CN104241744A - 一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，包括腔体、第一端口、第二端口、第一微扰金属体、第二微扰金属体以及第三微扰金属体；所述第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体设置在腔体内的底部，第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体的中心均偏离腔体的中心，且第一微扰金属体和第二微扰金属体以腔体的纵向中心线为中心相互对称，第三微扰金属体的中心在第一微扰金属体和第二微扰金属体的对称线上；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。本发明具有高选择性、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，能够很好的满足小型化通信的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种腔体结构的滤波器，尤其是一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，属于无线通信领域。
背景技术
在现代移动通信技术中，微波射频器件已成为了必不可少的重要组成部分。滤波器作为基本的一种射频器件，其插入损耗、带外抑制和功率容量等一系列指标对于整机的性能有着重要的影响。系统小型化便携化的趋势要求滤波单元在更小空间内实现所需性能指标。
针对上述需求，波导腔体多模滤波器具有很多优点：第一，高Q值；第二，高功率容量；第三，波导腔体多模滤波器在一个腔体内就能实现单模所需的几个腔才能实现的滤波特性，因此，小型化这一优势显露无疑。这三大特点保证了滤波器的小型化和高性能的要求。同时我们也不能忽视介质多模滤波器在产品研制、制造，尤其是规模化生产的实现上存在诸多挑战，主要是以下问题：其一，高次模产品复杂的寄生耦合对于主模式影响很大，大大提高了仿真尤其是调试的复杂性。这要求对待高次模必须借助其固有特性，消减负面影响，加强有效利用；其二，复杂的可调谐耦合结构，通常的腔体多模调谐结构为螺钉，并且在分离简并模的问题上采用切角和与在两个极化的电场成45°加耦合螺钉的方法，这样的话加工难度提高，从而提高了加工成本。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
对于腔体结构的滤波器要产生多模结构，必须使腔体内的激励起的各个模式之间存在耦合，一般通过以下几种方法进行模式之间的耦合：(1)在谐振器合适的方向伸进耦合螺钉，结构如图1a和图1b所示；(2)剖出个矩形切角，结构如图2a和图2b所示；(3)在谐振器中心开槽，结构如图3a和图3b所示。对于工程应用，利用耦合螺钉、切角、开槽等方法，可以解决实际的工程需要，但结构复杂，不易加工。
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。1992年，Shengli Lai和Weigan Lin在IEEE MTT-S Digest发表题为“A Five Mode SingleSpherical Cavity Microwave Filter”文章，作者提出了一种圆球型腔体，通过调谐螺钉及耦合螺钉实现了单腔五模的带通滤波器，滤波器的结构示意图如图4所示，测试结果如图5所示。从测量结果可知该滤波器的带宽比较窄。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，该滤波器结构简单、加工容易，实现一个腔体内分离两对简并模，产生五个模式，而且具有比较宽的分数带宽，能够满足通信系统的要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种采用单腔五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、第一微扰金属体、第二微扰金属体以及第三微扰金属体；所述第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体设置在腔体内的底部，第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体的中心均偏离腔体的中心，且第一微扰金属体和第二微扰金属体以腔体的纵向中心线为中心相互对称，第三微扰金属体的中心在第一微扰金属体和第二微扰金属体的对称线上；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上分别开有四个与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，所述第一微扰金属体的底面上设有与第一微扰金属体构成一整体的第一固定/调谐螺钉，所述第二微扰金属体的底面上设有与第二微扰金属体构成一整体的第二固定/调谐螺钉；所述第三微扰金属体的底面上设有与第三微扰金属体构成一整体的第三固定/调谐螺钉；所述第一微扰金属体通过第一固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部，所述第二微扰金属体通过第二固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部，所述第三微扰金属体通过第三固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部。
作为一种优选方案，所述第一固定/调谐螺钉设置在第一微扰金属体的底面中心处；所述第二固定/调谐螺钉设置在第二微扰金属体的底面中心处；所述第三固定/调谐螺钉设置在第三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，所述第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三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、本发明的滤波器采用的是腔体内偏移金属体这种简单的微扰调谐结构，具体是在腔体内设置三个微扰金属体，并令三个微扰金属体的中心均偏离腔体的中心，其中两个微扰金属体相互对称，另一个微扰金属体的中心在这两个微扰金属体的对称线上，使三个微扰金属体在腔体内形成偏移的五模谐振器，从而实现一个腔体内分离两对简并模，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，能够很好的满足小型化通信的要求。
2、本发明的滤波器在2.75GHz～3.78GHz的范围内有五个明显的谐振点，可见是采用单腔五模谐振器的宽带滤波器，并且相对带宽达到33％，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为现有技术采用第一种耦合方式的谐振器立体图。
图1b为现有技术采用第一种耦合方式的谐振器俯视图。
图2a为现有技术采用第二种耦合方式的谐振器立体图。
图2b为现有技术采用第二种耦合方式的谐振器俯视图。
图3a为现有技术采用第三种耦合方式的谐振器立体图。
图3b为现有技术采用第三种耦合方式的谐振器俯视图。
图4a为现有技术中通过调谐螺钉及耦合螺钉实现单腔五模的带通滤波器结构图。
图4b为现有技术中通过调谐螺钉及耦合螺钉实现单腔五模的带通滤波器仿真结果图。
图5为本发明实施例1的滤波器正视图。
图6为本发明实施例1的滤波器右视图。
图7为本发明实施例1的滤波器俯视图。
图8为本发明实施例1的滤波器未安装导体组件的正视图。
图9为本发明实施例1的滤波器未安装导体组件的右视图。
图10为本发明实施例1的滤波器中未开出端口的腔体与两个微扰金属体的位置关系立体图。
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为本发明实施例3的滤波器俯视图。
图18为本发明实施例4的滤波器俯视图。
图19为本发明实施例5的滤波器俯视图。
其中，1-腔体，2-第一端口，3-第二端口，4-第一微扰金属体，5-第二微扰金属体，6-第三微扰金属体，7-第一固定/调谐螺钉，8-第二固定/调谐螺钉，9-第三固定/调谐螺钉，10-第一同轴内导体，11-第一同轴外导体，12-第二同轴内导体，13-第二同轴外导体，14-通孔，15-螺纹孔，16-螺钉，17-末端，18-定位孔，19-第一固定/调谐螺纹孔，20-第二固定/调谐螺纹孔，21-第三固定/调谐螺纹孔。
具体实施方式
实施例1：
如图5～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、第一微扰金属体4、第二微扰金属体5以及第三微扰金属体6，所述腔体1为圆柱腔，所述第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6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；
所述第一微扰金属体4的底面上设有与第一微扰金属体4构成一整体的第一固定/调谐螺钉7，所述第二微扰金属体5的底面上设有与第二微扰金属体5构成一整体的第二固定/调谐螺钉8，所述第三微扰金属体6的底面上设有与第三微扰金属体6构成一整体的第三固定/调谐螺钉9；所述第一微扰金属体4通过第一固定/调谐螺钉7安装在腔体1内的底部，所述第二微扰金属体5通过第二固定/调谐螺钉8安装在腔体1内的底部，所述第三微扰金属体6通过第三固定/调谐螺钉9安装在腔体1内的底部，且第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6均偏离腔体1的中心；所述第一端口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10和第一同轴外导体11焊接组成，所述第二导体组件由第二同轴内导体12和第二同轴外导体13焊接组成；所述第一同轴内导体10从第一端口2伸进腔体1内，所述第一同轴外导体11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12从第二端口3伸进腔体1内，所述第二同轴外导体13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z轴)和第二导体组件的轴线(设所在坐标轴为x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6的俯视图中可以看到，第一微扰金属体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(图示为-dx)，沿z轴方向偏移了dz；第二微扰金属体5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(图示为-dz)；第三微扰金属体6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dx1，沿z轴方向偏移了dz1。由此可见，第一微扰金属体4和第二微扰金属体5以腔体1的纵向中心线为中心相互对称，同时也关于第一端口2和第二端口3的对称面对称，而第三微扰金属体6的中心在第一微扰金属体4和第二微扰金属体5的对称线上，同时也在第一端口2和第二端口3的对称面上。
所述第一同轴内导体10和第二同轴内导体12均采用耦合杆，所述第一同轴外导体11和第二同轴外导体13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14，所述腔体1在第一端口2和第二端口3附近的位置上分别开有四个与SMA接头的通孔14相对应的螺纹孔15，每个SMA接头通过四根螺钉16穿过四个通孔14后与四个螺纹孔15配合固定在腔体1的外壁上，SMA接头的末端17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|S11|是输入端口的回波损耗，|S21|是输入端口到输出端口的正向传输系数，可以看到在2.75GHz～3.78GHz的范围内，|S11|的值都在-10dB以下，并有五个明显的谐振点(即第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6在腔体1内构成了五模谐振器)，相对带宽达到33％。
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圆柱腔，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5～图9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14相对应的螺纹孔15，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18，在封闭式底板上开出四个定位孔18和三个固定/调谐螺纹孔(分别为第一固定/调谐螺纹孔19、第二固定/调谐螺纹孔20和第三固定/调谐螺纹孔21)，封闭式底板上的定位孔18的直径大小与上腔体底部的定位孔18的直径大小相同，第一微扰金属体4底面的第一固定/调谐螺钉7与第一固定/调谐螺纹孔19相配合，第二微扰金属体5底面的第二固定/调谐螺钉8与第二固定/调谐螺纹孔20相配合，第三微扰金属体6底面的第三固定/调谐螺钉9与第三固定/调谐螺纹孔21相配合，使第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6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为矩形腔，所述第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6的形状均为圆柱体；所述第一端口2和第二端口3可以分别设置在腔体1除顶面和底面外的任意两个相互垂直的面上(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)；而加工过程同样是取一个矩形体，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。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的主要特点是：如图17所示，所述腔体1为圆柱腔，所述第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6的形状均为矩形体。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18所示，所述腔体1为矩形腔，所述第一微扰金属体4、第二微扰金属体5和第三微扰金属体6的形状均为矩形体。其余同实施例1或2。
实施例5：
本实施例的主要特点是：如图19所示，所述腔体1为矩形腔，所述第一微扰金属体4和第二微扰金属体5的形状为矩形体，而第三微扰金属体6的形状为圆柱体。其余同实施例1或2。
上述实施例1～5中，所述腔体1、第一微扰金属体4、第二微扰金属体5、第三微扰金属体6、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，如第一微扰金属体4和第二微扰金属体5的形状为圆柱体，而第三微扰金属体6的形状为矩形体等，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 (8)
1.一种采用单腔五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、第一微扰金属体、第二微扰金属体以及第三微扰金属体；所述第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体设置在腔体内的底部，第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体的中心均偏离腔体的中心，且第一微扰金属体和第二微扰金属体以腔体的纵向中心线为中心相互对称，第三微扰金属体的中心在第一微扰金属体和第二微扰金属体的对称线上；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。
2.根据权利要求1所述的一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：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。
3.根据权利要求2所述的一种采用单腔五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。
4.根据权利要求3所述的一种采用单腔五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上分别开有四个与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。
5.根据权利要求1所述的一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述第一微扰金属体的底面上设有与第一微扰金属体构成一整体的第一固定/调谐螺钉，所述第二微扰金属体的底面上设有与第二微扰金属体构成一整体的第二固定/调谐螺钉；所述第三微扰金属体的底面上设有与第三微扰金属体构成一整体的第三固定/调谐螺钉；所述第一微扰金属体通过第一固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部，所述第二微扰金属体通过第二固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部，所述第三微扰金属体通过第三固定/调谐螺钉安装在腔体内的底部。
6.根据权利要求5所述的一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述第一固定/调谐螺钉设置在第一微扰金属体的底面中心处；所述第二固定/调谐螺钉设置在第二微扰金属体的底面中心处；所述第三固定/调谐螺钉设置在第三微扰金属体的底面中心处。
7.根据权利要求1所述的一种采用单腔五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。
8.根据权利要求1所述的一种采用单腔五模腔体谐振器的宽带滤波器，其特征在于：所述第一微扰金属体、第二微扰金属体和第三微扰金属体的形状为圆柱体或矩形体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170531 Termination date: 20210903 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |