CN106025474A - 一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，属于电气领域。具体包括：金属盖，金属腔体，十字形微波介质块，介质底座，三个端口和三个相同的金属棒；金属腔体为长方体金属空腔；上方匹配金属盖密封；介质底座固定设置在金属腔体的内部底部中心，介质底座上边安装十字形微波介质块；三个端口分别设置在金属腔体的三个侧壁上，其末端分别连接三个金属棒，金属棒深入金属腔体内部，末端接触金属腔体的底部，且不与金属腔体侧壁接触；优点在于：在进行功率分配的同时具有窄带滤波的特性，集成了滤波功能，有效地提升系统的集成度。

Description

一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器

技术领域

本发明涉及电气领域，具体涉及一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器。

背景技术

在射频通信系统中，功率分配器是一种无源器件，能够将一路信号功率分为两路或者多路功率。按照结构划分，功率分配器分为平面和立体两种结构；其中平面结构主要指使用印刷电路板和集成电路技术制造的功率分配器，而立体结构则主要包括使用金属或者介质波导和金属谐振腔构建的功率分配器。对于基站、大型雷达等大功率应用场合，立体结构的功率分配器因为具有较大的功率容量而得到广泛的应用。

在某些应用中，只需要一定频带的信号，而其他频带上的信号需要被阻隔或者反射，针对这种需求，通常的解决方案是在需要阻隔信号的线路上安装滤波器，来滤除信号中不需要的频率成分。然而，如果把滤波的功能直接集成到功率分配器中，就能够实现两个器件的功能，从而提高了系统的集成度，也方便了整体系统的调试。

发明内容

本发明针对现有功率分配器没有滤波功能的问题，提出了一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器。

所述集成功率分配器整体为立体结构，包括金属盖，金属腔体，十字形微波介质块，介质底座，三个端口和三个金属棒；三个端口分别为第一端口、第二端口和第三端口，三个端口大小和形状均相同；三个金属棒完全相同。

金属腔体为长方体金属空腔；上方匹配金属盖密封；介质底座固定设置在金属腔体的内部底部中心，介质底座上边安装十字形微波介质块；第一端口、第二端口和第三端口分别设置在金属腔体的三个侧壁上，其末端分别连接三个金属棒，金属棒深入金属腔体内部，末端接触金属腔体的底部，且不与金属腔体侧壁接触；

具体为：

金属腔体的所有金属壁厚度相同，将金属腔体长和高所在面的两个同侧对称角切掉，形成金属八面体，设切角所夹的面为金属腔体的正面；同理，在金属盖的对应位置切掉两个同侧对称角，用于密封金属腔体。

在金属腔体的其中一个切角形成的金属侧壁面中心上，金属腔体的背面和右面侧壁的中心上，分别各打通一个穿透金属壁的圆洞，圆洞内分别各安装一个连接器，每个连接器的末端焊接一个金属棒，金属棒均深入金属腔体内部，形成90度弯曲；连接器，金属棒和圆洞一起形成了金属腔体的三个端口。

三个端口的相对位置固定，其中，第一端口设置在左切角的侧壁面中心，逆时针旋转135度在右面侧壁的中心设置第二个端口，继续逆时针旋转90度在背面侧壁的中心设置第三个端口；或者右切角的侧壁面中心上设置第一端口，逆时针旋转135度背面侧壁的中心设置第二个端口，继续逆时针旋转90度在左面侧壁的中心设置第三个端口。

第二个端口为第二端口或第三端口，第三个端口为第二端口或第三端口；

在金属腔体内的底部中心固定放置介质底座，用来支撑十字形微波介质块。

十字形微波介质块选用双模的微波谐振器，由两个相互垂直的臂构成十字形，两个臂选用形状尺寸和电学特性完全相同的长方体介质块，且支持两个相互正交的电磁波谐振模式；两个臂分别正对金属空腔的背面和右面的中心，将金属空腔分成上左，上右，下左和下右四部分；第一端口的金属棒位于下左部或者下右部的角平分线上，作为输入端口，第二端口和第三端口分别正对互相垂直的两臂中心，作为输出端口。

一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器的工作原理如下：当对集成功率分配器施加电场时，外界电场经过第一端口被引入金属腔体内部，从而在第一端口对应的方向上激励十字形微波介质块的电场合成模式；十字形微波介质块的两个臂所支持的两个谐振模式的谐振频率完全相同，且两个模式之间不存在任何耦合；所以电场合成模式的电磁场功率在两臂上产生两个分立的模式，即模式1和模式2；模式1和模式2的电磁场功率是合成模式电磁场功率的一半，第一端口输入的电磁场功率被平均分配到互相垂直的两臂上，经过两臂分别对应的第二端口和第三端口将电磁场功率信号输出，从而达到功率分配功能；

同时，十字形微波介质块自身带有窄带和滤波特性，在满足平均分配功率的同时达到滤波效果。

本发明的优点在于：

1)、一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，与现有技术相比，在进行功率分配的同时具有窄带滤波的特性，集成了滤波功能，有效地提升系统的集成度。

2)、一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，相比于平面结构具有高功率容量，可以用于基站、大功率雷达等高功率应用场合。

附图说明

图1是本发明基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器的结构示意图；

图2是本发明十字形微波介质块的局部放大图；

图3是本发明介质底座的局部放大示意图；

图4是本发明金属腔体的结构示意图；

图5是本发明三个端口与十字形微波介质块之间的位置示意图；

图6是本发明十字形微波介质块中谐振电磁波的模式分布图；

图7是本发明功率分配器的仿真曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

为了适应不断发展的新通信系统，本发明提出了一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，核心技术的实现是基于一种双模十字形微波谐振器。

所述的功率分配器如图1所示，整体为立体结构，包含：一个金属盖和一个金属腔体、一个十字形微波介质块，一个低介电常数的介质底座，三个相同的馈电端口和三个金属棒。三个端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；

金属腔体为长方体金属空腔；上方采用金属盖密封；介质底座固定设置在金属腔体的内部底部中心，介质底座上边安装十字形微波介质块；第一端口、第二端口和第三端口分别设置在金属腔体的三个侧壁上，其末端分别连接三个金属导体棒，金属导体棒深入金属腔体内部；末端接触金属腔体的底部，且不与金属腔体侧壁接触；

十字形微波介质块如图2所示，由介电常数为38的微波陶瓷材料制成，并放置于金属腔体底部中心处；由两个相互垂直的臂构成十字形，两个臂选用形状尺寸和电学特性完全相同的长方体介质块，且支持两个相互正交的简并的电磁波谐振模式；每个臂的长度为35mm，宽度为12mm，厚度为20mm。

介质底座如图3所示，选用介电常数9.8的三氧化二铝材料制成，形状为空心圆柱；介质底座的内环直径为12mm，外环直径为17mm，高度为8mm。介质底座固定放置在十字形微波介质块和金属腔体的底部中心之间，用来稳妥支撑十字形微波介质块，底座只是起到支撑作用，对十字形微波介质块及其周围的电磁波模式产生的影响忽略不计。

为了使十字形微波介质块产生需要的谐振模式，屏蔽周围电磁波和外界的电磁干扰，同时为了方便馈电端口的设置，本发明所述的功率分配器外围由一个金属腔体包裹。

金属腔体由普通黄铜制成的正方体结构，如图4所示，边长为52mm，深度为40mm，且该金属腔体的所有金属壁厚度均为4mm；金属腔体内部设计成开口的碗状空腔，便于放置十字形微波介质块，介质底座和金属棒；上方采用金属盖密封；金属盖和碗状空腔共同组成密闭的金属空腔结构。

在此实施例中，为了方便安装输入端口，将金属腔体位于同侧的两个对称角切掉，切角形状为等腰直角三角形，腰长10.6毫米，从而形成金属八面体，同理，在金属盖的对应位置切掉两个同侧对称角，用于密封金属腔体。

设金属腔体两个切角所夹的面为金属腔体的正面，在金属腔体的左切角形成的金属侧壁面中心上，打通一个直径为3mm的圆洞，圆洞内安装一个SMA连接器，SMA连接器的内部直径为1.3mm；SMA连接器的末端焊接一个黄铜制成的金属棒，金属棒深入金属腔体内部，形成90度弯曲，金属棒末端接触金属腔体的底部，且不与金属腔侧壁接触；连接器，金属棒和圆洞一起形成了金属腔体的第一端口，第一端口为此功率分配器的输入端口。

同理，在金属空腔的背面和右面侧壁的中心上，分别打通两个穿透金属空腔的金属壁且直径为3mm的圆洞，圆洞内分别各安装一个SMA连接器，SMA连接器的内部直径均为1.3mm；SMA连接器末端各分别焊接一个金属棒，金属棒均深入金属腔体内部，形成90度弯曲，其末端分别接触金属腔体的底部，且不与金属腔侧壁接触；背面侧壁中心的连接器，金属棒和圆洞一起形成了金属腔体的第二端口，右面侧壁中心的连接器，金属棒和圆洞一起形成了金属腔体的第三端口，第二端口和第三端口为输出端口，且可以互换。

三个端口采用SMA连接器实现与外界设备的连接，且端口阻抗均为50欧姆。

如图5所示，十字形微波介质块的两个臂分别正对金属空腔的背面和右面的中心，将金属空腔分成上左，上右，下左和下右四部分；且两臂与金属腔体之间的距离均为4.5mm。

第一端口连接的金属棒位于两臂形成的下左部角平分线上，且金属棒裸露在金属腔体内部的长度为11.2mm，与两臂相交点为6mm，金属棒的高度均为18mm。

第二端口和第三端口分别正对两臂中心，第二端口和第三端口相连的金属棒裸露在金属腔体内部的长度均为2.4mm，且金属棒距臂分别为2.1mm；第二端口与第一端口之间形成逆时针的135度夹角，第三端口与第一端口之间形成顺时针的135度夹角。

十字形微波介质块是一种双模的微波谐振器，微波谐振器只会在单一的频率产生理想谐振。当谐振器产生谐振时，谐振器组成的微波器件正常工作。因此，采用微波谐振器构成的微波器件具有窄带和滤波的性能特性。而本发明所述的功率分配器其主要组成部分即微波谐振器，因此具有天然的窄带和滤波的性能。

功率分配特性是通过合理利用十字形微波介质块的两个谐振模式来实现的。如图6所示，十字形微波介质块的每个臂在谐振频率点上支持一个电磁波谐振模式，此模式的电场方向与臂长边平行。由于两个臂的几何尺寸和电学特性完全相同，且两个臂完全垂直放置，因此这两个臂所支持的两个谐振模式的谐振频率完全相同，并且两个模式之间理论上不存在任何耦合。所以，两个臂所组成的十字形微波介质块可以支持两个正交的简并谐振电磁场模式，分别为模式1和模式2。从电场合成的角度，因为模式1和模式2的谐振频率相同，因此这两个模式可以在45度方向合成一个总的模式，即合成模式，合成模式的电磁场功率是这两个分立模式的和。

如果第一端口输入信号，那么将会激发合成模式，同时在十字形谐振器的两臂上将会产生两个分立的模式，即模式1和模式2。并且模式1和模式2的电磁场功率是合成模式的一半，这样，合成模式传递的总功率就被平均的分配到了模式1和模式2。在模式1和模式2的附近放置的第二端口和第三端口，将这两个模式所携带的信号功率引出来，那么第二端口和第三端口的输出功率相等且为第一端口输入功率的一半。综上，该发明的功率分配性能得以实现。

根据十字形微波介质块内部及其周围(不超过金属空腔的范围)的电场分布，可类似地导出磁场的分布，且不会影响到此发明所述原理的通用性。

如图7所示，根据第二端口和第三端口的传输性能以及输入端口第一端口的匹配性能，可以清晰地看出，在中心频点(1.94GHz)，其输入匹配性能(S11)达到了-23dB，而传输的性能(S21和S31)均在-3dB附近，其匹配和传输性能均达到了正常工作的要求，并且在中心频点附近，具有明显的窄带滤波特性。

本发明所公开的实施内容为了便于理解而采用，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，包括金属盖，金属腔体，十字形微波介质块，介质底座，三个相同端口和三个相同金属棒；三个端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；

金属腔体上方匹配金属盖密封；介质底座固定设置在金属腔体的内部底部中心，介质底座上边安装十字形微波介质块；三个端口分别设置在金属腔体的三个侧壁上，三个端口末端分别连接三个金属棒，金属棒深入金属腔体内部，且末端接触金属腔体的底部，不与金属腔体侧壁接触；

具体为：

将金属腔体长和高所在面的两个同侧对称角切掉，设切角所夹的面为金属腔体的正面；在金属腔体的一个切角形成的金属侧壁面中心上，金属腔体的背面和右面侧壁的中心上，分别各打通一个穿透金属壁的圆洞，圆洞内分别各安装一个连接器，每个连接器的末端焊接一个金属棒，金属棒均深入金属腔体内部，形成90度弯曲；连接器，金属棒和圆洞一起形成了金属腔体的三个端口；

三个端口的相对位置固定，其中，第一端口设在其中一个切角中心，逆时针旋转135度设置第二个端口，继续逆时针旋转90度设置第三个端口；第二个端口为第二端口或第三端口；

十字形微波介质块选用双模的微波谐振器，由两个相互垂直的臂构成十字形，两个臂分别正对金属空腔的背面和右面的中心，将金属空腔分成上左，上右，下左和下右四部分；第一端口的金属棒位于下左部或者下右部的角平分线上，作为输入端口，第二端口和第三端口分别正对互相垂直的两臂中心，作为输出端口。

2.如权利要求1所述的一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，所述集成功率分配器整体为立体结构。

3.如权利要求1所述的一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，在金属盖的对应位置切掉两个同侧对称角，用于匹配金属腔体。

4.如权利要求1所述的一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，所述三个端口的位置具体设为：

第一端口设置在左切角的侧壁面中心，逆时针旋转135度在右面侧壁的中心设置第二个端口，继续逆时针旋转90度在背面侧壁的中心设置第三个端口；或者右切角的侧壁面中心上设置第一端口，逆时针旋转135度背面侧壁的中心设置第二个端口，继续逆时针旋转90度在左面侧壁的中心设置第三个端口。

5.如权利要求1所述的一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，所述十字形微波介质块的两个臂选用形状尺寸和电学特性完全相同的长方体介质块，且支持两个相互正交的电磁波谐振模式。

6.如权利要求1所述的一种基于立体十字介质谐振器的窄带滤波集成功率分配器，其特征在于，所述集成功率分配器的工作原理如下：当对集成功率分配器施加电场时，外界电场经过第一端口被引入金属腔体内部，从而在第一端口对应的方向上激励十字形微波介质块的电场合成模式；十字形微波介质块的两个臂所支持的两个谐振模式的谐振频率完全相同，且两个模式之间不存在任何耦合；所以电场合成模式的电磁场功率在两臂上产生两个分立的模式，即模式1和模式2；模式1和模式2的电磁场功率各是合成模式电磁场功率的一半，第一端口输入的电磁场功率被平均分配到互相垂直的两臂上，经过两臂分别对应的第二端口和第三端口将电磁场功率信号输出，从而达到功率分配功能；

同时，十字形微波介质块自身带有窄带和滤波特性，在满足平均分配功率的同时达到滤波效果。