CN105390780B - 一种新型介质双模带通滤波器 - Google Patents

一种新型介质双模带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型介质双模带通滤波器，所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体相接；在所述介质谐振器的周围插入第一金属螺钉和第二金属螺钉，所述第一金属螺钉的横向中心线与第二金属螺钉的横向中心线垂直，所述第一金属螺钉和第二金属螺钉用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；在所述介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处设置有闭合金属环，所述闭合金属环用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。本发明的介质双模带通滤波器结构简单、实现方便，在一个介质谐振器周围插入金属螺钉和设置闭合金属环，可以利用金属螺钉和闭合金属环来实现频率和耦合控制。

Description

一种新型介质双模带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种介质滤波器，尤其是一种新型介质双模带通滤波器，属于微波通信技术领域。
背景技术
介质滤波器由于其小巧的体积、良好的热稳定性、低插入损耗和高Q值的表现，在卫星和蜂窝基站设备广泛应用。其中介质单模滤波器因为便于制造和容易设计耦合结构的特点，广泛应用于无线通信行业，而介质多模滤波器利用同一个介质谐振器的多个谐振模式，可以提供更加小型化的优点，这对于卫星系统极其重要。实际应用中，制造加工是介质多模滤波器的技术难题。传统的介质多模滤波器为了实现耦合，需要对介质块进行挖孔切角，给加工带来了技术难度的同时也增加了加工成本。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
1)2013年Ke-Li Wu等人在IEEE Trans.Microwave.Theory Tech上发表了“ADual-Mode Dielectric Resonator Filter With Planar Coupling Configuration”，文章采用圆盘形介质谐振器的两个TM11简并模式，通过在介质谐振器中挖孔并插入金属螺钉，实现对两个模式频率的控制以及和模式间耦合强度的控制，从而设计出介质双模滤波器。这个结构的优点是结构简单清晰，易于利用平面拓扑结构设计多阶滤波器；缺点是挖孔对介质谐振器的加工带来难度。
2)2009年，国外学者Mohammad Memarian和Raafat R.Mansour在IEEETrans.Microwave.Theory Tech发表了“Quad-Mode and Dual-Mode DielectricResonator Filters”，文献中利用两组简并模设计实现了单腔四模的介质滤波器，另外还把介质谐振器对半切，实现介质双模滤波器；在该文献中，根据采用的谐振模式的不同，利用螺钉控制频率和耦合。
3)国外学者M.M.Rahman和Weili Wang等人在34th Microwave Conference上发表了“A Compact Triple-mode Plated Ceramic Block Based Hybrid Filter for Base-station Application”，文章利用介质块切角技术，实现矩形腔三个简并模式的耦合，同时利用螺钉来控制每一个模式的谐振频率，最后对介质块进行镀银操作。同时文章还采用同轴滤波器来抑制高次模。这个结构的优点是多腔结构和同轴腔的采用，提高了带外抑制和抑制了高次模，同时回波损耗也很好，缺点是无论切角还是插入螺钉，都需要先对介质块进行切角挖孔操作，加工难度极高。
综上所述，已公开的介质多模滤波器文章或专利文献多涉及对介质块进行切角或者挖孔，所提的方法和结构加工技术难度大，成本高，而且已公开的介质多模滤波器文章或专利文献多涉及单腔介质多模滤波器，结构较复杂，不适合多阶多腔高性能滤波器设计，所提方法和结构实现的性能有限。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种新型介质双模带通滤波器，该滤波器结构简单、实现方便，可以利用金属螺钉和闭合金属环来实现频率和耦合控制，并且可以利用拓扑结构设计成多腔、高性能滤波器。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种新型介质双模带通滤波器，包括腔体，所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体相接；
在所述介质谐振器的周围插入第一金属螺钉和第二金属螺钉，所述第一金属螺钉的横向中心线与第二金属螺钉的横向中心线垂直，所述第一金属螺钉和第二金属螺钉用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；
在所述介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处设置有闭合金属环，所述闭合金属环用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。
作为一种实施方案，所述腔体在与第一金属螺钉相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线，且第一端口与介质谐振器之间设有第一金属环，所述第一金属环的一端接第一同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第一金属环用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；
所述腔体在与第二金属螺钉相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线，且第二端口与介质谐振器之间设有第二金属环，所述第二金属环的一端接第二同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第二金属环用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
作为一种实施方案，所述第一金属环和第二金属环为圆环或矩形环。
作为一种实施方案，所述腔体为圆柱腔体或多边形腔体。
作为一种实施方案，所述介质谐振器为盘形介质谐振器、柱形介质谐振器或多边形介质谐振器。
作为一种实施方案，所述多边形介质谐振器为矩形介质谐振器；所述介质谐振器为矩形介质谐振器时，所述第一金属螺钉和第二金属螺钉分别插在矩形介质谐振器相邻的两个外侧面上。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的介质双模带通滤波器在一个介质谐振器周围插入金属螺钉和设置闭合金属环，可以利用金属螺钉和闭合金属环来实现频率和耦合控制，代替了传统对介质块的挖孔切角操作，从而解决介质块的加工问题，极大程度减小了介质谐振器的加工难度和加工成本，利用这种技术设计的介质双模滤波器在具备高性能的同时，结构也比较简单，而且实现方便。
2、本发明的介质双模带通滤波器在一个介质谐振器周围适当的位置插入金属螺钉，通过调节金属螺钉的长度来实现对谐振模式的频率控制；同样在介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处闭合金属环，通过调节闭合金属环的面积大小(高度或宽度)来实现对谐振模式的之间耦合的控制；在腔体的端口与介质谐振器之间设置金属环，通过改变金属环的面积可以控制端耦合强度，即端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
3、本发明所设计的单腔介质双模滤波器由于结构简单，从而可以利用平面拓扑结构来设计多阶多腔带通滤波器，可以实现更高带外抑制，更高通带矩形度等高性能带通滤波器指标，同时方便引入传输零点，可以进一步提高滤波器的性能，解决了现有的单腔介质多模滤波器结构复杂，不适合多阶多腔高性能滤波器设计，所实现的性能有限的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的介质双模带通滤波器立体结构图。
图2为本发明实施例1的腔体放置介质谐振器的结构图。
图3为本发明实施例1的TM120模式的磁场分布图。
图4为本发明实施例1的TM210模式的磁场分布图。
图5为本发明实施例1的介质谐振器的后侧面插入金属螺钉的结构图。
图6为本发明实施例1的TM120模式的谐振频率控制曲线图。
图7为本发明实施例1的介质谐振器在两个谐振频率的磁场分布交加处设置闭合金属环的结构图。
图8为本发明实施例1的TM120模式和TM210模式之间的耦合强度控制曲线图。
图9为本发明实施例1的第一端口与介质谐振器之间设置金属环的结构图。
图10为本发明实施例1的端耦合强度控制曲线图。
图11为本发明实施例2的四阶线性拓扑结构图。
图12为本发明实施例2的基于矩形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的立体结构图。
图13为本发明实施例2的基于矩形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器采用闭合金属环实现腔间耦合控制曲线图。
图14为本发明实施例2的基于矩形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的S参数响应曲线图。
图15为本发明实施例3的八阶线性拓扑结构图。
图16为本发明实施例3的基于矩形介质谐振器的四腔介质双模带通滤波器的立体结构图。
图17为本发明实施例3的基于矩形介质谐振器的四腔介质双模带通滤波器的S参数响应曲线图。
图18为本发明实施例5的四阶线性拓扑结构图。
图19为本发明实施例5的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的水平模型的正面立体结构图。
图20为本发明实施例5的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的水平模型的背面立体结构图。
图21为本发明实施例5的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的水平模型的S参数响应曲线图。
图22为本发明实施例6的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型的正面立体结构图。
图23为本发明实施例6的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型的背面立体结构图。
图24为本发明实施例6的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型采用闭合金属环实现腔间耦合控制曲线图。
图25为本发明实施例6的基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型的S参数响应曲线图。
其中，1-腔体，2-介质谐振器，3-第一金属螺钉，4-第二金属螺钉，5-闭合金属环，6-第一同轴线，7-第一金属环，8-第二同轴线，9-第二金属环。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例的介质双模带通滤波器包括腔体1，所述腔体1为矩形腔体，其尺寸为30mm*30mm*10mm，在腔体1的中心位置放置一个介质谐振器2，所述介质谐振器2的上、下两端与腔体1相接，介质谐振器2采用的两个简并模式(即谐振模式)称为TM120模式和TM210模式；
所述介质谐振器2为矩形介质谐振器，其尺寸为20mm*20mm*10mm，介质相对介电常数为21.4，适用于2.6GHz频段，在介质谐振器2相邻的两个外侧面(本实施例中，两个外侧面为后侧面和左侧面)上插入第一金属螺钉3和第二金属螺钉4，可看出第一金属螺钉3的横向中心线与第二金属螺钉4的横向中心线垂直，所述第一金属螺钉3和第二金属螺钉4用于控制介质谐振器2两个谐振模式的谐振频率，其中第一金属螺钉3控制的是TM120模式的谐振频率，第二金属螺钉4控制的是TM210模式的谐振频率；
在所述介质谐振器2两个谐振模式(TM120模式和TM210模式)的磁场分布交加处设置有闭合金属环5；介质谐振器2的前侧面和右侧面相交处和介质谐振器2的后侧面和左侧面相交处都是两个谐振模式的磁场分布交加处，由于本实施例的第一金属螺钉3位于介质谐振器2的后侧面，第二金属螺钉4位于介质谐振器2的左侧面，因此将闭合金属环5设置在介质谐振器2的前侧面和右侧面相交处，所述闭合金属环5设用于控制介质谐振器2两个谐振模式之间的耦合强度；
所述腔体1在与第一金属螺钉3相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线6，且第一端口与介质谐振器2之间设有第一金属环7，所述第一金属环7的一端接第一同轴线6的内导体，另一端接腔体1的底面；所述第一金属环7用于控制第一端口与激励的谐振模式(TM120模式)之间的耦合强度，即端耦合强度；
所述腔体1在与第二金属螺钉4相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线8，且第二端口与介质谐振器2之间设有第二金属环9，所述第二金属环9的一端接第二同轴线8的内导体，另一端接腔体1的底面；所述第二金属环9用于控制第二端口与激励的谐振模式(TM210模式)之间的耦合强度，即端耦合强度。
所述第一端口和第二端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。
本实施例的介质双模带通滤波器设计的分析过程如下：
1)在腔体1的中心位置放置一个介质谐振器2，且介质谐振器2的上、下两端都是和腔体1直接相接的，如图2所示；采用的两个简并模式称为TM120模式和TM210模式，两个谐振模式的磁场分布如图3和图4所示。
2)通过在介质谐振器2的周围合适的位置插入金属螺钉，可以实现对谐振模式的谐振频率控制，本实施例选择在TM120谐振模式电场较大的位置插入金属螺钉实现微扰，即在介质谐振器2的后侧面插入第一金属螺钉3，如图5所示；螺钉的长度(TM120_1)决定了扰动的大小，进而影响该谐振模式，螺钉的长度越长，TM120谐振频率越小，而TM210谐振频率几乎不变，如图6所示；根据结构的对称性，若将金属螺钉在相邻的平面上插入，本实施例在介质谐振器2的左侧面插入第二金属螺钉4，则可以控制TM210模式的谐振频率；
3)通过在两个谐振模式的磁场分布交加处，设置闭合金属环5，如图7所示，闭合金属环5的面积决定耦合磁通量的大小，从而控制介质谐振器2两个谐振模式的耦合强度；闭合金属环的高度(inner-ring_h)增加(面积增加)，TM120模式和TM210模式的耦合强度(即耦合系数，coupling coefficient)随之增加，如图8所示；
4)为了实现端耦合，激励出第一个模式，这里采用的方法是金属环耦合，即磁耦合；磁耦合的方法，金属环必须垂直于想要激励起的谐振模式的磁场分布，金属环可以是圆环或矩形环，本实施例以矩形环进行说明；如图9所示，在第一端口与介质谐振器2之间设置第一金属环7，第一金属环7的一端接第一同轴线6的内导体，另一端接在腔体1的底面，第一金属环7激励出来的模式是TM120模式，第一金属环7的面积控制端耦合强度，这里用外部Q值(品质因数)体现，随着第一金属环7面积的增大，这里体现为第一金属环7的宽度(port_w)增加，外部Q值随着减小，如图10所示(图中的图形省略了第一同轴线6的内导体和第一金属环7的厚度)，这说明了第一金属环7的面积越大，端耦合越强，可以实现的通带带宽越宽。
同理，为了激励出第二个模式，在第一端口与介质谐振器2之间设置第二金属环9，第二金属环9的一端接第二同轴线8的内导体，另一端接在腔体1的底面，第二金属环9激励出来的模式是TM210模式，端耦合强度的控制同第一金属环7。
5)在上述1)～4)的分析下，可以通过金属螺钉控制谐振模式的谐振频率，闭合金属环谐振模式的耦合系数，同时利用金属环耦合控制外部Q值，于是可以设计出本实施例的介质双模带通滤波器，如图1所示。
实施例2：
本实施例基于两个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用如图11(图中S表示源端，L表示负载端，1～4分别表示模式1～4)所示的四阶线性拓扑结构，可以设计基于矩形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器，如图12所示，其中模式2和模式3的耦合方式是通过闭合金属环实现模式耦合，闭合金属环的尺寸(宽度inter-ring_w、高度inter-ring_h)控制耦合系数的大小，如图13所示；基于矩形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的S参数响应如图14所示，从图中可以看到，在带宽2624MHz-2692MHz，通带回波损耗在-15.6dB以下。
实施例3：
本实施例基于四个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用如图15(图中S表示源端，L表示负载端，1～8分别表示模式1～8)所示的八阶线性拓扑结构，可以设计基于矩形介质谐振器的四腔介质双模带通滤波器，如图16所示，其中模式2和模式3、模式4和模式5、模式6和模式7的耦合方式是通过闭合金属环实现模式耦合，闭合金属环的尺寸控制耦合系数的大小，基于矩形介质谐振器的四腔介质双模带通滤波器的S参数响应如图17所示，从图中可以看到，在带宽2634-2691MHz，通带回波损耗在-12.2dB以下。
实施例4：
本实施例的主要特点是：所述介质谐振器为盘形介质谐振器，此时矩形腔体尺寸为50mm*50mm*14.5mm，盘形介质谐振器内径3.0mm，外径14.0mm，高度14.5mm，介质相对介电常数为38，适用于1.5GHz频段。
实施例5：
本实施例基于两个上述实施例4的介质双模带通滤波器，利用如图18(图中S表示源端，L表示负载端，1～4分别表示模式1～4)所示的四阶线性拓扑结构，可以设计基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的水平模型，如图19和图20所示，其中模式2和模式3的耦合方式是通过闭合金属环实现模式耦合，闭合金属环的尺寸控制耦合系数的大小；基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的水平模型的S参数响应如图21所示，从图中可以看到，在带宽1426MHz-1485MHz，通带回波损耗在-10.0dB以下。
实施例6：
由于水平模型占用了较大的横向空间，为了节省空间，本实施例基于两个上述实施例4的介质双模带通滤波器，利用与实施例5同样的四阶线性拓扑结构，可以设计基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型，如图22和图23所示，其中模式2和模式3的耦合是通过开窗以及一根贯穿腔体的金属柱构成，贯穿的金属柱与腔体同样构成了一个闭合金属环，闭合金属环的大小(宽度ring_w)控制了耦合的强度，如图24所示；基于盘形介质谐振器的双腔介质双模带通滤波器的垂直模型的S参数响应如图25所示，从图中可以看到，在带宽1424MHz-1485MHz，通带回波损耗在-16.6dB以下。
实施例7：
本实施例的主要特点是：所述介质谐振器还可以为柱形介质谐振器或除矩形外的多边形介质谐振器；所述腔体还可以为圆柱腔体或除矩形外的多边形腔体。
综上所述，本发明创新性地提出利用金属螺钉实现频率控制、闭合金属环实现模式耦合控制的原理，该技术填补了目前介质多模滤波器技术研究的部分空白，极大程度减小了介质谐振器的加工难度和加工成本；利用该技术设计与平面拓扑结构技术相结合，设计出多款具备高性能的介质双模滤波器，上述实施例2、3、5和6给出了矩形介质谐振器和盘形介质谐振器的设计应用，分别设计应用了双腔、四腔、水平模型、垂直模型等带通滤波器，很好地满足现有无线通信系统的应用。
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)

1.一种新型介质双模带通滤波器，包括腔体，其特征在于：所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体相接；
在所述介质谐振器的周围插入第一金属螺钉和第二金属螺钉，所述第一金属螺钉的横向中心线与第二金属螺钉的横向中心线垂直，所述第一金属螺钉和第二金属螺钉用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率，具体为：通过调节第一金属螺钉的长度控制TM120模式的谐振频率，通过调节第二金属螺钉的长度，控制TM210模式的谐振频率；
在所述介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处设置有闭合金属环，所述闭合金属环用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度，具体为：通过调节闭合金属环的面积大小来实现对两个谐振模式的之间耦合的控制。
2.根据权利要求1所述的一种新型介质双模带通滤波器，其特征在于：
所述腔体在与第一金属螺钉相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线，且第一端口与介质谐振器之间设有第一金属环，所述第一金属环的一端接第一同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第一金属环用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；
所述腔体在与第二金属螺钉相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线，且第二端口与介质谐振器之间设有第二金属环，所述第二金属环的一端接第二同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第二金属环用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
3.根据权利要求2所述的一种新型介质双模带通滤波器，其特征在于：所述第一金属环和第二金属环为圆环或矩形环。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型介质双模带通滤波器，其特征在于：所述腔体为圆柱腔体或多边形腔体。
5.根据权利要求1或2所述的一种新型介质双模带通滤波器，其特征在于：所述介质谐振器为盘形介质谐振器、柱形介质谐振器或多边形介质谐振器。
6.根据权利要求5所述的一种新型介质双模带通滤波器，其特征在于：所述多边形介质谐振器为矩形介质谐振器；所述介质谐振器为矩形介质谐振器时，所述第一金属螺钉和第二金属螺钉分别插在矩形介质谐振器相邻的两个外侧面上。
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