CN104577275B - 基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器，包括腔体、第一端口以及第二端口；所述第一端口和第二端口设置在腔体底部，并贯穿腔体底部外壁和内壁；所述第一端口处设有第一同轴内导体和第一同轴外导体，所述第二端口处设有第二同轴内导体和第二同轴外导体，所述第一同轴内导体与第一同轴外导体焊接，并从第一端口伸进腔体内形成馈电探针，所述第二同轴内导体与第二同轴外导体焊接，并从第二端口伸进腔体内形成馈电探针，所述第一端口、第一同轴内导体和第一同轴外导体分别与第二端口、第二同轴内导体和第二同轴外导体关于腔体底部中心原点中心对称。本发明具有比较宽的分数带宽，能够满足通信系统的要求。

Description

基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器

技术领域

本发明涉及一种腔体结构的滤波器，尤其是一种基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器，属于无线通信领域。

背景技术

随着无线通信系统的发展，越来越迫切需要利用其他被限制的频段。为了更有效的利用这些频率资源，微波通信系统中的滤波器是不可或缺的电子设备，其性能的好坏直接影响通信系统的质量。随着通信技术日益更新，对滤波器的性能提出更高的要求。例如：小尺寸、较低的插入损耗、高选择性等等。或者对带宽有特殊的要求。而对于腔体滤波器，由于它具有低插入损耗、耐高功率而广泛使用，但受到体积庞大的限制而不能应用在某些通信系统中。

针对上述需求，腔体多模滤波器具有很多优点：第一，高功率容量；第二，低插入损耗，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。对于目前的技术，实现小型化大多数实用介质多模滤波器，但不可否认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；其三，昂贵的加工费用，利用介质谐振器实现很好的滤波器性能的代价是昂贵的介质材料。

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4a所示，测试结果如图4b所示，从测量结果可知该滤波器的带宽比较窄，并且结构比较复杂。

1998年10月，G.Lastoria等人在IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS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，图5b是它的仿真结果。这种耦合方式的结构不易加工，而且能够实现带宽也相对较窄。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器，该滤波器结构简单、加工容易，可以实现一个腔体产生三个模式，而且仅仅在输入、输出端口分别采用同轴线的内导体延伸到腔体内进行微扰即可实现三模谐振器，还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：

基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器，包括腔体、第一端口以及第二端口；所述第一端口和第二端口设置在腔体底部，并贯穿腔体底部外壁和内壁；所述第一端口处设有第一同轴内导体和第一同轴外导体，所述第二端口处设有第二同轴内导体和第二同轴外导体，所述第一同轴内导体与第一同轴外导体焊接，并从第一端口伸进腔体内形成馈电探针，所述第二同轴内导体与第二同轴外导体焊接，并从第二端口伸进腔体内形成馈电探针，所述第一端口、第一同轴内导体和第一同轴外导体分别与第二端口、第二同轴内导体和第二同轴外导体关于腔体底部中心原点中心对称。

作为一种实施方案，所述第一同轴外导体固定在第一端口处的腔体底部外壁上，所述第二同轴外导体固定在第二端口处的腔体底部外壁上。

作为一种实施方案，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。

作为一种实施方案，所述每个SMA接头上设有四个通孔，所述腔体底部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底部外壁上。

作为一种实施方案，所述腔体为矩形腔或圆柱腔。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的滤波器通过在腔体底部设置两个关于底部中心原点中心对称的端口(分别作为输入端口和输出端口)，并将两个同轴内导体分别从两个端口伸进腔体内形成馈电探针，同时进行微扰实现三模谐振器，具有体积小、性能好、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、本发明的滤波器仿真结果表明，在4.3GHz～7.3GHz的范围内有三个明显的谐振点，可见是采用单腔三模谐振器的宽带滤波器，并且能实现3GHz的绝对带宽，相对带宽达到55.8％，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，解决了传统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6为本发明实施例1的滤波器正视图。

图7为本发明实施例1的滤波器左视图。

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的滤波器中已开出两个端口和螺纹孔的腔体底部示意图。

图10为本发明实施例1的滤波器中SMA接头正面结构示意图。

图11为本发明实施例1的滤波器中SMA接头侧面结构示意图。

图12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13为加工本发明实施例1的滤波器时的下腔体示意图。

图14为加工本发明实施例1的滤波器时的封闭式顶板示意图。

图15为本发明实施例2的滤波器俯视图。

其中，1-腔体，2-第一端口，3-第二端口，4-第一同轴内导体，5-第一同轴外导体，6-第二同轴内导体，7-第二同轴外导体，8-通孔，9-螺纹孔，10-螺钉，11-末端，12-定位孔。

具体实施方式

实施例1：

如图6～图9所示，本实施例的滤波器包括腔体1、第一端口2以及第二端口3，所述第一端口2和第二端口3设置在腔体1底部，并贯穿腔体1底部外壁和内壁，所述腔体1为矩形腔，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。

所述第一端口2处设有第一同轴内导体4和第一同轴外导体5，所述第二端口3处设有第二同轴内导体6和第二同轴外导体7，所述第一同轴内导体4与第一同轴外导体5焊接，并从第一端口2伸进腔体1内形成馈电探针，所述第二同轴内导体6与第二同轴外导体7焊接，并从第二端口3伸进腔体1内形成馈电探针，两个馈电探针用来传输信号，同时在腔体1内进行微扰，实现在腔体1内产生三个模式(即在腔体1内实现三模谐振器)；所述第一同轴外导体5固定在第一端口2处的腔体1底部外壁上，所述第二同轴外导体7固定在第二端口3处的腔体1底部外壁上，所述第一端口2、第一同轴内导体4和第一同轴外导体5分别与第二端口3、第二同轴内导体6和第二同轴外导体7关于腔体1底部中心原点中心对称，从图6和图8中可看出在本实施例中是左右对称的。

所述第一同轴内导体4和第二同轴内导体6均采用耦合杆，所述第一同轴外导体5和第二同轴外导体7均采用SMA接头，每个SMA接头的结构如图10和图11所示，每个SMA接头上设有四个通孔8，所述腔体1底部在第一端口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8相对应的螺纹孔9，每个SMA接头通过四根螺钉10穿过四个通孔8后与四个螺纹孔9配合固定在腔体1底部外壁上，SMA接头的末端11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12所示，图中|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4.3GHz～7.3GHz的范围内，|S₁₁|的值都在-10dB以下，并有三个明显的谐振点，相对带宽达到55.8％。

本实施例的滤波器加工过程如下：

取一个矩形体，将最顶部切开，切开的最顶部为封闭式顶板，在剩下未切开的部分挖出一个矩形腔，使这部分形成下腔体，下腔体和封闭式顶板分别如图13和图14所示，再结合图6～图9进行加工，在下腔体的底部开出两个口作为第一端口2和第二端口3，在第一端口2和第二端口3的位置上分别开出四个与SMA接头的通孔8相对应的螺纹孔9，在下腔体顶部未挖的位置上开出四个与销钉对应的定位孔12，在封闭式顶板上开出四个定位孔12，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，再通过销钉将下腔体和封闭式顶板进行固定。

实施例2：

本实施例的主要特点是：如图15所示，所述腔体1为圆柱腔，其余结构和原理同实施例1。

上述实施例1和2中，所述腔体1、第一同轴内导体4、第一同轴外导体5、第二同轴内导体6和第二同轴外导体7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，如实施例1中两个端口理论上可以设置在腔体其它相同的面上，实施例2中两个端口可以设置在腔体的顶部等，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 (4)

1.基于同轴馈电探针微扰的多模腔体谐振器的宽带滤波器，包括腔体、第一端口以及第二端口，其特征在于：所述第一端口和第二端口设置在腔体底部，并贯穿腔体底部外壁和内壁；所述第一端口处设有第一同轴内导体和第一同轴外导体，所述第二端口处设有第二同轴内导体和第二同轴外导体，所述第一同轴外导体固定在第一端口处的腔体底部外壁上，所述第二同轴外导体固定在第二端口处的腔体底部外壁上，所述第一同轴内导体与第一同轴外导体焊接，并从第一端口竖直伸进腔体内形成馈电探针，所述第二同轴内导体与第二同轴外导体焊接，并从第二端口竖直伸进腔体内形成馈电探针，两个馈电探针用来传输信号，同时在腔体内进行微扰，实现在腔体内产生三个模式，即在腔体内实现三模谐振器；所述第一端口、第一同轴内导体和第一同轴外导体分别与第二端口、第二同轴内导体和第二同轴外导体关于腔体底部中心原点中心对称。

2.根据权利要求1所述的一种基于同轴馈电探针微扰的多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所述的一种基于同轴馈电探针微扰的多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，所述腔体底部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底部外壁上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于同轴馈电探针微扰的多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。