CN104752795B - 一种高选择性的三模单腔带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高选择性的三模单腔带通滤波器，包括矩形腔体、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形腔体的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形腔体的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有折叠型的第一槽线；所述第二介质板的顶面设有折叠型的第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线和第二槽线的形状相同。本发明的带通滤波器利用结构简单的微带线来进行馈电，不仅降低了成本，而且易于与其他器件集成；此外，微带线还可以将能量传输给折叠型的槽线结构，由槽线结构激励出了矩形腔体内的三个模式，这保证了矩形腔体的完整性，使滤波器能够继承传统矩形谐振腔选择性高、功率容量大等优点。

Description

一种高选择性的三模单腔带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，尤其是一种高选择性的三模单腔带通滤波器，属于无线通讯领域。

背景技术

随着通信技术的不断发展，频谱资源变得越来越稀缺，为了能够更加有效地利用有限的频谱资源，对分隔频率的要求也就越来越高，微波滤波器作为一种重要的微波选频无源器件，其发展也越来受到越来越多的重视。

从二十世纪七十年代开始，矩形谐振腔就被用来设计微波滤波器，因其具有选择性高、损耗低、功率容量大等优点而广泛用于军事、卫星、数字电视广播、基站等现代通信中。采用矩形谐振腔来设计滤波器的原理主要是利用谐振腔里的多模特性，也即是TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁这三个模式，因此单腔设计出来的滤波器在通带内一般都具有三个极点。所以，利用矩形谐振腔来设计微波滤波器的关键问题是怎样激励出腔体里的三个模式，具体来说主要涉及到滤波器的馈电方式和腔体内模式间的耦合。就馈电方式而言，最常见的是波导馈电和同轴线馈电；就腔体内模式间的耦合方式上，常见的方法有切边框、加枝节、设置非谐振器等，这些方法要么改变了腔体的结构，增加了制作成本，要么结构比较复杂，不利于大规模生产。

波导和同轴线馈电不仅制作成本高，而且不易与其他微波器件连接，采用微带馈电结构的实例很少，且大都结构复杂。

如上所述，利用腔体制作带通滤波器的关键是怎样激励出腔体里的TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁这三个模式，也即是怎样激励和控制这三个模式间的耦合和腔体间的耦合，不同的结构有不同的方法，如下：

1)一种最常见的结构由G.Lastoria等人于1998年在IEEE MICROWAVE AND GUIDEDWAVE LETTERS期刊上提出了，发表了题为《CAD ofTriple-Mode Cavities in RectangularWaveguide》一文，根据其仿真结果，可以知道通带内有三个极点，代表三个模式(TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁)，带内回波损耗低于20dB。

2)利用1)所述的结构单元，M.Mattes等人于2000年在IEEE MTT-S Digest上发表了题为《Six-pole triple mode filters in rectangular waveguide》的文章，将1)所述结构的两个结构单元进行级联，设计出一款六阶滤波器，由于在级联的两个结构单元中 引入了交叉耦合(通过中间矩形孔实现)，所以可以在带外得到一对传输零点。根据其仿真结果，可以知道通带内有六个极点，通带外有一对传输零点。传输零点的引入改善了滤波器的选择特性。

3)Chi Wang等人于2001年在IEEE MTT-S Digest上发表题为《A practicaltriple-mode monoblock bandpass filter for base station applications》文章提出的结构，该结构与2)所述结构相似，通过级联两个结构单元，从而引入交叉耦合实现带通滤波器的六个模式和双零点特性，唯一的不同之处在于馈电，此结构是通过同轴线馈电。

4)Kenichi Konno等人于2001年在IEEE MTT-S Digest上发表题为《A compactelliptic-function BPF using triple-mode cavities for terrestrial digitaltelevision transmitters》的文章，提出了该结构，该结构值得关注的地方在于它怎样控制腔体间的耦合，于引入了两对交叉耦合，所以可以得到两对传输零点，从响应结果看来，两对传输零点的产生使滤波器的选择性和带外特性都很好。

以上四种带通滤波器都是基于矩形谐振腔，是比较常见的设计方法，从馈电上来看，主要是矩形波导馈电和同轴线馈电。设计的关键在于怎样控制模式间的耦合与腔体之间的耦合，耦合控制好了，就能得到很好的特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种高选择性的三模单腔带通滤波器，该滤波器结构简单，通过微带线进行馈电，不仅降低了成本，而且易于与其他器件集成。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种高选择性的三模单腔带通滤波器，包括矩形腔体、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形腔体的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形腔体的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有折叠型的第一槽线；所述第二介质板的顶面设有折叠型的第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线和第二槽线的形状相同。

作为一种优选方案，所述第一槽线倾斜设置在第一介质板的底面上，所述第二槽线倾斜设置在第二介质板的顶面上。

作为一种优选方案，所述第一槽线和第二槽线倾斜的角度相同，且倾斜的方向相反，所述第一槽线在第二介质板顶面上的投影与第二槽线关于第二介质板顶面的纵向中心线呈对称结构。

作为一种优选方案，所述第一微带线和第二微带线的形状均为矩形，且第一微带线与第二微带线的长度、宽度相一致，所述第一微带线横向设置在第一介质板的顶面， 且其中一端作为端口，所述第二微带线横向设置在第二介质板的底面，且其中一端作为端口。

作为一种优选方案，所述第一微带线与第二微带线呈旋转对称结构，所述第一微带线的端口位于第一介质板的左边缘处，所述第二微带线的端口位于第二介质板的右边缘处。

作为一种优选方案，所述第一槽线和第二槽线的形状均为凹形。

作为一种优选方案，所述第一微带线和第二微带线均采用50Ω微带线。

作为一种优选方案，所述矩形腔体、第一微带线和第二微带线均采用金属材料构成。

作为一种优选方案，所述矩形腔体内填充有空气。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的带通滤波器利用结构简单的微带线来进行馈电，不仅降低了成本，而且易于与其他器件集成；此外，微带线的作用不仅仅在于馈电，还可以将能量传输给折叠型的槽线结构，由槽线结构激励出了矩形腔体内的三个模式，这保证了矩形腔体的完整性，使滤波器能够继承传统矩形谐振腔选择性高、功率容量大等优点。

2、本发明的带通滤波器的仿真结果显示，通带内有三个极点，也即三个模式，分别在2.899GHz、3.002GHz和3.07GHz处，并在通带两侧有一对传输零点。

3、本发明的带通滤波器可以通过改变矩形腔体的各边边长调整各个模式的频点，使它们相互靠近形成通带，从而使滤波器得到优化，仿真结果显示带内带外性能均良好，选择性高，符合现代通信技术的要求。

4、本发明的带通滤波器结构简单、带内带外性能很好，克服了传统微带宽带滤波器损耗大、Q值低的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例1的带通滤波器结构示意图。

图2为图1所示带通滤波器结构的俯视图。

图3为图1所示带通滤波器结构的仰视图。

图4为图1所示带通滤波器结构的正视图。

图5为图1所示带通滤波器结构的侧视图。

图6为图1所示带通滤波器中第一介质板的底面示意图。

图7为图1所示带通滤波器中第一槽线和第二槽线的俯视图。

图8为本发明实施例1的带通滤波器的仿真结果图。

图9为图8中第一个模式2.899GHz处的电场分布图。

图10为图8中第二个模式3.002GHz处的电场分布图。

图11为图8中第三个模式3.07GHz处的电场分布图。

图12为本发明实施例1的带通滤波器经过优化的仿真结果图。

其中，1-矩形腔体，2-第一介质板，3-第二介质板，4-第一微带线，5-第一槽线，6-第二槽线，7-第二微带线。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图5所示，图中示出了相同的三维坐标，本实施例的带通滤波器包括矩形腔体(矩形波导)1、第一介质板2和第二介质板3，其中：

所述矩形腔体1具有一定厚度，内部填充有空气，顶部由第一介质板2覆盖，底部由第二介质板3覆盖；所述第一介质板2的顶面设有第一微带线4，第一介质板2的底面设有折叠型的第一槽线5；所述第二介质板3的顶面设有折叠型的第二槽线6，底面设有第二微带线7，所述矩形腔体1、第一微带线4和第二微带线7均采用金属材料构成；

所述第一微带线4和第二微带线7均采用50Ω微带线，形状均为矩形，且第一微带线4与第二微带线7呈旋转对称结构，除了方向外，长度、宽度都是一致的，所述第一微带线4横向设置在第一介质板2的顶面，且其中一端作为端口Port1，该端口Port1位于第一介质板2的左边缘处；所述第二微带线7横向设置在第二介质板3的底面，且其中一端作为端口Port2，该端口Port2位于第二介质板3的右边缘处；

所述第一槽线5和第二槽线6的形状均为凹形；如图6所示，第一槽线5倾斜设置在第一介质板2的底面上，其中第一槽线5沿逆时针旋转，与Y轴正方向的夹角记为d1；而第二槽线6同样倾斜设置在第二介质板3的顶面上，第二槽线6沿顺时针旋转，与Y轴正方向的夹角也为d1，可见第一槽线5和第二槽线6倾斜的角度相同，且倾斜的方向相反；如图7所示，第一槽线5和第二槽线6关于Y轴呈对称结构，而Y轴与第二介质板3顶面的纵向中心线位于同一平面，结合图1，第一槽线5在第二介质板3顶面上的投影与第二槽线6关于第二介质板3顶面的纵向中心线呈对称结构。

本实施例的带通滤波器具体原理是：设端口Port1为输入端口，端口Port2为输出端口，信号从端口Port1输入后，利用第一介质板2顶面的第一微带线4进行馈电，将 能量传输给第一介质板2底面的第一槽线5，第一槽线5将能量耦合到矩形腔体1内，激励出矩形腔体1内的三个模式，形成通带，再通过第二介质板3顶面的第二槽线6，在第二介质板3底面的第二微带线7上通过端口Port2输出。

上述带通滤波器结构的仿真结果如图8所示(图中S(1，1)参数是指输入端口的回波损耗，S(2，1)参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)，从该仿真结果可以看出，通带内有三个极点，也即三个模式，分别在2.899GHz、3.002GHz和3.07GHz处，而在通带两侧，有一对传输零点，观察通带内的三个极点处的电场分布，分别如图9、图10和图11所示，从图中的电场分布可以看出，这三个模式的电场矢量方向分别沿着X轴、Y轴和Z轴，那么可以判断出该三个模式分别为TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁，证明该结构成功地激励出了矩形腔体内的TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁三个模式，而同时在带外拥有一对传输零点。

最后，通过改变矩形腔体的各边边长调整各个模式的频点，使它们相互靠近形成通带，优化后的仿真结果如图12所示(图中S₁₁参数是指输入端口的回波损耗，S₂₁参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)。从仿真结果可以看出，带内回波损耗低于20dB，最大插损为1.8dB，2dB带宽大约为30MHz，通带外由于一对传输零点的存在，使得带外抑制在28dB以上，因此带内带外性能均良好，选择性高，符合现代通信技术的要求。

上述实施例中，所述矩形腔体、第一微带线、第二微带线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。

综上所述，本发明的带通滤波器利用结构简单的微带线来进行馈电，不仅降低了成本，而且易于与其他器件集成；此外，微带线的作用不仅仅在于馈电，还可以将能量传输给折叠型的槽线结构，由槽线结构激励出了矩形腔体内的三个模式，这保证了矩形腔体的完整性，使滤波器能够继承传统矩形谐振腔选择性高、功率容量大等优点。

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 (6)

1.一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：包括矩形腔体、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形腔体的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形腔体的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有折叠型的第一槽线；所述第二介质板的顶面设有折叠型的第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线和第二槽线的形状均为凹形，第一槽线倾斜设置在第一介质板的底面上，第二槽线倾斜设置在第二介质板的顶面上，由第一槽线和第二槽线激励出矩形腔体内的三个模式，通过改变矩形腔体的各边边长调整各个模式的频点，使它们相互靠近形成通带；

所述第一槽线和第二槽线倾斜的角度相同，且倾斜的方向相反，所述第一槽线在第二介质板顶面上的投影与第二槽线关于第二介质板顶面的纵向中心线呈对称结构。

2.根据权利要求1所述的一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线和第二微带线的形状均为矩形，且第一微带线与第二微带线的长度、宽度相一致，所述第一微带线横向设置在第一介质板的顶面，且其中一端作为端口，所述第二微带线横向设置在第二介质板的底面，且其中一端作为端口。

3.根据权利要求2所述的一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线与第二微带线呈旋转对称结构，所述第一微带线的端口位于第一介质板的左边缘处，所述第二微带线的端口位于第二介质板的右边缘处。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线和第二微带线均采用50Ω微带线。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：所述矩形腔体、第一微带线和第二微带线均采用金属材料构成。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种高选择性的三模单腔带通滤波器，其特征在于：所述矩形腔体内填充有空气。