CN106252805A - 一种混合巴伦滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种混合巴伦滤波器，包括金属地板、金属围墙、以及主模频率相同的同轴谐振器、第一介质谐振器和第二介质谐振器，第一介质谐振器与同轴谐振器之间设置有具有耦合窗的第一金属隔板，第二介质谐振器与同轴谐振器之间设置有具有耦合窗的第二金属隔板；第一介质谐振器和第二介质谐振器完全相同并对称地分布在同轴谐振器的两侧，第一、第二介质谐振器的轴与金属地板垂直，同轴谐振器的轴与金属地板平行。本发明提供的实施例，通过将同轴谐振器与介质谐振器结合，可以抑制介质谐振器的大部分寄生模式，使得巴伦滤波器具备更宽的差模阻带、更低的插入损耗和良好的输出平衡性。

Description

一种混合巴伦滤波器
技术领域
本发明涉及射频通信领域，尤其涉及一种混合巴伦滤波器。
背景技术
巴伦和滤波器在射频前端模块中扮演着重要的角色。在很长一段时间内，二者独立存在于射频前端模块中。但是，这样会导致电路的尺寸过大，损耗增加。在过去数十年中，巴伦滤波器的融合设计方法开始被广泛研究和运用，以此来减小整个电路尺寸，降低电路损耗。融合设计的巴伦滤波器不仅可以具有滤波器的频带选择特性而且还能拥有巴伦不平衡到平衡信号的转化功能。
介质谐振器因其高品质因数、低制造成本、高温度稳定性等优势，被广泛应用于微波电路设计，其中也包括巴伦滤波器设计。然而，介质谐振器最大的劣势就是谐振模式复杂，会造成不需要的谐波模式靠近工作主模。不希望出现的寄生响应靠近巴伦滤波器的滤波通带，严重影响巴伦滤波器的阻带抑制性能，不可避免地会干扰滤波通带的正常工作。因此，针对介质谐振器的谐波抑制的问题亟续解决。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种混合巴伦滤波器，克服现有技术中巴伦滤波器阻带抑制性能不足的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种混合巴伦滤波器，包括金属地板、沿着所述金属地板四周垂直向上延伸的金属围墙、固定在所述金属围墙上的同轴谐振器、以及固定在所述地板上的第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器与所述同轴谐振器之间设置有具有耦合窗的第一金 属隔板，所述第二介质谐振器与所述同轴谐振器之间设置有具有耦合窗的第二金属隔板；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器完全相同并对称地分布在所述同轴谐振器的两侧，所述第一、第二介质谐振器的轴与所述金属地板垂直，所述同轴谐振器的轴与所述金属地板平行；所述第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器的主模频率相同。
其中，所述金属地板、金属围墙、第一金属隔板和第二金属隔板一体成型。
其中，所述第一金属隔板和第二金属隔板分别沿着所述金属围墙的一面垂直向内延伸至与所述金属围墙的相对一面距离W的位置，从而形成宽度为W的耦合窗。
其中，所述第一介质谐振器和第二介质谐振器为中空圆柱体，所述同轴谐振器为圆柱体。
其中，所述同轴谐振器是四分之一波长同轴谐振器。
其中，所述金属围墙上靠近所述第一介质谐振器R1的一端设置有输入端口，所述金属围墙上靠近所述第二介质谐振器的一端设置有第一输出端口和第二输出端口。
其中，所述输入端口包括输入端金属片和输入端连接柱，所述输入端连接柱的一端向外伸出所述金属围墙的与所述第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器的排列方向平行的一面，另一端与所述输入端金属片连接，所述输入端金属片沿着所述第一介质谐振器的周围设置。
其中，所述第一输出端口包括第一输出端金属片和第一输出端连接柱，所述第一输出端连接柱与所述输入端连接柱位于所述金属围墙的同一面，所述第一输出端连接柱的一端向外伸出该面，另一端与所述第一输出端金属片连接，所述第一输出端金属片沿着所述第二介质谐振器的周围设置；所述第二输出端口包括第二输出端金属片和第二输出端连接柱，所述第二输出端连接柱位于所述金属围墙的与所述第一输出端连接柱相对的一面上，所述第二输出端连接柱的一端向外伸出该相对的一面，另一端与所述第二输出端金属片连接，所述第二输出端金属片沿着所述第二介质谐振器的周围与所述第一输出端金属片相向 设置。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过将同轴谐振器与介质谐振器结合，可以抑制介质谐振器的大部分寄生模式，使得巴伦滤波器具备更宽的差模阻带、更低的插入损耗和良好的输出平衡性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的混合巴伦滤波器的结构示意图；
图2是图1所示的混合巴伦滤波器中的介质谐振器的结构示意图；
图3是本发明一个优选实施例提供的三阶巴伦滤波器的耦合方案示意图；
图4是图1所示三阶巴伦滤波器的矩阵响应和仿真响应对比图；
图5是图1所示三阶巴伦滤波器的仿真和实测结果对比图，其中虚线为仿真结果，实现为实测结果；
图6是图1所示三阶巴伦滤波器的幅度不平衡与相位差仿真和测试结果对比图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参见图1，是本发明实施例提供的混合巴伦滤波器的结构示意图。如图1所示，混合巴伦滤波器包括金属地板101、沿着所述金属地板四周垂直向上延伸的金属围墙102、固定在所述金属围墙中轴线上的同轴谐振器R2、以及固定在 所述地板上的第一介质谐振器R1和第二介质谐振器R3，所述第一介质谐振器R1与所述同轴谐振器R2之间设置有具有耦合窗的第一金属隔板103，所述第二介质谐振器R3与所述同轴谐振器R2之间设置有具有耦合窗的第二金属隔板104；所述第一介质谐振器R1和第二介质谐振器R3完全相同并对称地分布在所述同轴谐振器R2的两侧，所述介质谐振器R1和R3的轴与所述金属地板101垂直，所述同轴谐振器R2的轴与所述金属地板101平行；所述第一介质谐振器R1、同轴谐振器R2和第二介质谐振器R3的主模频率相同。
本发明实施例提供了一种基于介质谐振器和同轴谐振器的新型宽阻带混合巴伦滤波器。其中，介质谐振器的主模TE01δ模和同轴谐振器的主模TEM模被设计为相同的频率，从而构建出混合巴伦滤波器的通带。同时，同轴谐振器的存在使得介质谐振器原本复杂的寄生谐波模式得到很大程度地抑制。因此，所设计的混合巴伦滤波器的阻带能够得到极大的拓宽。需要说明的是，虽然图1仅示出了包含第一介质谐振器R1、同轴谐振器R2和第二介质谐振器R3的三阶混合巴伦滤波器，但这仅仅是为了举例说明，而不用于限制，在本发明的其它实施例中，多阶混合巴伦滤波器还可以包含参考图1方式设置的更多个介质谐振器和同轴谐振器。下文中，为了方便描述，仍以三阶混合巴伦滤波器为例进行说明。
优选地，如图1所示，所述金属围墙102上靠近所述第一介质谐振器R1的一端设置有输入端口S，所述金属围墙102上靠近所述第二介质谐振器R3的一端设置有第一输出端口L+和第二输出端口L－。输入端口S接第一介质谐振器R1馈电，激励起R1的主模TE10δ模，R1和R2之间通过耦合窗耦合电磁能量，在R2中激励起其主模TEM模，R2和R3之间通过另外一个耦合窗耦合电磁能量，在R3中激励起其主模TE10δ模，再经过第一输出端口L+和第二输出端口L－输出幅度相等、相位相反的信号。
优选地，如图1所示，所述第一金属隔板103和第二金属隔板104分别沿着所述金属围墙102的一面垂直向内延伸至与所述金属围墙102的相对一面距离W的位置，从而形成宽度为W的耦合窗。
优选地，如图1所示，所述输入端口S包括输入端金属片S1和输入端连接柱S2，所述输入端连接柱S2的一端向外伸出所述金属围墙102的与所述第一介质谐振器R1、同轴谐振器R2和第二介质谐振器R3的排列方向平行的一面，另一端与所述输入端金属片S1连接，所述输入端金属片S1沿着所述第一介质谐振器R1的周围设置。优选地，当第一介质谐振器R1为圆柱体时，输入端金属片S1为弧形片，从与输入端连接柱S2连接处向与同轴谐振器R2相反的一侧延伸。
优选地，如图1所示，所述第一输出端口L+包括第一输出端金属片L1和第一输出端连接柱L2，所述第一输出端连接柱L2与所述输入端连接柱S2位于所述金属围墙102的同一面，所述第一输出端连接柱L2的一端向外伸出该面，另一端与所述第一输出端金属片L1连接，所述第一输出端金属片L1沿着所述第二介质谐振器R3的周围设置；所述第二输出端口L－包括第二输出端金属片L3和第二输出端连接柱L4，所述第二输出端连接柱L4位于所述金属围墙102的与所述第一输出端连接柱L2相对的一面上，所述第二输出端连接柱L4的一端向外伸出该相对的一面，另一端与所述第二输出端金属片L3连接，所述第二输出端金属片L3沿着所述第二介质谐振器R3的周围与所述第一输出端金属片L1相向设置。优选地，当第二介质谐振器R3为圆柱体时，第一输出端金属片L1、第二输出端金属片L3为弧形片，分别从与第一、第二输出端连接柱L2、L4连接处向与同轴谐振器R2相反的一侧延伸。
优选地，所述金属地板101、金属围墙102、第一金属隔板103和第二金属隔板104一体成型，其中金属地板101和金属围墙102构成混合巴伦滤波器的盒体。
优选地，如图1所示，所述第一介质谐振器R1、第二介质谐振器R3和同轴谐振器R2均为圆柱体。更加优选地，所述同轴谐振器R2是四分之一波长同轴谐振器，由于四分之一波长的同轴谐振器的第一谐波可以出现在其基波的三倍频左右，使得同轴谐振器的谐振模式相对介质谐振器干净很多。
第一介质谐振器R1、同轴谐振器R2和第二介质谐振器R3可以采用现有技 术中常见的介质谐振腔和同轴谐振腔的结构，图1和图2给出了一个具体实施例。如图1和2所示，同轴谐振器R2是一个圆柱体形谐振腔，第一、第二介质谐振器包括氧化铝底座105、设置在氧化铝底座105上的具有圆环形横截面的介质谐振体106和与所述介质谐振体106平行的介质调谐盘107。
图3是本发明一个优选实施例提供的三阶巴伦滤波器的耦合方案示意图，如图3所示，为了设计一个中心频率为1.75GHz、3dB相对带宽为1.3％的三阶混合巴伦滤波器，其耦合矩阵M如下式所示。
基于耦合矩阵M的频率响应与该三阶混合巴伦滤波器的仿真频率响应对比在图4中给出。可以看出，两者之间吻合的较好。
为了进一步验证三阶混合巴伦滤波器实物与仿真分析的符合度，给图1和2中所示的三阶混合巴伦滤波器设定具体的物理尺寸。如图1和2所示，输入端金属片S1弧长Ls＝26.1mm，第一、第二输出端金属片L3弧长Ld＝23mm，第一、第二金属隔板104厚度iris＝4mm，耦合窗宽度W＝22mm，金属地板101宽度a＝46mm，金属地板101长度b＝146mm，同轴谐振器R2的长度h＝33mm，同轴谐振器R2的直径d＝14mm，介质谐振器的介质谐振体106直径DR_D＝32mm,介质谐振体106的中空腔的直径Hole_D＝8mm,介质谐振体106的高度DR_H＝13mm,介质调谐盘107的直径Disk_D＝25mm,介质调谐盘107的高度 Disk_H＝2mm，介质谐振器的整体高度c＝32mm。该混合巴伦滤波器的测试仍然采用N5230A PNA-L矢量网络分析仪完成，仿真与实测S参数对比如图5所示，滤波通带局部放大图也在该图给出。图5的结果表明，该巴伦滤波器工作在1.75GHz，拥有约为1.3％的3dB相对带宽，通带内的最小插入损耗为(3+0.85)dB，包括SMA同轴连接器的损耗。更重要的是，所设计的混合巴伦滤波器高端阻带的寄生响应得到了明显抑制，在相当宽的频带内(1.81-2.5GHz)，阻带抑制保持在好于40dB的水平。图6描述了该巴伦滤波器两个输出端口之间的幅度平衡与相位差特性，整个通带内幅度不平衡在0.5dB以内，相位差能控制在180±2.6°的范围内。
以上测试和对比结果说明，本发明实施例通过将同轴谐振器与介质谐振器结合，可以有效地抑制介质谐振器的大部分寄生模式，使得巴伦滤波器具备更宽的差模阻带、更低的插入损耗和良好的输出平衡性。另外，因其设计结构简单，为混合巴伦滤波器在许多实际的工业应用中得到广泛使用奠定了基础。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种混合巴伦滤波器，包括金属地板(101)和沿着所述金属地板(101)四周垂直向上延伸的金属围墙(102)，其特征在于，所述混合巴伦滤波器还包括固定在所述金属围墙(102)上的同轴谐振器(R2)、以及固定在所述地板上的第一介质谐振器(R1)和第二介质谐振器(R3)，所述第一介质谐振器(R1)与所述同轴谐振器(R2)之间设置有具有耦合窗的第一金属隔板(103)，所述第二介质谐振器(R3)与所述同轴谐振器(R2)之间设置有具有耦合窗的第二金属隔板(104)，所述第一介质谐振器(R1)和第二介质谐振器(R3)完全相同并对称地分布在所述同轴谐振器(R2)的两侧，所述第一、第二介质谐振器(R1，R3)的轴与所述金属地板(101)垂直，所述同轴谐振器(R2)的轴与所述金属地板(101)平行；所述第一介质谐振器(R1)、同轴谐振器(R2)和第二介质谐振器(R3)的主模频率相同。
2.如权利要求1所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述金属地板(101)、金属围墙(102)、第一金属隔板(103)和第二金属隔板(104)一体成型。
3.如权利要求2所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述第一金属隔板(103)和第二金属隔板(104)分别沿着所述金属围墙(102)的一面垂直向内延伸至与所述金属围墙(102)的相对一面距离W的位置，从而形成宽度为W的耦合窗。
4.如权利要求1所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述第一介质谐振器(R1)和第二介质谐振器(R3)为中空圆柱体，所述同轴谐振器(R2)为圆柱体。
5.如权利要求1所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述同轴谐振器(R2)是四分之一波长同轴谐振器。
6.如权利要求1所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述金属围墙(102)上靠近所述第一介质谐振器(R1)的一端设置有输入端口(S)，所述金属围墙(102)上靠近所述第二介质谐振器(R3)的一端设置有第一输出端口(L+)和第二输出端口(L－)。
7.如权利要求6所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述输入端口(S)包括输入端金属片(S1)和输入端连接柱(S2)，所述输入端连接柱(S2)的一端向外伸出所述金属围墙(102)的与所述第一介质谐振器(R1)、同轴谐振器(R2)和第二介质谐振器(R3)的排列方向平行的一面，另一端与所述输入端金属片(S1)连接，所述输入端金属片(S1)沿着所述第一介质谐振器(R1)的周围设置。
8.如权利要求7所述的混合巴伦滤波器，其特征在于，所述第一输出端口(L+)包括第一输出端金属片(L1)和第一输出端连接柱(L2)，所述第一输出端连接柱(L2)与所述输入端连接柱(S2)位于所述金属围墙(102)的同一面，所述第一输出端连接柱(L2)的一端向外伸出该面，另一端与所述第一输出端金属片(L1)连接，所述第一输出端金属片(L1)沿着所述第二介质谐振器(R3)的周围设置；所述第二输出端口(L－)包括第二输出端金属片(L3)和第二输出端连接柱(L4)，所述第二输出端连接柱(L4)位于所述金属围墙(102)的与所述第一输出端连接柱(L2)相对的一面上，所述第二输出端连接柱(L4)的一端向外伸出该相对的一面，另一端与所述第二输出端金属片(L3)连接，所述第二输出端金属片(L3)沿着所述第二介质谐振器(R3)的周围与所述第一输出端金属片(L1)相向设置。
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