐振，则介质谐振子的体积以及金属腔的体积会比较大，不满足滤波器小型化的需求。如何设计出一种谐振频率低、体积小且耐高功率的滤波器及该种滤波器的端口耦合方式是需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种谐振频率低、体积小且耐高功率的谐振腔、滤波器件及电磁波设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种谐振腔，包括腔体、腔体两端的端口和位于腔体内的谐振子，所述谐振子包括介质本体、开设在所述介质本体表面上的凹孔，所述凹孔内设置有导电材料构成的导电层；所述端口装在所述腔体上并伸入腔体内，且所述端口的末端为自由端。

所述端口的自由端还连接一金属杆或一金属片。

所述端口通过所述金属杆或所述金属片与所述谐振子形成电耦合。

所述导电层直接附着在所述凹孔内壁上。

所述导电层通过连接媒介固定在所述凹孔内壁的侧面或底面腔。

所述介质本体由介电常数大于1的材料制成。

所述介质本体由陶瓷材料制成。

所述凹孔为盲孔或通孔。

所述导电层为金属筒，所述介质本体为筒状且套设在所述金属筒外。

所述导电层覆盖在所述凹孔内壁的侧面或底面上，或者所述导电层覆盖在凹孔内壁的整个内壁表面上。

所述导电层的导电材料为金属。

所述导电材料为银、铜或金，或者为含有银、铜或金中一种或两种或三种的合金。

所述导电层的导电材料为导电的非金属。

所述导电材料为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

所述谐振腔还包括装在所述腔体上并伸入所述腔体内起调谐所用的调谐杆，所述调谐杆与所述介质本体上的凹孔相向设置。

所述介质本体上设有至少两个凹孔，与每个凹孔相对的位置均设有一个调谐杆。

所述调谐杆为介电常数大于1的非金属材料制成的螺杆或者为金属螺杆。

所述凹孔为通孔，与所述通孔相连接的介质本体表面上附着有导体连接层。

所述导体连接层与所述谐振腔的内壁通过焊接或热压或螺纹配合或粘接的方式固定连接为一体。

一种滤波器件，包括一个或多个谐振腔，至少一个所述的谐振腔为上述所述的谐振腔。

所述滤波器件为滤波器或双工器。

所述滤波器件包括多个谐振腔，每个谐振腔内设置有一个所述谐振子，每个谐振子的凹孔对应设置有一个调谐杆。

所述滤波器件的谐振腔与谐振腔之间为开窗耦合，且每个开窗位置均设置有耦合杆。

一种电磁波设备包括信号发射模块、信号接收模块以及滤波器件，所述滤波器件的输入端与所述信号发射模块连接，输出端与信号接收模块连接，所述滤波器件为上述所述的滤波器件。

所述电磁波设备为飞机、雷达、基站或者卫星。

实施本发明，具有以下有益效果：本发明由于采用具有导电层的谐振子，可获得一个谐振频率较低的模式，有利于降低具有该谐振子的谐振腔的谐振频率，从而大大缩小谐振腔的体积，具有该谐振腔的滤波器件和电磁波设备的体积也会随之明显减小；并且滤波器件的端口设计成电耦合的方式，电耦合时耦合天线越靠近开路端耦合越强，载Q值越低；天线距离谐振子越近耦合越强。

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是本发明第一种实施例谐振腔的剖视俯视图；

图2是图1所示谐振腔的剖视主视图；

图3是本发明第二种实施例谐振腔的剖视俯视图；

图4是图3所示谐振腔的剖视主视图；

图5是本发明谐振子的俯视图；

图6是图5所示谐振子的剖视主视图；

图7是第一种实施例的滤波器件的剖面图；

图8是第二种实施例的滤波器件的剖面图；

图9为本发明的电磁波设备为基站时的局部结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种谐振腔、滤波器件和电磁波设备，使用本发明的谐振子能使谐振腔具有非常低的谐振频率，因而与相同谐振频率的传统谐振腔相比体积要小得多，可以有效减小由谐振腔构成的滤波器件以及具有该滤波器件的电磁波设备的体积和重量，并且滤波器件的端口设计成电耦合的方式。

本发明实施例的谐振腔如图1、2所示，包括腔体5、腔体5两端的端口(输入端8和输出端9)、装在腔体开口端的腔盖、位于腔体5内的谐振子和调谐杆4。其中，腔体和腔盖围合成一个封闭空间，上述谐振子即位于所述封闭空间内，其底部可以通过一个低损耗材料制成的支承座将谐振子支撑起来，使其位于封闭空间的正中央。端口装在腔体5上并伸入腔体内，且端口的末端为自由端，端口的自由端还连接一金属杆10，端口通过金属杆10与谐振子形成电耦合；如图3、4所示，为端口的另一种连接方式的谐振腔，端口的自由端还连接一金属片11，端口通过金属片11与谐振子形成电耦合。电耦合时耦合天线越靠近开路端耦合越强，载Q值越低；天线距离谐振子越近耦合越强。

其中本发明实施例的谐振子如图5、6所示，包括介质本体1，介质本体1外表面上开设有向介质本体1内部凹陷的凹孔2，凹孔2内壁的全部表面或部分表面上设置有导电材料构成的导电层3。

介质本体1可以为任意介电常数大于1的材料，例如聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4材料等，但介电常数越高、损耗角正切越小的材料更有利于电磁谐振并降低谐振频率，现有技术中优选陶瓷材料，例如氧化铝，也可以是微波介质陶瓷例如BaTi₄O₉、Ba₂Ti₉O₂₀、MgTiO₃-CaTiO₃、BaO-Ln₂O₃-TiO₂系、Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅系等。当然介质本体1只要是具有较高的介电常数和较低的损耗(通常介电常数大于30，损耗角正切小于0.01)的材料制成均可。

如图5所示，本实施例的介质本体1为矩形方柱，且四条棱倒圆角。当然谐振子不限于这种形状，本发明的介质本体1可以是现有任意一种谐振子所具有的形状，例如圆柱形、方片形、圆台形、方形梯台，或其他任意规则或不规则形状，这都不影响到本发明的谐振子的特性，本文不作限制。

图6所示的凹孔2为通孔，即该凹孔2从介质本体1的一个表面穿透到另一个表面。本实施例的通孔为圆柱形孔，且优选该圆柱形孔的中心线位于介质本体1的中心轴上，可以使得当谐振子放在谐振腔中央时腔体内的电磁场的对称分布。通孔也可以圆柱形、方柱形、圆台形、方形梯台、锥形或其他规则或不规则的形状，或者是与介质本体1的外轮廓共形从而使介质本体1成等厚结构。

当然，该凹孔2不一定为通孔，也可以是盲孔，即没有穿透至另一表面的孔。例如，该盲孔可以为与上述通孔的任一种形状相同、只是高度较短的形状，也可以为其他形状如半球形、四面体形等，本文不作限制。

在凹孔2的内壁表面上附着有导电层3，导电层3由可以导电的材料构成，优选金属，例如银、铜或金，或者为含有银、铜或金中一种或两种或三种的合金，也可以是其他金属材料或其他金属合金。这些金属或金属合金可以通过电镀、蒸镀、制成箔片后热压、液体熔液浇填等方式附着在凹孔2内壁上。导电材料也可以是能导电的非金属，例如导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。这些非金属材料可以利用现有的对应工艺例如电子束蒸发、物理气相沉积、溅射沉积等来附着在凹孔2内壁上。

导电层3可以是如上所述直接附着在凹孔2内壁上，也可通过连接媒介而设置在凹孔2内部，例如采用粘胶粘接，或者连接杆一端与导电层3连接，另一端与凹孔2内壁固定，使得导电层3与凹孔2内壁之间隔有空气层，或者在二者之间添加其他低损耗、低介电的材料固定二者，等等。

本实施例中，介质本体1为均匀等厚的圆筒形，中间的凹孔为通孔。导电层3为具有一定厚度的金属筒，且底部设有凸缘，介质本体1套在导电层3外且底面可刚好放在凸缘上。这种谐振子结构简单，无需采用电镀等复杂工艺来形成导电层3，在导电层3底部凸缘的中心设孔可便于螺钉等连接件穿过从而与谐振腔底部接触连接从而接地，同时还可固定谐振子。当然，金属筒并不一定具有凸缘，可以仅具有圆筒形结构，通过粘接或其他方式与谐振腔底部固定。优选谐振子的导电层直接与谐振腔底部电连接而接地。

导电层3所覆盖的范围，可以为整个凹孔2内壁表面，可以为凹孔2内壁的部分表面，例如只覆盖凹孔2内壁的侧面，也即与凹孔2开口端面连接的内壁部分；也可只覆盖凹孔2的底面，即与凹孔2开口端面相对的不与该开口端连接的内壁部分；又或者，同时覆盖有侧面的部分区域以及底面的部分区域。

另外，调谐杆4装在腔体或腔盖上，调谐杆4末端伸入封闭空间内并至少部分地伸入谐振子的凹孔2内。调谐杆4通常为金属螺杆，通过螺母装在腔盖上，且伸入腔内的长度可调，从而在小范围内调节谐振腔的谐振频率。调谐杆4也可以有陶瓷材料制成，或者是在一低损耗材料制成的杆外表面包裹金属或陶瓷或其他高介电常数材料。调谐杆4也可以为非金属材料制成，只要其介电常数大于1即可，当然优选介电常数更高的材料。本发明不对调谐杆4的材料和形状做任何限定，只要其伸入腔体5内能微扰腔内电磁场分布从而影响谐振频率即可。调谐杆4末端可以与凹孔2内壁或导电层3直接接触。当导电层3不与调谐杆4接触而是位于腔体内部、调谐杆4外表面之间，分别与二者形成电容效应，从而增强降频调谐效果。

优选凹孔2的侧面和底面分别与调谐杆4伸入凹孔2的部分的侧面和底面相平行，使得调谐杆4对凹孔2产生影响的有效面积增大，提高调频范围。另外，当凹孔2为通孔时，介质本体1的与腔体5接触的底面可以设置导体连接层，所述导体连接层为与上述导电层3相同或者不同的导体材料制成，且与通孔内壁上的导电层3连接起来。此时该导体连接层可以通过热压或焊接或其他公知的连接技术与腔体5固连为一体。

为了增强降频效果，介质本体1上可以设有两个或多于两个的凹孔2，至少其中一个凹孔2上对应有一个调谐杆4，当然为了增大微扰量，可以在每个凹孔2相对的位置均设置一个调谐杆4。

通过对上述谐振腔进行HFSS仿真可知，该谐振腔的第一模式的电场是经介质本体1中心轴径向向外的，磁场则是以该中心轴为圆心周向环绕的，具有很低的谐振频率，因此该谐振频率对应的模式将成为谐振腔的第一模式也即主要模式，介质本体1自身产生的TE模、TM模、高次模以及腔体5自身的高次模对应的频率都远高于前述第一模式的频率，可以通过低通滤波器滤掉。调谐杆4插入凹孔2中还可以增加电容和电感值，对第一模式的谐振频率进行小范围调节。

下面将通过具体实验数据来说明本发明的谐振腔的优势。以一个具有纯陶瓷介质谐振子的单腔谐振腔为对比例，该谐振腔腔体为方柱形，该陶瓷介质谐振子采用圆柱形微波介质陶瓷，尺寸为外径24mm、内径8mm、高19mm，内径对应为通孔，实验测得具有该介质谐振子的谐振腔的谐振频率为1.642GHz，该谐振腔的平均功率为275W。

采用相同的腔体和介质谐振子(上述纯陶瓷介质谐振子作为本例中谐振子的介质本体)，并在该谐振子的通孔(即本例中的凹孔)镀上银(即本例中的导电层)，实验测得具有该谐振子的谐振腔的谐振频率降至0.875GHz，平均功率为335W。

由此可见，采用本发明的谐振子，相对于单纯的介质谐振子，可将谐振频率降低约800MHz，基本上为原来谐振频率的一半，相应意味着，当制备相同谐振频率的谐振腔时，腔体体积将大幅度减小，而对功率的影响不大。

而采用相同的腔体，将介质谐振子更换为形状、体积相同的金属谐振子，实验测得具有该金属谐振子的谐振腔的谐振频率为1.569GHz，平均功率为54W。

由此可见，采用本发明的谐振子，相对于单纯的金属谐振子，仍能提供基本相近的谐振频率，而平均功率则大大提高了。

综上所述，可知采用本发明的谐振子，即具有介质谐振子的耐高功率的优点，同时兼有金属谐振子的谐振频率低、体积小的优点，可以大大拓宽现有技术的谐振腔、滤波器件的应用范围。

基于上述单腔的谐振腔的特点，本发明还涉及一种滤波器件，可以为滤波器、双工器或者其他具有滤波功能的器件，其包括至少一个谐振腔，而其中至少一个谐振腔为上述谐振腔。

以图7或图8所示的多腔滤波器为例，图5所示的滤波器为具有六个谐振腔的滤波器。腔体5两端分别装有端口(输入端8和输出端9)，如图7所示，端口通过金属杆10与谐振子形成电耦合；如图8所示，端口通过金属片11与谐振子形成电耦合。

为了增强耦合，腔和腔之间完全互通，没有设置隔挡，也可以理解为腔与腔之间为开窗耦合且开窗到底；同时，多个谐振子如图7或图8所示依次通过桥接部分7连接成一体。所述桥接部分7可以是与介质本体1相同的材料制成，也可以是不同材料制成，直接桥接的方式能够增强耦合。进一步地，每个开窗位置还设置有耦合杆6，通过耦合杆6伸入腔内的长度也可以调节耦合强弱。

由图7或图8可知，每个谐振子都如上文所述，具有凹孔2和附着在凹孔2内壁上的导电层3，且每个凹孔2都对应设有一个调谐杆4插入凹孔2内。通过HFSS仿真可知，该滤波器第一模式的电场是沿谐振子周向径向向外的，磁场为沿圆周向环绕，此模式的频率低，可用作滤波器的通带频率。介质本体1产生的TE模、TM模、高次模以及腔体5自身的高次模都离第一模式的频率较远，可以通过低通滤波器滤掉。

进而，本发明还保护一种具有上述滤波器件的电磁波设备，该电磁波设备可以是任何一种需要用到滤波器件的设备，例如飞机、雷达、基站、卫星等。这些电磁波设备会接收和发送信号，并在接收之后或发送之前进行滤波，以使所接收或发送的信号满足需求，因此电磁波设备至少还包括与滤波器件的输入端连接的信号发射模块、与滤波器件的输出端连接的信号接收模块。

例如，如图9所示，电磁波设备为基站，基站包括作为滤波器件的双工器，双工器包括发信带通滤波器和收信带通滤波器。发信带通滤波器的输入端连接发信机，输出端连接基站天线；收信带通滤波器的输入端连接基站天线，输出端连接收信机。

则对于发信带通滤波器，其信号发射模块为发信机，信号接收模块为基站天线。而对于收信带通滤波器，其信号发射模块为基站天线，信号接收模块为收信机。

本发明由于采用具有导电层3的谐振子，可获得一个谐振频率较低的模式，有利于降低具有该谐振子的谐振腔的谐振频率，从而大大缩小谐振腔的体积，具有该谐振腔的滤波器件和电磁波设备的体积也会随之明显减小。

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 (4)

1.一种滤波器件，包括一个或多个谐振腔，其特征在于，至少一个所述的谐振腔包括腔体、腔体两端的端口和位于腔体内的谐振子，其特征在于，所述谐振子包括介质本体、开设在所述介质本体表面上的凹孔，所述凹孔内设置有导电材料构成的导电层；所述端口装在所述腔体上并伸入腔体内，且所述端口的末端为自由端；所述导电层直接附着在所述凹孔内壁上；所述介质本体由陶瓷材料制成，所述谐振腔还包括装在所述腔体上并伸入所述腔体内起调谐所用的调谐杆，所述调谐杆为介电常数大于1的非金属材料制成的螺杆或者为金属螺杆；所述端口的自由端还连接一金属杆或一金属片；所述端口通过所述金属杆或所述金属片与所述谐振子形成电耦合；

所述滤波器件为滤波器或双工器；所述滤波器件的谐振腔与谐振腔之间为开窗耦合，且每个开窗位置均设置有耦合杆。

2.根据权利要求1所述的滤波器件，其特征在于，所述滤波器件包括多个谐振腔，每个谐振腔内设置有一个所述谐振子，每个谐振子的凹孔对应设置有一个调谐杆。

3.一种电磁波设备包括信号发射模块、信号接收模块以及滤波器件，所述滤波器件的输入端与所述信号发射模块连接，输出端与信号接收模块连接，其特征在于，所述滤波器件为如权利要求1或2所述的滤波器件。

4.根据权利要求3所述的电磁波设备，其特征在于，所述电磁波设备为飞机、雷达、基站或者卫星。

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