CN104143675B - 交叉耦合的带通滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滤波器设计领域，是交叉耦合的带通滤波器及其设计方法，其目的在于提供一种性能优良且体积小的带通滤波器。包括至少三个谐振腔、信号源和负载端，所述谐振腔内设置有矩形波导，谐振腔内设置有横膈膜片，所述横膈膜片径向对称设置。本发明提供的交叉耦合的带通滤波器及其设计方法，提供了一种设计小型化的性能优良的带通滤波器的方法，通过设置非对称结构的横隔膜片，并采用波珠电极耦合为接口，使产品体积小，重量轻，工作频率高，波长短，性能优良；解决了毫米波腔体滤波器应用于集成电路的难题，大大地拓展了毫米波器件在集成电路中的应用，大大开拓了8毫米波器件的应用前景。

Description

交叉耦合的带通滤波器及其设计方法

技术领域

本发明涉及滤波器设计领域，特别是交叉耦合的带通滤波器及其设计方法。

背景技术

传统的波导滤波器结构，形成谐振腔的横隔膜片对称地设置在波导窄壁的两边，腔与腔之间的耦合窗口在中间位置，输入、输出端是法兰盘，这种结构的波导滤波器体积大，通常只能在波导传输系统中应用；

也有采用探针式同轴线和各类转换接头的，它们同样存在体积大、调试困难、不易与微带电路匹配的问题，在毫米波腔体滤波器应用于集成电路中存在很大的局限。

而在制作工程中，传统工艺采用环氧树脂导电胶粘接技术，粘接牢固性较差，影响技术指标，特别是在振动条件下，其性能更加难以保证。

亟待出现一种体积小且性能优良的带通滤波器。

发明内容

本发明提出的交叉耦合的带通滤波器及其设计方法，其目的在于提供一种性能优良且体积小的带通滤波器。

本发明的技术方案是这样实现的：交叉耦合的带通滤波器，包括至少三个谐振腔、信号源和负载端，所述谐振腔内设置有矩形波导，谐振腔内设置有横膈膜片，所述横膈膜片在谐振腔的轴向切面上对称设置。

还包括接口，所述接口为玻珠耦合电极，所述玻珠耦合电极包括输入玻珠耦合电极和输出玻珠耦合电极。

进一步地，所述输入玻珠耦合电极和输出玻珠耦合电极分别设置于谐振腔两端矩形波导端壁λ/4和a/2处。

所述谐振腔、信号源和负载端之间相互耦合。

优化地，所述谐振腔、信号源和负载端使用锡焊烧结进行无螺钉固定。

交叉耦合的带通滤波器的设计方法，

（1）理论设计，采用准椭圆函数为传输函数响应特性，在技术上采用对谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数均进行微扰调整的理念；

（2）模拟设计，设定中心工作频率，查出满足滤波器性能要求的级数，并设计谐振腔的参数，参数包括：矩形波导的参数、谐振腔横隔膜片的宽度、输入玻珠耦合电极、输出玻珠耦合电极的位置参数；

（3）优化软件进行电磁场仿真，根据模拟设计的参数作为初始参数输入HFSS软件进行三维电磁场仿真，在充分满足性能指标的前提下，进行优化设计，并调整参数；

（4）物理实现，根据步骤（3）优化后的参数进行输入、输出接口方式，安装固定要求，设计出产品全套图样，对滤波器采用锡焊烧结工艺进行加工，装配使用。

本发明提供的交叉耦合的带通滤波器及其设计方法，提供了一种设计小型化的性能优良的带通滤波器的方法，通过设置非对称结构的横隔膜片，并采用波珠电极耦合为接口，使产品体积小，重量轻，工作频率高，波长短，性能优良；解决了毫米波腔体滤波器应用于集成电路的难题，大大地拓展了毫米波器件在集成电路中的应用，大大开拓了毫米波器件的应用前景；本发明采用锡焊烧结工艺，大大提高发明的可靠性，且解决了移动通信基站交调干扰的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的谐振腔的轴向切面示意图.

图中：1、横膈膜片；2、输入玻珠耦合电极；3、输出玻珠耦合电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1本发明的谐振腔的轴向切面示意图所示，本发明提供的交叉耦合的带通滤波器，包括至少三个谐振腔、信号源和负载端，所述谐振腔内设置有矩形波导，谐振腔内设置有横膈膜片1，所述横膈膜片1在谐振腔的轴向切面上对称设置。

还包括接口，所述接口为玻珠耦合电极，所述玻珠耦合电极包括输入玻珠耦合电极2和输出玻珠耦合电极3。

进一步地，所述输入玻珠耦合电极2和输出玻珠耦合电极3分别设置于谐振腔两端矩形波导端壁λ/4和a/2处。

所述谐振腔、信号源和负载端之间相互耦合。

优化地，所述谐振腔、信号源和负载端使用锡焊烧结进行无螺钉固定。

交叉耦合的带通滤波器的设计方法，

（1）理论设计，采用准椭圆函数为传输函数响应特性，在技术上采用对谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数均进行微扰调整的理念；

（2）模拟设计，设定中心工作频率，查出满足滤波器性能要求的级数，并设计谐振腔的参数，参数包括：矩形波导的参数、谐振腔横隔膜片1的宽度、输入玻珠耦合电极2、输出玻珠耦合电极3的位置参数；

（3）优化软件进行电磁场仿真，根据模拟设计的参数作为初始参数输入HFSS软件进行三维电磁场仿真，在充分满足性能指标的前提下，进行优化设计，并调整参数；

（4）物理实现，根据步骤（3）优化后的参数进行输入、输出接口方式，安装固定要求，设计出产品全套图样，对滤波器采用锡焊烧结工艺进行加工，装配使用。

本发明是采用多个谐振腔交叉耦合的带通滤波器，是通带带边具有有限传输零点的准椭圆函数响应滤波器，是在谐振腔级联的基础上，除相邻谐振腔之间相互耦合外，非相邻谐振腔之间也可以耦合，即“交叉耦合”。甚至可以采用源和负载也与谐振腔耦合，以及源与负载之间耦合。小型化交叉耦合带通滤波器是一个由6级4腔构成的交叉耦合带通滤波器，除两端的输入，输出级外，中间是由两个谐振腔构成的4腔交叉耦合滤波器

本发明的具体设计方法为：

（1）理论设计，采用准椭圆函数为传输函数响应特性，在技术上采用对谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数均进行微扰调整的理念；

为了有效地选择所需频率，抑制带外干扰，要求小型化8毫米交叉耦合带通滤波器的3dB带宽很窄，带外抑制上升急剧陡峭，即33.36GHz≥60dB，在8毫米频段要获得具有这种性能的带通滤波器是有相当难度的。

椭圆函数响应在通带和阻带都具有等波纹特性，带外上升急剧陡峭，尽管存在数学分析综合复杂，低通原型不易实现，调试困难诸多缺点，但可用于设计通带带宽窄，矩形系数高，通过功率大的带通滤波器。

本发明为了满足3dB带宽窄，带外抑制高，阻带上升急剧陡峭的要求，在对通带带边引入有限传输零点的带通滤波器，在理论上采用将标准椭圆函数修正为准椭圆函数，在技术上采用对谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数都进行微扰调整，使其结构尺寸和各项指标都达到实用技术要求。

（2）模拟设计，设定中心工作频率，查出满足滤波器性能要求的级数，并设计谐振腔的参数，参数包括：矩形波导的参数、谐振腔横隔膜片1的宽度、输入玻珠耦合电极、输出玻珠耦合电极的位置参数；

小型化8毫米“交叉耦合”带通滤波器的主要性能指标是中心工作频率为35.8GHz，波长λ=8.38mm，要求33.36GHz的抑制为60dB，而对应的38.24GHz的抑制也应按60dB考虑；从等波纹滤波器原形的衰减与归一化频率的关系曲线中查出滤波器的级数N=6才能满足性能要求；工程上可以依据标准的WR-28矩形波导的参数来设计矩形谐振腔，这种波导的内尺寸为a=7.11mm,b=3.56mm。

小型化8毫米“交叉耦合”带通滤波器实质上是一个两端封闭，内部由左右对称排列的矩形谐振腔，且谐振腔与谐振腔之间有矩形耦合窗口的周期性矩形波导结构。

模拟设计的关键是求出各矩形谐振腔的长度d1、d2、d3以及横隔膜片的宽度h1、h2、h3。振腔横隔膜片的宽度h可参照矩形波导谐振腔通过矩形缝隙耦合时计算电极化率或磁极化率的公式；输入玻珠耦合电极、输出玻珠耦合电极的位置设计在距两端矩形波导端壁λ/4和a/2处。

（3）优化软件进行电磁场仿真，根据模拟设计的参数作为初始参数输入HFSS软件进行三维电磁场仿真，在充分满足性能指标的前提下，进行优化设计，并调整参数；

本发明采用HFSS软件高效逼真的把小型化8毫米交叉耦合带通滤波器的模拟设计得出的参数值作为初始参数输入HFSS软件进行三维电磁场仿真，在充分满足性能指标的前提下，优化设计结果如下：

d1=4.80mm d2=4.50mm d3=6.50mm

h1=4.70mm h2=4.60mm h3=3.65mm

通过对模拟设计值和经过HFSS软件优化设计结果的比较，进行优化设计，并调整参数；

（4）物理实现，根据步骤（3）优化后的参数进行输入、输出接口方式，安装固定要求，设计出产品全套图样，对滤波器采用锡焊烧结工艺进行加工，装配使用。

本发明采用横隔膜片设置于波导窄壁单边的非对称结构，并对各谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数都进行微扰调整，采用波珠电极耦合，并从谐振腔波导的E面垂直输入、输出，使产品体积小，45mm×10mm×6mm，重量轻，约10克，性能优良，便于在毫米波混合集成电路中实现与微带电路宽带过渡而形成高性能的准平面结构。

本发明提供的交叉耦合的带通滤波器及其设计方法，提供了一种设计小型化的性能优良的带通滤波器的方法，通过设置非对称结构的横隔膜片，并采用波珠电极耦合为接口，使产品体积小，重量轻，工作频率高，波长短，性能优良；解决了毫米波腔体滤波器应用于集成电路的难题，大大地拓展了毫米波器件在集成电路中的应用，大大开拓了毫米波器件的应用前景；本发明采用锡焊烧结工艺，大大提高发明的可靠性，且解决了移动通信基站交调干扰的问题。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.交叉耦合的带通滤波器的设计方法，其特征在于：

(1)理论设计，采用准椭圆函数为传输函数响应特性，在技术上采用对谐振腔频率、谐振腔与谐振腔之间的耦合系数均进行微扰调整的理念；

(2)模拟设计，设定中心工作频率，从等波纹滤波器原形的衰减与归一化频率的关系曲线中查出满足滤波器性能要求的级数，并设计谐振腔的参数，参数包括：矩形波导的参数、谐振腔横隔膜片的宽度、输入玻珠耦合电极、输出玻珠耦合电极的位置参数；

工程上依据标准的WR-28矩形波导的参数来设计矩形谐振腔，这种波导的内尺寸为a＝7.11mm,b＝3.56mm；

小型化8毫米“交叉耦合”带通滤波器实质上是一个两端封闭，内部由左右对称排列的矩形谐振腔，且谐振腔与谐振腔之间有矩形耦合窗口的周期性矩形波导结构；

模拟设计的关键是求出各矩形谐振腔的长度d1、d2、d3以及横隔膜片的宽度h1、h2、h3；谐振腔横隔膜片的宽度h可参照矩形波导谐振腔通过矩形缝隙耦合时计算电极化率或磁极化率的公式；输入玻珠耦合电极、输出玻珠耦合电极的位置设计在距两端矩形波导端壁λ/4和a/2处；

(3)优化软件进行电磁场仿真，根据模拟设计的参数作为初始参数输入HFSS软件进行三维电磁场仿真，在充分满足性能指标的前提下，进行优化设计，并调整参数；

在充分满足性能指标的前提下，优化设计结果如下：

d1＝4.80mm d2＝4.50mm d3＝6.50mm

h1＝4.70mm h2＝4.60mm h3＝3.65mm

(4)物理实现，根据步骤(3)优化后的参数进行输入、输出接口方式，安装固定要求，设计出产品全套图样，对滤波器采用锡焊烧结工艺进行加工，装配使用。