CN103956546B - 一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器 - Google Patents

一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，包括腔体、第一端口、第二端口以及微扰金属体；所述微扰金属体设置在腔体内的底部，微扰金属体的中心偏离腔体的中心；所述第一端口和第二端口设置在腔体上，并贯穿腔体外壁和内壁；所述第一端口处设有第一导体组件，所述第二端口处设有第二导体组件，所述第一导体组件的轴线和第二导体组件的轴线相垂直，并分别垂直于腔体的纵向中心线。本发明采用偏移谐振器的方法来分离简并模，具有高选择性、高Q值、设计简单的特点，而且具有比较宽的分数带宽，能够满足小型化通信的要求，不用加工任何切角或者开槽，加工容易，解决了现有腔体滤波器带宽窄加工复杂的问题，且结构简单，应用范围广。

Description

一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器
技术领域
本发明涉及一种滤波器，尤其是一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，属于无线通信领域。
背景技术
微波滤波器是现代通信系统中发射端和接收端必不可少的器件，它对信号起分离作用，让有用的信号尽可能无衰减的通过，对无用的信号尽可能大的衰减抑制其通过。随着无线通信技术的发展，信号间的频带越来越窄，这就对滤波器的规格和可靠性提出了更高的要求。腔体滤波器具有高Q值、功率容量大、易于实现、性能稳定等优点而具有很高的应用价值。腔体滤波器通过在各腔谐振器之间开孔或加探针，实现电感或电容耦合，通过改变孔的位置、大小或者探针的粗细长短等来控制耦合电感或耦合电容的强弱以实现各种滤波器；而且很容易实现谐振器之间的交叉耦合，通过控制交叉耦合的数量和强弱得以实现传输零点的位置和数目。由于以上特点，研究腔体滤波器多模结构、腔体滤波器的小型化得到学者们的广泛关注。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
1)谐振器的分离简并模一般有四种方法：a、如图1a和1b所示，通过耦合螺钉来实现简并模耦合时，为了避免相互作用，其位置应位于两个谐振(要耦合)的电场强度最大值附近，且其余简并模电场为零的区域，通常耦合螺钉与两个极化的电场成45o，但这种耦合方式可调谐范围比较小；b、如图2a和2b所示，在谐振器45°角上方伸进耦合螺钉，同样可以分离简并模；c、如图3a和3b所示，剖出个矩形切角，但这种耦合方式不易加工；d、如图4a和4b所示，在谐振器中心开槽，同样这种耦合方式不易加工。
2)1951年林为干院士基于波导腔体内模式的谐振频率基本公式提出圆柱形谐振腔中存在着多个简并模式，并设计了显著减小波导滤波器体积的一腔五模滤波器，为一腔多模滤波器的研究奠定基础。
3)1998年10月，G. Lastoria等人在IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVELETTERS发表题为“CAD of Triple-Mode Cavities in Rectangular Waveguide”的文章中。作者提出了一种采用金属腔体切角的三模结构，结构如图5a所示，通过控制切角的大小将若干个谐振模式平移到我们所需的通带内，它的仿真结果如图5b所示；这种耦合方式的结构不易加工。
4)2004年1月，L.H.Chua等人发表题为“Analysis of dielectric loaded cubical cavityfor triplemode filter design”文章中，提出利用同轴线作为馈电，如图6a所示，采用调谐螺钉的介质腔体滤波器结构，仿真结果如图6b所示；这种采用耦合螺钉的结构可调谐的范围比较少，存在一定的不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种具有结构简单、加工容易、性能好的优点，而且具有比较宽的分数带宽，能够满足通信系统要求的采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：包括腔体、第一端口、第二端口以及微扰金属体；所述微扰金属体设置在腔体内的底部，微扰金属体的中心偏离腔体的中心；所述第一端口和第二端口设置在腔体上，并贯穿腔体外壁和内壁；所述第一端口处设有第一导体组件，所述第二端口处设有第二导体组件，所述第一导体组件的轴线和第二导体组件的轴线相垂直，并分别垂直于腔体的纵向中心线。
作为一种优选方案，所述第一导体组件由第一同轴内导体和第一同轴外导体焊接组成，所述第二导体组件由第二同轴内导体和第二同轴外导体焊接组成；所述第一同轴内导体从第一端口伸进腔体内，所述第一同轴外导体固定在第一端口处的腔体外壁上；所述第二同轴内导体从第二端口伸进腔体内，所述第二同轴外导体固定在第二端口处的腔体外壁上。
作为一种优选方案，所述第一同轴内导体和第二同轴内导体均采用耦合杆，所述第一同轴外导体和第二同轴外导体均采用SMA接头，所述SMA接头的末端与耦合杆焊接。
作为一种优选方案，所述每个SMA接头上设有四个通孔，所述腔体在第一端口和第二端口附近的位置分别开有四个与SMA接头的通孔相对应的螺纹孔，所述每个SMA接头通过四根螺钉穿过四个通孔后与四个螺纹孔配合固定在腔体外壁上。
作为一种优选方案，所述微扰金属体的底面上设有与微扰金属体构成一整体的固定/调谐螺钉，所述微扰金属体通过固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部。
作为一种优选方案，所述固定/调谐螺钉设置在微扰金属体的底面中心处。
作为一种优选方案，所述腔体为矩形腔或圆柱腔；所述腔体为矩形腔时，所述第一端口和第二端口分别设置在腔体除顶面和底面外的任意两个相互垂直的面上。
作为一种优选方案，所述微扰金属体的形状为圆柱体或矩形体。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的滤波器中，微扰金属体的中心偏离腔体的中心，使微扰金属体在腔体内形成偏移的三模谐振器，从而实现分离简并模，具有高选择性、高Q值、设计和加工简单的特点，而且具有比较宽的分数带宽，能够满足小型化通信的要求。
2、本发明的滤波器是采用了单腔三模谐振器的宽带滤波器，克服了现有滤波器采用单腔单模谐振器所存在的零点产生困难问题。
3、本发明的滤波器不用加工任何切角或者开槽，加工容易，解决了腔体滤波器带宽窄加工复杂的问题，且结构简单，应用范围广。
附图说明
图1a为采用现有技术第一种分离简并模方法的谐振器(谐振器为矩形体)结构图。
图1b为采用现有技术第一种分离简并模方法的谐振器(谐振器为圆柱体)结构图。
图2a为采用现有技术第二种分离简并模方法的谐振器立体图。
图2b为采用现有技术第二种分离简并模方法的谐振器俯视图。
图3a为采用现有技术第三种分离简并模方法的谐振器立体图。
图3b为采用现有技术第三种分离简并模方法的谐振器俯视图。
图4a为采用现有技术第四种分离简并模方法的谐振器立体图。
图4b为采用现有技术第四种分离简并模方法的谐振器俯视图。
图5a为现有技术中采用金属腔体切角的三模滤波器结构图。
图5b为现有技术中采用金属腔体切角的三模滤波器仿真结果图。
图6a为现有技术中采用调谐螺钉的介质腔体滤波器结构图。
图6b为现有技术中采用调谐螺钉的介质腔体滤波器仿真结果图。
图7为本发明实施例1的滤波器正视图。
图8为本发明实施例1的滤波器俯视图。
图9为本发明实施例1的滤波器不安装导体组件的正面结构示意图。
图10为本发明实施例1的滤波器不安装导体组件的右侧面结构示意图。
图11为本发明实施例1的滤波器中SMA接头正面结构示意图。
图12为本发明实施例1的滤波器中SMA接头侧面结构示意图。
图13为本发明实施例1的滤波器频率响应的电磁仿真曲线图。
图14为加工本发明实施例1的滤波器时的上腔体示意图。
图15为加工本发明实施例1的滤波器时的封闭式底板示意图。
图16为本发明实施例2的滤波器俯视图。
图17为加工本发明实施例2的滤波器时的上腔体示意图。
图18为本发明实施例3的滤波器俯视图。
图19为本发明实施例4的滤波器俯视图。
其中，1-腔体，2-第一端口，3-第二端口，4-微扰金属体，5-固定/调谐螺钉，6-第一同轴内导体，7-第一同轴外导体，8-第二同轴内导体，9-第二同轴外导体，10-通孔，11-螺纹孔，12-螺钉，13-末端，14-定位孔，15-固定/调谐螺纹孔。
具体实施方式
实施例1：
如图7～图10所示，本实施例的滤波器包括腔体1、第一端口2、第二端口3以及微扰金属体4，所述腔体1为矩形腔，所述微扰金属体4的形状为圆柱体，所述第一端口2和第二端口3既可以作为输入端口，又可以作为输出端口；
所述微扰金属体4的底面中心处设有与微扰金属体4构成一整体的固定/调谐螺钉5，所述微扰金属体4通过固定/调谐螺钉5与腔体1内的底部连接，微扰金属体4的中心偏离腔体1的中心；所述第一端口2和第二端口3分别设置在腔体1除顶面和底面外的任意两个相互垂直的面上(在本实施例中，第一端口2设置在腔体1的正面，第二端口3设置在腔体1的右侧面，且第一端口2和第二端口3都距腔体1的顶面和底面有一段距离)，第一端口2和第二端口3均贯穿腔体1外壁和内壁；所述第一端口2处设有第一导体组件，所述第二端口3处设有第二导体组件，所述第一导体组件和第二导体组件都用来传输信号，所述第一导体组件由第一同轴内导体6和第一同轴外导体7焊接组成，所述第二导体组件由第二同轴内导体8和第二同轴外导体9焊接组成；所述第一同轴内导体6从第一端口2伸进腔体1内，所述第一同轴外导体7固定在第一端口2处的腔体1外壁上；所述第二同轴内导体8从第二端口3伸进腔体1内，所述第二同轴外导体9固定在第二端口3处的腔体1外壁上；所述第一导体组件的轴线(设所在坐标轴为x轴)和第二导体组件的轴线(设所在坐标轴为z轴)相垂直，并分别垂直于腔体1的纵向中心线(设所在坐标轴为y轴)，从图8的俯视图中可以看到，微扰金属体4顶面的圆心相对于腔体1顶面的中心点，沿x轴方向偏移了dx，沿z轴方向偏移了dz。
所述第一同轴内导体6和第二同轴内导体8均采用耦合杆，所述第一同轴外导体7和第二同轴外导体9均采用SMA接头，每个SMA接头的结构如图11和12所示，每个SMA接头上设有四个通孔10，所述腔体1在第一端口2和第二端口3附近的位置分别开有四个与SMA接头的通孔10相对应的螺纹孔11，每个SMA接头通过四根螺钉12穿过四个通孔10后与四个螺纹孔11配合固定在腔体1的外壁上，SMA接头的末端13与耦合杆焊接。
本实施例的滤波器频率响应的电磁仿真曲线如图13所示，图中虚线表示|S11|，是输入端口的回波损耗；实线表示|S21|，是输入端口到输出端口的正向传输系数，可以看到在2.8GHz～3.5GHz的范围内，|S11|的值都在-10dB以下，并有三个明显的谐振点(即微扰金属体4构成了三模谐振器)。
本实施例的滤波器加工过程如下：
取一个矩形体，将最底部切开，切开的最底部为封闭式底板，在剩下未切开的部分挖出一个矩形腔，使这部分形成上腔体，上腔体和封闭式底板分别如图14和15所示，再结合图7～图10进行加工，在上腔体前部和右部各自开出一个口，分别作为第一端口2和第二端口3，在第一端口2和第二端口3附近的位置上分别开出四个与SMA接头的通孔10相对应的螺纹孔11，在上腔体底部未挖的位置上开出四个与销钉对应的定位孔14，在封闭式底板上开出四个定位孔14和一个固定/调谐螺纹孔15，封闭式底板上的定位孔14的直径大小与上腔体底部的定位孔14的直径大小相同，微扰金属体4底面的固定/调谐螺钉5与固定/调谐螺纹孔15相配合，使微扰金属体4安装在封闭式底板上，将两个SMA接头与两条耦合杆焊接后，分别固定在第一端口2和第二端口3处，再通过销钉将上腔体和封闭式底板进行固定。
实施例2：
本实施例的主要特点是：如图16所示，所述腔体1为圆柱腔，所述微扰金属体4的形状为圆柱体；加工时同样取一个矩形体，将最底部切开，切开的最底部则为封闭式底板，在剩下未切开的部分挖出一个圆柱腔，使这部分形成上腔体，如图17所示。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的主要特点是：如图18所示，所述腔体1为圆柱腔，所述微扰金属体4的形状为矩形体。其余同实施例1或2。
实施例4：
本实施例的主要特点是：如图19所示，所述腔体1为矩形腔，所述微扰金属体4的形状为矩形体。其余同实施例1或2。
上述实施例1～4中，所述腔体1、微扰金属体4、第一导体组件和第二导体组件采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：包括腔体、第一端口、第二端口以及微扰金属体；所述微扰金属体设置在腔体内的底部，微扰金属体的中心偏离腔体的中心，使微扰金属体在腔体内形成偏移的三模谐振器；所述第一端口和第二端口设置在腔体上，并贯穿腔体外壁和内壁；所述第一端口处设有第一导体组件，所述第二端口处设有第二导体组件，所述第一导体组件的轴线和第二导体组件的轴线相垂直，并分别垂直于腔体的纵向中心线；
所述第一导体组件由第一同轴内导体和第一同轴外导体焊接组成，所述第二导体组件由第二同轴内导体和第二同轴外导体焊接组成；所述第一同轴内导体从第一端口伸进腔体内，所述第一同轴外导体固定在第一端口处的腔体外壁上；所述第二同轴内导体从第二端口伸进腔体内，所述第二同轴外导体固定在第二端口处的腔体外壁上。
2.根据权利要求1所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述第一同轴内导体和第二同轴内导体均采用耦合杆，所述第一同轴外导体和第二同轴外导体均采用SMA接头，所述SMA接头的末端与耦合杆焊接。
3.根据权利要求2所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述每个SMA接头上设有四个通孔，所述腔体在第一端口和第二端口附近的位置分别开有四个与SMA接头的通孔相对应的螺纹孔，所述每个SMA接头通过四根螺钉穿过四个通孔后与四个螺纹孔配合固定在腔体外壁上。
4.根据权利要求1所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述微扰金属体的底面上设有与微扰金属体构成一整体的固定/调谐螺钉，所述微扰金属体通过固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部。
5.根据权利要求4所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述固定/调谐螺钉设置在微扰金属体的底面中心处。
6.根据权利要求1所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述腔体为矩形腔或圆柱腔；所述腔体为矩形腔时，所述第一端口和第二端口分别设置在腔体除顶面和底面外的任意两个相互垂直的面上。
7.根据权利要求1所述的一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述微扰金属体的形状为圆柱体或矩形体。
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