CN106252797B - 一种双模介质带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双模介质带通滤波器，包括两个介质谐振腔以及介质谐振器、位于圆柱形介质谐振器上表面的金属贴片、控制频率的金属贴片开槽结构、控制腔内耦合的金属贴片开槽结构以及腔间耦合结构。所述两个介质谐振腔通过腔间耦合结构进行耦合，所述控制频率和耦合的金属贴片开槽结构均位于介质谐振器上表面的金属贴片上，通过改变控制频率的金属贴片开槽结构的深度，可以控制滤波器的谐振频率，通过改变控制耦合的金属贴片开槽结构，可以控制腔内耦合强度。本发明具有体积小，Q值高和易加工等优点。

Description

一种双模介质带通滤波器
技术领域
本发明涉及介质滤波器的技术领域，具体涉及一种对位于介质谐振器上表面的金属贴片进行开槽控制频率和耦合的双模介质滤波器。
背景技术
自上世纪八十年代以来，通信电子技术的发展突飞猛进，越来越多的频谱资源被占用，无线通信系统作为双模介质滤波器无线电系统的关键技术，被广泛应用于卫星通信、雷达导航、全球定位和电子对抗等领域。微波滤波器作为无线通信系统的重要组成部分，在通信过程中对通信频率起选择作用，即让需要的频率通过，同时抑制不需要的频率，提高通信质量，保证传输良好的通信信号，其性能的好坏往往对无线通信系统的性能有着直接的影响。
随着信息产业和无线通信系统的快速发展，微波频段出现相对拥挤的情况，分配到各类通信系统中的频率间隔越来越密，这就对微波滤波器提出了更高的要求，不仅要求微波滤波器的插入损耗小、功率容量大和带外抑制高等，同时还希望滤波器的体积小和重量轻，以便于无线通信系统的集成和小型化，而采用高介电常数的介质材料和多模技术设计的多模介质滤波器正好满足无线通信系统发展的需求，其发展突飞猛进，被广泛应用于无线基站和航天航空等领域。
2011年,Luca Pelliccia和Fabrizio Cacciamani等人在Microwave ConferenceProceedings(APMC)上发表题为“Ultra-compact pseudoelliptic waveguide filtersusing TM dual-mode dielectric resonators”的文章。作者利用使用了圆柱介质谐振器的TM简并模实现了双腔四阶双模介质滤波器。该滤波器的腔内耦合是通过对滤波器的外部金属腔进行切角实现的，通过控制金属腔切角的大小，可以实现对腔内耦合强度的控制，该滤波器的腔间耦合是通过在两个腔体磁场强度最强的位置开槽实现的，通过所控制所两个腔体之间所开的槽的大小，可以实现对腔间耦合强度的控制。
2002年V.Walker,和I.C.Hunter在Microwaves and Wireless ComponentLetters上发表题为“Design of Triple Mode TE01d Resonator Transmission Filters”的文章。作者通过使用矩形谐振器的TE01d模式实现了双腔三模介质滤波器，该滤波器的腔内模式耦合是通过对谐振器进行切角实现的，同时还使用了三个螺钉对腔内耦合起辅助调谐的作用，而对应的腔间耦合结构则是通过在相邻谐振腔之间进行开窗耦合实现的，通过控制开窗的面积大小，可以实现对腔间耦合结构的控制，同时还加入了金属圆盘结构实现了对滤波器谐振频率的控制。
2009年，M.Memarian和R.R.Mansour在IEEE Trans.Microwave.Theory Tech上发表题为“Quad-Mode and Dual-Mode Dielectric Resonator Filters”的文章。作者通过圆柱介质谐振器的HEE11简并模式和HEH11简并模式实现了四模介质滤波器。作者首先通过调节介质谐振器的尺寸比将HEE11简并模式和HEH11简并模式的谐振频率调在一起，然后通过调节螺钉来实现对腔内耦合耦合强度和频率的控制，垂直的螺钉主要调节HEE11简并模式的频率和耦合，水平的螺钉主要调节HEH11简并模式的频率和耦合。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种对位于介质谐振器上表面的金属贴片进行开槽控制频率和耦合的双模介质滤波器，通过采用金属贴片的开槽结构实现了对双模介质滤波器谐振频率和耦合的控制，性能良好，加工制造便利。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种双模介质带通滤波器，所述双模介质带通滤波器包括腔体1、第一输入输出端口2、第二输入输出端口3和腔间耦合结构4，所述腔间耦合结构4将所述腔体1左右隔开为第一介质谐振腔和第二介质谐振腔，所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔通过所述腔间耦合结构4进行耦合；
所述第一输入输出端口2开设在所述第一介质谐振腔的腔体上，所述第二输入输出端口3开设在所述第二介质谐振腔的腔体上；
所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔内分别设置有第一介质谐振器5和第二介质谐振器6，所述第一介质谐振器5和所述第二介质谐振器6的上表面分别设置有第一金属贴片7和第二金属贴片8；
所述第一金属贴片7上开设有第一开槽结构9、第二开槽结构10和第五开槽结构13，所述第二金属贴片8上开设有第三开槽结构11、第四开槽结构12和第六开槽结构14。
进一步地，所述第一开槽结构9以及所述第二开槽结构10、所述第三开槽结构11以及所述第四开槽结构12用于控制所述双模介质滤波器的谐振频率，所述第五开槽结构13以及所述第六开槽结构14用于控制所述双模介质滤波器的腔内耦合强度。
进一步地，所述双模介质滤波器的谐振频率可通过改变所述第一开槽结构9、所述第二开槽结构10、所述第三开槽结构11以及所述第四开槽结构12的尺寸进行控制。
进一步地，所述双模介质滤波器的腔内耦合强度可通过改变所述第五开槽结构13和所述第六开槽结构14的尺寸进行控制。
进一步地，所述腔间耦合结构4包括耦合窗口及垂直于耦合窗口的耦合金属导体环，所述耦合窗口4开在所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔之间。
进一步地，所述耦合金属导体环为矩形金属导体环。
进一步地，所述双模介质滤波器的腔间耦合强度可通过控制所述矩形金属导体环的尺寸实现。
进一步地，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3采用接地的金属导体环实现的。
进一步地，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3的端口耦合强度可通过改变导体环环面的面积进行控制。
进一步地，所述第一介质谐振器5和所述第二介质谐振器6为圆柱形。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、通过对位于介质谐振器上表面的金属贴片进行开槽实现对双模介质滤波器频率的控制，便于加工制造。
2、通过对位于介质谐振器上表面的金属贴片进行开槽实现对双模介质滤波器耦合强度的控制，同样便于加工制造。
3、采用双模介质谐振器进行设计具有体积小，Q值高等优点。
附图说明
图1是本发明公开的一种双模介质滤波器的结构示意图；
图2是本发明公开的一种双模介质滤波器的仿真示意图；
图3是实施例中金属贴片开有两个控制频率的开槽结构后谐振腔的俯视图；
图4是本发明中谐振频率随金属贴片频率控制开槽结构深度的变化曲线；
图5是实施例中金属贴片开有控制耦合强度的开槽结构后谐振腔的俯视图；
图6是耦合系数随金属贴片耦合控制开槽结构深度的变化曲线；
其中，1——腔体，2——第一输入输出端口，3——第二输入输出端口，4——腔间耦合结构，5——第一介质谐振器，6——第二介质谐振器，7——第一金属贴片，8——第二金属贴片，9——第一开槽结构，10——第二开槽结构，11——第三开槽结构，12——第四开槽结构，13——第五开槽结构，14——第六开槽结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种对位于圆柱介质谐振器上表面的金属贴片进行开槽控制频率和耦合的双模介质滤波器，性能良好，容易加工制造。
双模介质滤波器的结构如图1所示。其中，2和3是双模介质滤波器的第一输入输出端口和第二输入输出端口，当第一输入输出端口2作为双模介质滤波器的输入端口时，第二输入输出端口3作为双模介质滤波器的输出端口，反之，当第二输入输出端口3作为双模介质滤波器的输入端口时，第一输入输出端口2作为双模介质滤波器的输出端口。1是滤波器的外部的腔体。4是滤波器谐振腔之间的腔间耦合结构。5和6是两个介质谐振器，分别为第一介质谐振器和第二介介质谐振器。7和8是分别位于第一介质谐振器5和第二介质谐振器6上的第一金属贴片和第二金属贴片。9和10、11和12是双模介质滤波器控制谐振频率的第一、第二、第三和第四开槽结构，分别位于谐振器上表面的金属贴片上。13和14是控制滤波器腔内耦合的第五和第六开槽结构，同样分别位于谐振器上表面的金属贴片上。
一种双模介质带通滤波器，包括腔体1、第一输入输出端口2、第二输入输出端口3和腔间耦合结构4，所述腔间耦合结构4将所述腔体1左右隔开为两个介质谐振腔，即第一介质谐振腔和第二介质谐振腔，上述两个介质谐振腔通过腔间耦合结构进行耦合。
所述第一输入输出端口2开设在所述第一介质谐振腔的腔体上，所述第二输入输出端口3开设在所述第二介质谐振腔的腔体上。
所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔内分别设置有第一介质谐振器5和第二介质谐振器6，所述第一介质谐振器5和所述第二介质谐振器6的上表面分别设置有第一金属贴片7和第二金属贴片8。
所述第一金属贴片7上开设有第一开槽结构9、第二开槽结构10和第五开槽结构13，所述第二金属贴片8上开设有第三开槽结构11、第四开槽结构12和第六开槽结构14。
所述第一开槽结构9以及所述第二开槽结构10、所述第三开槽结构11以及所述第四开槽结构12用于控制所述双模介质滤波器的谐振频率，所述第五开槽结构13以及所述第六开槽结构14用于控制所述双模介质滤波器的腔内耦合强度。
具体应用中，对双模介质滤波器的谐振频率的控制是通过改变位于介质谐振器上表面的金属贴片的第一开槽结构9、第二开槽结构10、第三开槽结构11以及第四开槽结构12的尺寸实现的。而对双模介质滤波器腔内耦合强度的控制则是通过改变位于介质谐振器上表面的金属贴片的第五开槽结构13和第六开槽结构14的尺寸实现的。
本实施例中，所述第一介质谐振器5和第二介质谐振器6为圆柱形。
所述腔间耦合结构4包括耦合窗口及垂直于耦合窗口的耦合金属导体环，所述耦合窗口开在两个介质谐振腔之间。所述耦合金属导体环为矩形金属导体环。
双模介质滤波器的腔间耦合结构是通过在两个腔体之间开一个窗口并引入矩形金属导体环实现的，腔间耦合强度可以通过控制矩形金属导体环的尺寸实现。
具体应用中，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3则是采用接地的金属导体环实现的，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3的端口耦合强度的控制则是通过控制导体环环面的面积实现的。
具体应用中，所述腔体1采用铝、铜、铁、金或者银中的任意一种金属或任意几种金属的合金制作。
为了验证位于介质谐振器上表面的金属贴片的开槽结构对滤波器谐振频率的控制，保持其中一个开槽结构的深度t1不变，对另一个开槽结构的深度t2取不同值进行仿真，图3是谐振腔结构图，图4是仿真结果。
由图4的仿真结果可以看到，保持位于介质谐振器上表面的金属贴片的其中一个开槽结构的深度t1不变，随着另一个开槽结构的深度t2不断增大，谐振腔中简并模一个模式的频率基本没有发生变化，另一个模式的频率呈下降趋势，因此位于介质谐振器上表面的金属贴片的开槽结构的深度越大，所控制的对应模式的谐振频率越低，可以实现谐振腔中简并模两个模式的谐振频率独立可控。
为了使谐振腔内简并模发生耦合，耦合结构应位于与简并模两个模式都成45°的方向上，故耦合结构如图5所示。
为了验证位于介质谐振器上表面的金属贴片的开槽结构对腔内耦合强度的影响，现保持滤波器其它参数不变，对耦合槽的深度t3取不同值进行仿真，图6为仿真得到的耦合系数k12。
由图6可以看到，随着位于介质谐振器上表面的金属贴片的开槽结构的深度t3的不断增大，简并模的耦合系数呈增大的趋势，即随着金属贴片的开槽结构的深度t3不断增大，简并模的耦合强度不断增大。因此，可以通过控制位于介质谐振器上表面的金属贴片的开槽结构的深度t3实现对腔内耦合强度的控制。
实施例二
如图1所示，在本实施例的设计中，先根据谐振腔的场分布确定位于介质谐振器上表面金属贴片的开槽位置、输入输出端口耦合结构的位置和腔间耦合结构的位置。双模介质滤波器的谐振频率不仅由介质谐振器和外部腔体的尺寸所决定，同时还会受到金属贴片控制频率的开槽结构的尺寸的影响，通过控制金属贴片控制频率的开槽结构的深度可以实现对双模介质滤波器谐振频率的控制。同时，通过控制金属贴片控制耦合的开槽结构的深度可以实现对腔内耦合强度的控制。在本次实施例中，给定的滤波器中心频率为2545MHz，所用圆柱介质谐振器的直径为22.81mm，高度为14mm，外部腔体的高度为15mm，介质谐振器上表面的金属贴片上控制频率的开槽结构的深度为3.58mm(图1中第二开槽结构10和第四开槽结构12所示金属贴片上控制频率的开槽深度)、1mm(图1中第一开槽结构9所示金属贴片上控制频率的开槽深度)和2.9mm(图1中第三开槽结构11所示金属贴片上控制频率的开槽深度)，介质谐振器上表面的金属贴片上控制腔内耦合的开槽结构深度为4.34mm(图1中第五开槽结构13和第六开槽结构14所示金属贴片上控制耦合开槽结构的深度)，该滤波器的结构如图1所示，其仿真结果如图2所示。
图2为根据该双模介质滤波器的频率响应的仿真曲线。从图2的仿真结果中可以看到，该双模介质滤波器的回波损耗大于20dB，插入损耗小于0.1dB，工作频率为2520MHz～2570MHz，带宽为50MHz。
综上所述，本发明提出了一种控制双模介质滤波器的频率和耦合的设计方案。在此方案下，可以设计出便于加工的双模介质滤波器。由于双模介质滤波器具有插入损耗小、功率容量大、带外抑制高、体积小和重量轻等优点，在通信系统中有着广泛的应用。本发明不仅具有良好的工作特性，同时可以避免对介质谐振器开孔，还易于加工制造，有利于实际的工业生产。该滤波器的创新之处在于通过对位于介质谐振器的上表面的金属贴片进行开槽实现了对双模介质滤波器谐振频率和耦合的控制。
本发明包括并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，在不脱离本发明原理的前提下，可对滤波器的结构做出不同的变化和替换，例如改变位于介质谐振器上表面的金属贴片上开槽的位置和形状、外部腔体的尺寸和形状以及介质谐振器的尺寸和形状等，这些变形和替换也属于本专利保护范围。

Claims (7)

1.一种双模介质带通滤波器，所述双模介质带通滤波器包括腔体(1)、第一输入输出端口(2)、第二输入输出端口(3)和腔间耦合结构(4)，其特征在于，所述腔间耦合结构(4)将所述腔体(1)左右隔开为第一介质谐振腔和第二介质谐振腔，所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔通过所述腔间耦合结构(4)进行耦合；
所述第一输入输出端口(2)开设在所述第一介质谐振腔的腔体上，所述第二输入输出端口(3)开设在所述第二介质谐振腔的腔体上；
所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔内分别设置有第一介质谐振器(5)和第二介质谐振器(6)，所述第一介质谐振器(5)和所述第二介质谐振器(6)的上表面分别设置有第一金属贴片(7)和第二金属贴片(8)；
所述第一金属贴片(7)上开设有第一开槽结构(9)、第二开槽结构(10)和第五开槽结构(13)，所述第二金属贴片(8)上开设有第三开槽结构(11)、第四开槽结构(12)和第六开槽结构(14)；所述第一开槽结构(9)以及所述第二开槽结构(10)、所述第三开槽结构(11)以及所述第四开槽结构(12)用于控制所述双模介质滤波器的谐振频率，所述第五开槽结构(13)以及所述第六开槽结构(14)用于控制所述双模介质滤波器的腔内耦合强度；
所述双模介质滤波器的谐振频率通过改变所述第一开槽结构(9)、所述第二开槽结构(10)、所述第三开槽结构(11)以及所述第四开槽结构(12)的尺寸进行控制；
所述双模介质滤波器的腔内耦合强度通过改变所述第五开槽结构(13)和所述第六开槽结构(14)的尺寸进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述腔间耦合结构(4)包括耦合窗口及垂直于耦合窗口的耦合金属导体环，所述耦合窗口(4)开在所述第一介质谐振腔和所述第二介质谐振腔之间。
3.根据权利要求2所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述耦合金属导体环为矩形金属导体环。
4.根据权利要求3所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述双模介质滤波器的腔间耦合强度可通过控制所述矩形金属导体环的尺寸实现。
5.根据权利要求1所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)采用接地的金属导体环实现的。
6.根据权利要求5所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)的端口耦合强度可通过改变导体环环面的面积进行控制。
7.根据权利要求1所述的一种双模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一介质谐振器(5)和所述第二介质谐振器(6)为圆柱形。
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