CN106654476B - 一种四模介质带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四模介质带通滤波器，包括外部腔体以及四个在中心处进行开孔的圆柱形介质块、四个用于控制频率的调谐螺钉，位于滤波器中心处用于控制频率的短接金属柱、两个控制耦合的金属环形结构以及输入输出端口耦合结构。所述控制频率的调谐螺钉位于圆柱形介质块中心的通孔内，所述控制频率的短接金属柱位于滤波器的中心处；通过改变控制频率的调谐螺钉的尺寸可以控制滤波器的谐振频率，通过改变控制频率的短接金属柱的尺寸可以控制滤波器的谐振频率，通过改变介质块到滤波器的中心处距离可以控制滤波器的谐振频率，通过改变控制耦合的金属耦合环的尺寸可以控制滤波器的耦合强度。本发明具有体积小，Q值高和易加工等优点。
Description
技术领域
本发明涉及介质滤波器的技术领域，具体涉及一种采用调谐螺钉、短接金属柱结构控制谐振频率以及采用金属耦合环结构控制耦合的新型四模介质滤带通波器。
背景技术
随着无线通信系统的高速发展，现代社会已经进入了一个信息高速传播的时代，时刻可见信息在我们的身边进行传递，无线通信已经被广泛应用于社会生活的各个领域，比如移动通信、雷达导航和电子对抗。微波滤波器在无线通信系统有着不可替代的重要作用，在无线通信的过程中对进行通信的频率起着选择作用，即抑制不需要的频率，使其不能通过，同时让有用的频率通过，其性能的好坏往往对整个无线通信系统的性能有直接的影响。
近几十年来，信息产业和无线通信系统得到了快速的发展，分配到各类通信系统中的频率间隔越来越密，这就对微波滤波器的设计提出了更高的要求，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，还希望滤波器的体积小和重量轻，以便于微波滤波器在无线通信系统进行集成和小型化，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，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TM模的介质谐振器，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。
2012年S.Yakuno和T.Ishizaki在Microwaves Conference Proceedings上发表题为“Novel Cavity-Type Multi-Mode Filter using TEM-mode and TE-mode”的文章。滤波器模型包括一个圆柱型的金属外腔、两个一端短路一端开路的圆柱形介质谐振器和若干调谐机构。外部的金属圆柱腔工作在半波长谐振器状态，存在两个电场相互垂直的简并模式TE11模，而两个圆柱型介质谐振器相当于准同轴谐振器，工作在四分之一波长奇偶模状态，谐振在TEM模式，TE11模式和TEM模式的耦合控制是通过调谐螺钉实现，此外，TE11模式和TEM模式的频率控制也是通过螺钉实现。
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，提供一种采用调谐螺钉和短接金属柱结构控制频率的四模介质滤波器，同时采用金属耦合环结构实现了对四模介质滤波器谐振模式耦合的控制，性能良好，便于加工。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种四模介质带通滤波器，所述四模介质带通滤波器包括外部腔体1、用于信号输入或者输出的第一输入输出端口2和第二输入输出端口3，所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3均开设在所述外部腔体1上；
所述外部腔体1内的中心处设置有金属柱8，所述外部腔体1内还设置有第一介质块4、第二介质块5、第三介质块6和第四介质块7，各个介质块分别位于所述金属柱8的四周，所述金属柱8以及各个介质块均与所述外部腔体1上、下表面短接；
所述第一介质块4、所述第二介质块5、所述第三介质块6和所述第四介质块7的中心处均开设有圆形通孔；
所述外部腔体1上表面设置有第一调谐螺钉9、第二调谐螺钉10、第三调谐螺钉11以及第四调谐螺钉12，并且分别位于所述第一介质块4、所述第二介质块5、所述第三介质块6和所述第四介质块7中心处的圆形通孔内；
所述外部腔体1内还设置有U型的第一金属耦合环13和第二金属耦合环14，分别位于所述金属柱8的两侧，所述第一金属耦合环13和所述第二金属耦合环14的开口方向朝向所述外部腔体1的上表面。
进一步地，所述第一调谐螺钉9、所述第二调谐螺钉10，所述第三调谐螺钉11以及所述第四调谐螺钉12用于控制所述四模介质带通滤波器的谐振频率。
进一步地，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变所述第一调谐螺钉9、所述第二调谐螺钉10、所述第三调谐螺钉11以及所述第四调谐螺钉12的尺寸实现的。
进一步地，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变控制所述第一介质块4、所述第二介质块5、所述第三介质块6和所述第四介质块7到所述金属柱8的距离实现的。
进一步地，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变所述金属柱8的尺寸实现的。
进一步地，所述四模介质带通滤波器的腔内耦合强度通过改变所述第一金属耦合环13和所述第二金属耦合环14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采用接地的同轴端口实现的。
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控制端口到介质块的距离实现的。
进一步地，所述第一介质块4、所述第二介质块5、所述第三介质块6和所述第四介质块7均为圆柱形。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、通过调谐螺钉和短接金属柱结构实现对四模介质滤波器谐振频率的控制，便于加工制造。
2、通过金属耦合环实现对耦合强度的控制，同样便于加工制造。
3、采用四个模式进行滤波器设计，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四模介质带通滤波器的结构示意图；
图2是本发明公开的一种四模介质带通滤波器的仿真示意图；
图3是实施例中谐振腔的俯视图；
图4是本发明中谐振频率随介质块到谐振腔中心处距离的变化曲线；
图5是本发明中谐振频率随短接金属柱半径的变换曲线；
图6是实施例中设置有腔内耦合结构的谐振腔的结构图；
图7是实施例中腔内耦合结构的侧视图；
图8是本发明中腔内耦合强度随金属耦合环高度的变化曲线；
其中，1——外部腔体，2——第一输入输出端口，3——第二输入输出端口，4——第一介质块，5——第二介质块，6——第三介质块，7——第四介质块，8——金属柱，9——第一调谐螺钉，10——第二调谐螺钉，11——第三调谐螺钉，12——第四调谐螺钉，13——第一金属耦合环，14——第二金属耦合环。
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做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采用调谐螺钉和金属柱结构控制谐振频率以及采用金属耦合环控制耦合的四模介质滤波器，性能良好，容易加工制造。
四模介质滤波器的结构如图1所示。其中，2和3为四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作为四模介质滤波器的输入端口时，第二输入输出端口3作为四模介质滤波器的输出端口，反之，当第二输入输出端口3作为四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是滤波器的外部腔体。4、5、6和7分别是外部腔体1中的第一介质块、第二介质块、第三介质块和第四介质块。8是外部腔体1中的金属柱。9、10、11和12是位于外部腔体上表面控制频率的第一调谐螺钉、第二调谐螺钉、第三调谐螺钉以及第四调谐螺钉。13和14分别为位于外部腔体1中用于控制腔内耦合强度的第一金属耦合环和第二金属耦合环。
一种四模介质带通滤波器，包括外部腔体1、第一输入输出端口2、第二输入输出端口3。所述第一输入输出端口2和所述第二输入输出端口3均开设在所述外部腔体1上。
所述外部腔体1内设置有第一介质块4，第二介质块5，第三介质块6和第四介质块7。
所述外部腔体1内设置有金属柱8。所述金属柱8与外部腔体1上下表面短接。
所述金属柱8用于控制所述四模介质带通滤波器的谐振频率。
所述外部腔体1的上表面设置有第一调谐螺钉9、第二调谐螺钉10、第三调谐螺钉11以及第四调谐螺钉12。
所述第一调谐螺钉9、第二调谐螺钉10、第三调谐螺钉11以及第四调谐螺钉12用于控制所述四模介质带通滤波器的谐振频率。
所述外部腔体1设置有第一金属耦合环13和第二金属耦合环14。
所述第一金属耦合环13和第二金属耦合环14用于控制所述四模介质带通滤波器的腔内耦合强度。
具体应用中，对四模介质滤波器的谐振频率的控制是通过改变第一调谐螺钉9、第二调谐螺钉10、第三调谐螺钉11以及第四调谐螺钉12的尺寸实现的。
具体应用中，对四模介质滤波器的谐振频率的控制是通过改变第一介质块4，第二介质块5，第三介质块6和第四介质块7到谐振腔中心处的距离实现的。
具体应用中，对四模介质滤波器的腔内耦合强度的控制是通过改变第一金属耦合环13和第二金属耦合环14的尺寸实现的。
本实施例中，所述第一介质块4、第二介质块5、第三介质块6和第四介质块7为圆柱形。
本实施例中，所述第一介质块4、第二介质块5、第三介质块6和第四介质块7中心处开设有圆形通孔。
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则是采用接地的同轴端口实现的，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端口到介质块的距离实现的。
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。
为了验证控制四个介质块到谐振腔中心的距离d和短接金属柱的半径r对四模介质滤波器的谐振频率的调谐作用，保持四模介质滤波器的其它参数不变，分别对其取不同值进行仿真，其中图3是谐振腔的俯视图，图4和图5是仿真结果。
由图4的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着介质块到谐振腔中心处的距离d不断增大，谐振腔中四个模式的谐振频率呈上升的趋势；由图5的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着短接金属柱的半径r不断给增大，谐振腔中第一个模式、第二个模式和第三个模式的谐振频率呈上升的趋势，第四个模式的谐振频率基本保持不变。因此可以通过控制介质块到谐振腔中心的距离d和短接金属柱的半径r实现四模介质滤波器的谐振频率控制。
四模介质滤波器的腔内耦合强度是由金属耦合环所控制的，为了验证金属耦合环对腔内耦合强度的影响，保持其它参数不变，对金属耦合环的高度H取不同值进行仿真，图6是设置有腔内耦合结构的谐振腔结构图，图7是设置有腔内耦合结构的谐振腔侧视图，图8是仿真结果。
由图8的仿真结果可以看到，保持其它参数不变，随着金属耦合环的高度H不断增大，腔内耦合强度k呈下上升的趋势，因此通过控制金属耦合环的高度H可以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短接金属柱的位置、输入输出端口耦合结构的位置和金属耦合环的位置。四模介质滤波器的谐振频率不仅由介质块和外部腔体的尺寸所决定，同时还会受到调谐螺钉和短接金属柱的影响，通过控制调谐螺钉的嵌入深度和短接金属柱的半径可以实现对四模介质滤波器谐振频率的控制。同时，通过控制金属耦合环的高度可以实现对腔内耦合强度的控制。在本次实施例中，所用圆柱形介质块的外径为15.2mm，内径为4mm，高度为7mm(图1中第一介质块、第二介质块、第三介质块和第四介质块的尺寸)，介质块到谐振腔的中心距离为26.2mm(图1中第一介质块、第二介质块、第三介质块和第四介质块到谐振腔中心处的金属柱的距离)，短接金属柱的半径为4mm(图1中金属柱的半径)，金属耦合环的高度为5mm(图1中第一金属耦合环和第二金属耦合环的高度)，该滤波器的结构如图1所示，其仿真结果如图2所示。
图2为该四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12dB，插入损耗小于0.5dB，工作频率为1.871GHz～2.042GHz，带宽为171MHz。
综上所述，本发明提出了一种控制四模介质滤波器的频率和耦合的设计方案。在此方案下，可以设计出性能良好的四模介质滤波器。由于四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，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调谐螺钉和短接金属柱结构实现了对四模介质滤波器谐振频率的控制，同时通过控制金属耦合环的高度实现对腔内耦合强度的控制。
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，例如改变介质块的形状和尺寸，耦合结构的尺寸和形状，频率控制结构的形状和尺寸以及外部腔体的形状和尺寸等，这些变形和替换也属于本专利保护范围。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种四模介质带通滤波器，所述四模介质带通滤波器包括外部腔体(1)、用于信号输入或者输出的第一输入输出端口(2)和第二输入输出端口(3)，所述第一输入输出端口(2)和所述第二输入输出端口(3)均开设在所述外部腔体(1)上；
所述外部腔体(1)内的中心处设置有金属柱(8)，所述外部腔体(1)内还设置有第一介质块(4)、第二介质块(5)、第三介质块(6)和第四介质块(7)，各个介质块分别位于所述金属柱(8)的四周，各个介质块分别位于所述外部腔体(1)的四个角落，所述金属柱(8)以及各个介质块均与所述外部腔体(1)上、下表面短接；
所述第一介质块(4)、所述第二介质块(5)、所述第三介质块(6)和所述第四介质块(7)的中心处均开设有圆形通孔；
所述外部腔体(1)上表面设置有第一调谐螺钉(9)、第二调谐螺钉(10)、第三调谐螺钉(11)以及第四调谐螺钉(12)，并且分别位于所述第一介质块(4)、所述第二介质块(5)、所述第三介质块(6)和所述第四介质块(7)中心处的圆形通孔内；
所述外部腔体(1)内还设置有U型的第一金属耦合环(13)和第二金属耦合环(14)，分别位于所述金属柱(8)的两侧，U型的第一金属耦合环(13)和第二金属耦合环(14)的两竖边分别靠近两介质块，横边平行于两介质块的中心连接线；所述第一金属耦合环(13)和所述第二金属耦合环(14)的开口方向朝向所述外部腔体(1)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一调谐螺钉(9)、所述第二调谐螺钉(10)，所述第三调谐螺钉(11)以及所述第四调谐螺钉(12)用于控制所述四模介质带通滤波器的谐振频率。
3.根据权利要求2所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变所述第一调谐螺钉(9)、所述第二调谐螺钉(10)、所述第三调谐螺钉(11)以及所述第四调谐螺钉(12)的尺寸实现的。
4.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变控制所述第一介质块(4)、所述第二介质块(5)、所述第三介质块(6)和所述第四介质块(7)到所述金属柱(8)的距离实现的。
5.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述四模介质带通滤波器的谐振频率通过改变所述金属柱(8)的尺寸实现的。
6.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述四模介质带通滤波器的腔内耦合强度通过改变所述第一金属耦合环(13)和所述第二金属耦合环(14)的尺寸实现。
7.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，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)采用接地的同轴端口实现的。
8.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，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控制端口到介质块的距离实现的。
9.根据权利要求1所述的一种四模介质带通滤波器，其特征在于，所述第一介质块(4)、所述第二介质块(5)、所述第三介质块(6)和所述第四介质块(7)均为圆柱形。
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