CN105006617A - 三模介质腔体滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三模介质腔体滤波器，属于介质滤波器的技术领域。三模介质腔体滤波器，包含：单个谐振腔即可实现TE01δ模式、两种简并HEH11模式的三模介质谐振器，以及输入端、输出端、耦合电路，输入端通过金属探针与一种简并HEH11模式耦合，输出端通过金属探针与另一种简并HEH11模式耦合。三模介质谐波器包括：金属谐振腔、加载于金属谐振腔中心的支撑介质圆柱、放置在支撑介质圆柱上的高介电常数介质圆柱，在高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o的四个径向方向上有开槽。本发明将高Q值的TE01δ模式和两种简并HEH11模式混合谐振用于三模滤波器可产生较低的通带损耗；利用一个谐振腔的体积实现传统单模滤波器三个谐振腔的功能，有效减小了滤波器的体积。
Description
技术领域
本发明公开了三模介质腔体滤波器，属于介质滤波器的技术领域。
背景技术
目前无线通讯发展迅猛。在4G时代，多种标准通信标准和网络同时并存，相互竞争将是较长时期内的市场格局。加之其它各种无线应用，包括无线局域网、导航、蓝牙等技术的迅速发展，目前无线频谱资源的使用非常拥挤，相互之间的干扰也非常严重。4G及未来5G移动通信基站滤波器、双工器需要更高的带外抑制、更低的损耗和更小的体积。
基于高介电陶瓷材料的介质腔体谐振器可以将场能量集中于介质内部，降低导体损耗；又因为介质损耗很低，所以介质腔体谐振器相比同轴谐振器具有高得多的Q值。最先人们基于圆柱形介质谐振器的TE01δ模式可以实现单模介质滤波器，获得了较低的损耗，但是体积较大。为了缩减体积，学者基于圆柱形谐振器中的简并双模HEH11谐振模式设计双模滤波器，每个谐振器内有两个谐振模式，体积的使用效率倍增，大大减小了体积。
此后，学者们发展了多种双模介质滤波器，这种谐振器从结构特点划分，可分为柱形、十字型、Δ型和Y型等等，所使用的谐振模式、谐振器体积和Q值也各不相同。此外还有一些三模和四模介质滤波器的技术报道，进一步的减小了滤波器的体积。已有的三模介质滤波器，选用Q值较小的模式组成混合三模使得滤波器损耗相对较高；此外，传统的单模滤波器需要三个谐振腔以实现三种模态的混合，给减小滤波器体积带来了弊端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了三模介质腔体滤波器，通过对传统柱形介质谐振器的改进得到了单腔即可实现三模滤波的的谐振器结构，谐振器选用Q值较高的两个简并模式HEH11模式（HEH11⊥和HEH11∥）和一个TE01δ模式实现三模混合，解决了现有三模介质腔体滤波器选用其它模式实现三模混合存在通道损耗较大、三个谐振腔实现三阶滤波限制了滤波器体积小型化发展的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
三模介质腔体滤波器，包含：单个谐振腔即可实现TE01δ模式、两种简并HEH11模式的三模介质谐振器，以及输入端、输出端、耦合电路；其中，输入端通过金属探针与一种简并HEH11模式耦合，输出端通过金属探针与另一种简并HEH11模式耦合；
三模介质谐波器包括：金属谐振腔、加载于金属谐振腔中心的支撑介质圆柱、放置在支撑介质圆柱上的高介电常数介质圆柱，在高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o的四个径向方向上有开槽，通过调节高介电常数介质圆柱的直径、高度、开槽长度来调整TE01δ模式和两种简并HEH11模式的频率以实现混合三模谐振；
耦合电路包括：实现HEH11⊥模式与TE01δ模式耦合的第一镰刀形金属导带耦
合电路、实现HEH11∥模式与TE01δ模式耦合的第二镰刀形金属导带耦合电路，第一、第二镰刀形金属导带耦合电路均置于PCB板上，PCB板置于高介电常数介质圆柱的上表面，第一镰刀形金属导带耦合电路的直臂部分与HEH11⊥模式的电场极化方向一致，第二镰刀形金属导带耦合电路的直臂部分与HEH11∥模式的电场极化方向一致，两镰刀形金属导带耦合电路的弯臂部分均与TE01δ模式的电场方向一致。
作为所述三模介质腔体滤波器的进一步优化方案，高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o四个径向方向上开槽的深度和长度相同。
进一步的，所述三模介质腔体滤波器中，金属谐振腔上方盖板旋入有用于TE01δ模式调谐的调螺以及用于简并HEH11模式调谐的调螺。
再进一步的，所述三模介质腔体滤波器中，金属谐振腔上方盖板在对应于高介电常数介质圆柱体开槽对角线的位置上还旋入有引入交叉耦合的调螺。
多腔体结构的三模介质滤波器，包含多个所述三模介质谐振器，相邻两个三模介质谐振器通过设置谐振腔腔体窗口之间的金属探针级联。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）单腔结构的三模谐振器，在现有的圆柱介质谐波器上对高介电常数的介质圆柱进行45o、135o、225o、315o的四个径向方向的开槽，再通过调节高介电常数介质圆柱的直径、高度、开槽长度以调整TE01δ模式和两种简并HEH11模式的频率相近，实现了混合三模谐振，将高Q值的TE01δ模式和两种简并HEH11模式混合谐振用于三模滤波器可产生较低的通带损耗；
（2）利用一个谐振腔的体积实现传统单模滤波器三个谐振腔的功能，有效减小了滤波器的体积。
附图说明
图1（a）、图1（b）是单腔结构的三模介质腔体谐振器的侧视图、俯视图；
图2是三模介质腔体谐振器的三种模式电场极化特性示意图；
图3（a）、图3（b）、图3（c）分别是三模介质腔体谐振器的HEH11⊥模式、HEH11∥模式、TE01δ模式的电场分布图；
图4是三模介质腔体谐振器TE01δ模式与HEH11⊥和HEH11∥模式之间的耦合电路；
图5（a）、图5（b）是包含单腔结构的三模滤波器（三阶）的侧视图、俯视图；
图6是包含单腔结构的三模滤波器的等效电路拓扑图；
图7（a）、图7（b）是包含两个腔的三模滤波器（六阶）的侧视图、俯视图；
图8是包含两个腔的三模滤波器（六阶）的等效电路拓扑图；
图9是包含单腔结构的三模滤波器的S参数仿真曲线。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
具体实施例一
三模介质腔体滤波器，包含：如图1（a）、图1（b）所示的单腔结构的三模介质腔体谐振器、输入端、输出端以及耦合电路。单腔结构的三模介质腔体谐振器包括：金属谐振腔、加载于金属谐振腔中心的支撑介质圆柱、放置在支撑介质圆柱上的高介电常数介质圆柱，在高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o的四个径向方向上有开槽，四个方向开槽的深度和长度相同，通过调节高介电常数介质圆柱的直径、高度、开槽长度来调整TE01δ模式和两种简并HEH11模式（HEH11⊥模式和HEH11∥模式），使三个模式的谐振频率相同，达到需要的频率，从而实现混合三模谐振。该三模介质腔体谐振器的模式电场极化如图2所示，HEH11⊥和HEH11∥这两种简并模式的电场极化方向相互垂直，TE01δ模式的电场为旋转极化，三种模式两两正交。HEH11⊥模式、HEH11∥模式、TE01δ模式的电场由软件HFSS的本征模求解器仿真获得，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。
在图1所示三模介质腔体谐振器的高介电常数介质圆柱上表面置有PCB板，PCB板上设计有如图4所示的耦合电路，耦合电路包括：实现TE01δ模式与HEH11⊥模式耦合的第一镰刀形金属导带耦合电路C1、实现模式与HEH11∥模式耦合的第二镰刀形金属导带耦合电路C2。第一镰刀形金属导带耦合电路C1的直臂部分与HEH11⊥模式的电场极化方向一致，而弯臂部分与TE01δ模式的电场极化方向一致。第二镰刀形金属导带耦合电路C2的直臂部分与HEH11∥模式的电场极化方向一致，而弯臂部分与TE01δ模式的电场极化方向一致。HEH11⊥模式和HEH11∥模式的耦合可以通过从金属谐振腔旋入的调螺来实现。在三模介质腔体谐振器上设计耦合电路实现了三模介质滤波器。
单腔结构的三模介质滤波器如图5（a）、图5（b）所示：输入端P1通过金属探针和电场纵向极化的HEH11⊥模式产生耦合，探针高度和长度决定了耦合大小；类似的，输出端P2通过金属探针和电场横向极化的HEH11∥模式产生耦合。HEH11⊥模式与TE01δ模式通过设置于PCB板上方的第一镰刀形金属导带耦合电路C1产生耦合；HEH11∥模式与TE01δ模式通过第二镰刀形金属导带耦合电路C2产生耦合。三个模式和输入输出端口经过一定的耦合路径实现了三阶滤波功能，单腔结构的三模介质滤波器的等效电路拓扑如图6所示。
具体实施例二
在具体实施例一的基础上从金属谐振腔上方盖板旋入调螺T1、T2、T3、T4，其中，调螺T1用于TE01δ模式的调谐，调螺T2和调螺T3分别用于HEH11∥模式和HEH11⊥模式的调谐，设置于腔体对角线上（对应于高介电常数介质圆柱体开槽对角线的位置）的调螺T4，用于在HEH11∥模式和HEH11⊥模式之间引入一定的耦合（交叉耦合）。
图9为一个一腔三模（三阶）滤波器的S参数电磁仿真曲线（使用商用软件HFSS仿真）。该滤波器采用的结构正如图5所述。主要参数列举如下：
金属谐振腔体的尺寸为34*34*26mm，腔体壁的边界设置为金属银；支撑介质圆柱的介电常数为Er=9.2（材料为氧化铝陶瓷），直径为10mm，高度为10mm；高介电常数介质圆柱的介电常数Er=45，损耗正切设置为0.000065，直径为30.4mm，高度为7mm；四个开槽的宽度为2mm，深度为7mm（与高介电常数介质圆柱高度相同），长度为8.1mm。
单独仿真该谐振器获得三个谐振模式的频率和Q值分别如下：
TE01δ模式的谐振频率为2.598GHz，Q值为9534；HEH11∥和HEH11⊥模式的频率皆为2.605GHz，Q值为11155。
镰刀形金属导带耦合电路中，弯曲臂部分的中心半径为 12.5mm，弯曲臂的弧度为0.64，直臂的长度为6.4mm。耦合导带设置于厚度为0.508mm，介电常数3.55的PCB板上。
输入输出端采用3.5mm同轴接头，接头距腔体底部高度为5.9mm，导体探针直径为1.27mm，导体探针伸入腔体内部的长度为10mm。
各调螺的直径皆为4mm，通过调节各调螺的高度，可以获得图9所示的滤波器S参数仿真结果。该滤波器中心频率为2.6GHz左右，通带带宽为6MHz左右，滤波器损耗1 dB左右。通带高端有一传输零点，这是由于HEH11∥和HEH11⊥模式之间存在耦合，该耦合性质为交叉耦合。
具体实施例三
级联多个实施例一或实施例二所示的单腔结构的三模介质腔体滤波器可以实现高阶滤波。图7（a）、图7（b）是一个二腔（6阶）介质滤波器的结构图，端口P1通过探针与谐振腔1的HEH11⊥模式耦合；端口P2通过探针与谐振器2的HEH11⊥模式耦合；谐振腔1和谐振腔2各自的三个模式之间的耦合结构与如图6所述谐振腔内模式耦合结构一样；谐振腔1的HEH11∥模式和谐振腔2中的HEH11∥模式通过金属探针进行电容耦合，实现谐振腔的级联，该金属探针设置于两腔之间窗口的teflon介质探针座上。二腔（6阶）介质滤波器的等效电路拓扑结构如图8所示。
需要说明的是三模介质滤波器中谐振器数量可以在3个以上，可以级联更多的三模谐振器。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
（1）单腔结构的三模谐振器，在现有的圆柱介质谐波器上对高介电常数的介质圆柱进行45o、135o、225o、315o的四个径向方向的开槽，再通过调节高介电常数介质圆柱的直径、高度、开槽长度以调整 TE01δ模式和两种简并HEH11模式的频率相近，实现了混合三模谐振，将高Q值的TE01δ模式和两种简并HEH11模式混合谐振用于三模滤波器可产生较低的通带损耗；
（2）利用一个谐振腔的体积实现传统单模滤波器三个谐振腔的功能，有效减小了滤波器的体积。
Claims (5)
1.三模介质腔体滤波器，其特征在于，包含：单个谐振腔即可实现TE01δ模式、两种简并HEH11模式的三模介质谐振器，以及输入端、输出端、耦合电路；其中，输入端通过金属探针与一种简并HEH11模式耦合，输出端通过金属探针与另一种简并HEH11模式耦合；
三模介质谐波器包括：金属谐振腔、加载于金属谐振腔中心的支撑介质圆柱、放置在支撑介质圆柱上的高介电常数介质圆柱，在高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o的四个径向方向上有开槽，通过调节高介电常数介质圆柱的直径、高度、开槽长度来调整TE01δ模式和两种简并HEH11模式的频率以实现混合三模谐振；
耦合电路包括：实现HEH11⊥模式与TE01δ模式耦合的第一镰刀形金属导带耦
合电路、实现HEH11∥模式与TE01δ模式耦合的第二镰刀形金属导带耦合电路，第一、第二镰刀形金属导带耦合电路均置于PCB板上，PCB板置于高介电常数介质圆柱的上表面，第一镰刀形金属导带耦合电路的直臂部分与HEH11⊥模式的电场极化方向一致，第二镰刀形金属导带耦合电路的直臂部分与HEH11∥模式的电场极化方向一致，两镰刀形金属导带耦合电路的弯臂部分均与TE01δ模式的电场方向一致。
2.根据权利要求1所述的三模介质腔体滤波器，其特征在于，高介电常数介质圆柱45o、135o、225o、315o四个径向方向上开槽的深度和长度相同。
3.根据权利要求2所述的三模介质腔体滤波器，其特征在于，金属谐振腔上方盖板旋入有用于TE01δ模式调谐的调螺以及用于简并HEH11模式调谐的调螺。
4.根据权利要求3所述的三模介质腔体滤波器，其特征在于，金属谐振腔上方盖板在对应于高介电常数介质圆柱体开槽对角线的位置上还旋入有引入交叉耦合的调螺。
5.多腔体结构的三模介质滤波器，其特征在于，包含多个如权利要求1或2或3或4所述的三模介质谐振器，相邻两个三模介质谐振器通过设置谐振腔腔体窗口之间的金属探针级联。
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