CN107181027B

CN107181027B - 射频滤波器

Info

Publication number: CN107181027B
Application number: CN201710141216.3A
Authority: CN
Inventors: K.K.卡胡
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: EP3217469A1; PL3217469T3; CN107181027A; US10205214B2; US20170263996A1; EP3217469B1

Abstract

本发明涉及射频滤波器。提供了具有至少一个电介质多模谐振器的射频滤波器。所述谐振器包括金属外壳（102），该金属外壳具有顶面（104）、底面（106）、在顶面和底面之间的四个扇段（108A、108B、108C、108D），并且其中包括谐振器空腔。所述谐振器进一步包括被定位在空腔内部的电介质体（110），所述电介质体在空腔的顶面和底面之间具有第一厚度，其中在外壳的扇段和电介质体之间存在间隙（302A、302B、302C、302D），所述电介质体包括在面向外壳的顶面的表面上以及在面向外壳的底面的表面上的凹部（112A、112B），所述电介质体因此在凹部的位置处具有第二厚度，该第二厚度小于第一厚度。

Description

射频滤波器

技术领域

本发明的示范性且非限制性实施例一般涉及射频滤波器。本发明的实施例尤其涉及包括一个或多个电介质多模谐振器的射频滤波器。

背景技术

背景技术的以下描述可以包括见解、发现、理解或公开或者连同在本发明之前相关领域未知的但由本发明提供的公开的关联。本发明的这样的贡献中的一些可以在下面具体地被指出，而本发明的其他这样的贡献将从其上下文显而易见。

射频滤波器典型地在移动电信网络的基站、移动电话和其他无线电收发机中使用。可能的射频滤波器应用包括发射机和接收机放大器的适配器电路和滤波器电路。

在基站发射机和接收机侧滤波器中，典型地使用高Q空腔谐振器。良好的射频特性、诸如低插入损耗和良好的功率处理以及小尺寸尤其是射频滤波器被要求的。一个典型的解决方案是使用电介质双模或多模谐振器。然而，这样的谐振器的实现不是容易的任务。

目前，紧凑横向磁性、TM、双模或单模空腔谐振器需要地接触或围绕陶瓷的全金属电镀。陶瓷与金属之间的接合由于线性温度膨胀的不同系数而难以产生。此外，对于焊接接合而言，需要在陶瓷上电镀。当使用完全被电镀的陶瓷块时，经常难以将该陶瓷块连接到其他机构并得到可调节的耦合和频率。

存在一些没有直腔接触的正交TM双模/多模谐振器。然而，它们不支持足够宽的频带，并且它们不能从具有足够良好的虚假响应(spurious response)的一侧被调节。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种射频滤波器，该射频滤波器包括至少一个电介质多模谐振器，所述谐振器包括：金属外壳，该金属外壳具有顶面、底面、在顶面和底面之间的四个扇段（sector），并且其中包括谐振器空腔；被定位在空腔内部的电介质体，所述电介质体在空腔的顶面和底面之间具有第一厚度，其中在外壳的扇段和电介质体之间存在间隙；所述电介质体包括在面向外壳的顶面的表面上以及在面向外壳的底面的表面上的凹部，所述电介质体因此在凹部的位置处具有第二厚度，该第二厚度小于第一厚度。

在从属权利要求中公开了本发明的一些实施例。

附图说明

在下文中，将借助于优选实施例参考（附随的）附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1图解电介质多模谐振器的一个示例；

图2A到2C图解谐振器的电介质体中的凹部以及第一厚度和第二厚度；

图3图解从顶侧所观察的电介质多模谐振器；

图4图解电介质多模谐振器的另一个示例；

图5图解射频滤波器的一个示例；

图6图解在电介质加载空腔中的电场矢量方向；

图7A和7B图解滤波器的空腔之间的壁的结构的一个示例；

图8图解在电介质加载空腔中的磁场矢量方向；以及

图9图解射频滤波器的另一个示例。

具体实施方式

可以使用许多不同技术来设计射频滤波器。例如，空气填充同轴、电介质填充同轴、微带、电介质填充空腔和电介质加载空腔是已知的滤波器类型的一些示例。每个滤波器类型具有其优点和缺点。基于电介质加载空腔的滤波器具有许多良好特性、诸如高Q值、良好的功率处理和小尺寸。

在用户终端和基站中利用射频滤波器的典型的通信系统的示例是全球通信系统GSM、通用移动电信系统（UMTS）无线电接入网络（UTRAN或E-UTRAN）、宽带码分多址WCDMA和基于长期演进LTE的系统。

基于电介质加载空腔的典型滤波器包括至少一个电介质谐振器，该电介质谐振器具有典型地是金属或具有金属涂层的外壳。谐振器空腔和电介质谐振器体在该外壳内部。在许多情况下，实际的滤波器包括许多元件。例如，滤波器可以包括在滤波器的输入端和输出端处的同轴谐振器以及一个或多个电介质谐振器。要被滤波的信号被馈送到滤波器的输入端。滤波器被设计成使得信号从一个谐振器耦合到下一个谐振器，并且在输出端处是经滤波的信号。

让我们首先检查如图1中示出的电介质多模谐振器。谐振器100包括金属外壳102。外壳具有顶面104、底面106以及四个侧面108A、108B、108C和108D。外壳在顶面和底面以及四个侧面之内产生谐振器空腔。

谐振器进一步包括被定位在空腔内部的电介质体110。典型地，电介质体由合适的陶瓷材料制成。在微波应用中使用的陶瓷具有高的相对介电常数ε_r和非常低的损耗。典型地，所述材料是温度稳定的。典型的材料例如是：锆、锡或钛氧化物(Zr,Sn)TiO、氧化钡-氧化铅-氧化钕-氧化钛BaO-PbO-NdO-TiO以及镁钛氧化物-钙钛氧化物MgTiO-CaTiO。外壳、谐振器空腔和电介质体可以在形状上是长方体、诸如立方体或矩形长方体，并且定义与如图1中图解的电介质体对准的三个正交轴x、y和z，但是其他形状也是可能的。谐振器具有大体上与三个正交轴对准的谐振模。这些模典型地被称为TM模。

在图1的示例中，电介质体110在空腔的顶面和底面之间具有第一厚度。电介质体110可以进一步包括在面向外壳的顶面104的侧上的凹部112A和在面向外壳的底面106的侧上的另一个凹部112B。因此，电介质体因此在凹部的位置处具有第二厚度，该第二厚度小于第一厚度。典型地，凹部具有相同尺寸，但这不是必要的。在一个实施例中，第二厚度比第一厚度小20%到50%，但所述关系也可以是不同的。

在一个实施例中，空腔和电介质体可以具有球形形状。在这样的情况下，电介质体的面向外壳的侧面的上面提及的侧面可以被认为是外壳和电介质体的扇段。三个正交轴x、y和z由所述扇段定义。

在一个实施例中，在电介质体110下面的支撑结构118将电介质体连接到外壳100的底面106。支撑结构118可以是如同底面106上的氧化铝或塑料一样的低ε_r材料。支撑结构可以例如通过胶合或使用螺丝固定而被胶合在陶瓷上并附接底面106。

图2A到2C图解凹部以及第一厚度和第二厚度。图2图解多模电介质多模谐振器200，其以许多方式类似于图1的谐振器100。谐振器包括金属外壳102和电介质体110。在图1的示例中，当从外壳的顶面104的方向观察时，凹部的横断面是圆形的。在图2A的示例中，凹部的横断面是方形的。进一步在图2A的示例中，金属外壳的拐角是倒圆的，而在图1的示例中，金属外壳的拐角是尖锐的。拐角的形状对谐振器的运行没有大的影响。

图2B图解谐振器在阴影线A-A处的视图。更清楚地看到电介质体100在空腔的顶面和底面之间的第一厚度200。

图2C图解谐振器在阴影线B-B处的视图。更清楚地看到电介质体100在空腔的顶面和底面之间在凹部的位置处的第二厚度202。

图3图解一个实施例。图3的示例图解从顶面104侧所看到的图1的多模电介质多模谐振器的视图。如图3图解的，在该示例中，在外壳的侧面和电介质体的面向外壳的侧面之间存在间隙302A、302B、302C、302D。因此，电介质体不接触金属外壳的侧面。在一个实施例中，例如，间隙可以具有不同的尺寸，并且具有局部变化、诸如凹陷。

在一个实施例中，电介质体110具有四个切口300A、300B、300C、300D，所述切口将电介质体的面向外壳的侧面划分成四个区段。如图3中图解的，切口可以是不同的尺寸和形状的。切口也可以具有所述尺寸和形状。在图1、2A和3的示例中，切口位于电介质体110的拐角处，并且也位于金属外壳的拐角处。然而，切口也可以位于别处，如图4的示例图解的。

如果切口是不对称的，则其引起谐振器中的TM模之间的耦合。耦合增加，切口300A的窄部分304被增大。可以通过螺丝116来调节或产生耦合。如果螺丝在图3中所指定的位置中，则该螺丝降低由不对称凹槽所制成的耦合。在深凹槽附近，螺丝将降低耦合。当螺丝更深地进入空腔内部时，调节效果增加。

在一个实施例中，四个区段中的每一个在垂直于空腔的顶面和底面的方向上具有可变宽度，其中可变宽度在该区段的面向外壳的侧处最大。

在一个实施例中，电介质体110在面向外壳102的顶面104的侧上具有一个或多个孔洞114A、114B，在所述孔洞处插入一个或多个螺丝。所述螺丝可以被用于调节谐振器的频率。

在一个实施例中，电介质多模谐振器100进一步包括在谐振器体的切口中的一个或多个垂直螺丝116。所述螺丝可以被用于调节谐振器与滤波器中的其他谐振器的耦合。

在上面所描述的电介质体的形状的情况下，仅仅通过在陶瓷部分冲压工艺中调整谐振器体的高度来制造覆盖大频率范围、诸如从1800MHz频带直到2600MHz的频带的谐振器体是可能的。在制造工艺中只需要一个工具。这使得谐振器体的制造容易并且成本有效。

在一个实施例中，图1、2A-2C、3和4的上面所描述的示例支持TM01δ(x+y)双模谐振器或TM01δ(x+y+z)三模或TM01δ(x+y) + TE01δ(z)三模谐振器。电介质体110具有对着金属外壳的壁或侧面（如图1、2A和3中）或者矩形形状空腔中的边缘（如图4中）的大表面，其中在电介质体和金属外壳之间具有小空气间隙。在一个实施例中，间隙小于电介质体110的宽度的2%-10%。小间隙可能难以进行补偿以防在温度范围上的频率漂移并且其可能是对尺寸公差敏感的。大间隙可能不给出将TM01δ(x+y)模移位到其他模之下的优点。

在一个实施例中，不使用切口，而是电介质体110的面向金属外壳的侧面108A、108B、108C、108D的侧面是连续的。

在朝向电介质构件部分的中心的大表面之后，存在区域，该区域的横断面面积与对着金属外壳的侧面的区域相比更加小10%-50%，如图2B和2C中所图解的。当中心区域是薄且窄的时，该形状将TM01δ(z)和TE01δ(z)移位到更高频率，典型地从TM01δ(x+y)谐振频率高大约30%。因此，支持TM双模谐振器。当中心区域是薄的但宽的（y方向）时，可以得到在TM双模频率附近的TE01δ(z) ，因此可以支持三模谐振器。当中心区域是窄的但高的时，谐振器可以支持TM01δ(x+y+z)模。

在一个实施例中，如图1中所图解的，电介质体110在面向外壳102的顶面104的侧的中心具有孔洞120。孔洞可以延伸穿过谐振器体。孔洞120可以被用于螺丝固定，或者该孔洞可以通过银烧结而整个或部分地被电镀（如图4中所图解的具有镀层400）。因此，TM01 δ(x+y)的谐振频率可以被移位成低20%-50%。电镀降低Q因子。

例如，如果金属外壳100内部的空腔的尺寸是31(X) × 31(Y) × 32(Z) mm并且使用具有在40和45之间的ε_r 以及大约40000的FQ的商用40-45微波材料，要被滤波的信号的频率在1800MHz频带中，可以实现大约2×10000的双模Q因子，这意味着与具有相同体积的传统同轴空腔谐振器相比，Q/体积高5倍以上。因此，所提出的结构可以使滤波器的尺寸小型化。与TM单模或双模结构相比，Q因子是高的，其中一个或多个谐振器端部已经被电镀并且具有到金属外壳的侧面的直接接触。

所描述的谐振器结构中的最大电场（E场）在一焦耳存储能量的情况下保持相对低（<4x10⁸ V/m）。该值足够低以处理在400MHz到3500GHz频率范围之间的典型GSM、WCDMA和LTE频带基站滤波器中的峰值功率需求。因为损耗在电介质部分中是小的，所以在使用所提及的基站滤波器频带的滤波器中也可以处理高达150W的高平均输入功率（the highaverage input power up 150W）。

如所提及的，在外壳的侧面和电介质体的面向外壳的侧面之间可以存在间隙302A、302B、302C、302D。所述间隙补偿金属外壳102和电介质体110的线性温度膨胀的可能的不同的系数。此外，可以对谐振器进行补偿以防在温度范围上的频率漂移。假定金属外壳由铝制成，金属外壳内部的空腔典型地比电介质谐振器体更多地扩大。因此，电介质可以被选择成使得电介质的τε_r取决于电介质材料的温度膨胀系数而在0 ppm/°C附近或甚至是正的，以补偿尺寸改变。

所提出的谐振器结构的一个优点是在滤波器设计中对附接在相同底面上的如同同轴TEM模或单TM01模谐振器一样的单模谐振器的耦合机制。特殊空腔形状以及电介质体的侧面和空腔壁（外壳的侧面）之间的间隙实现到新颖的壁元件的良好耦合，所述壁元件也具有到单模谐振器的良好耦合。相同的壁形状可以被用于产生交叉耦合效应。

在滤波器中所需的电介质加载空腔中的模之间的耦合可以通过不对称空腔或如同螺丝一样的电介质体外部导电构件的不对称形状来产生。

额外的优点在于如同螺丝一样的调节元件可以被放置在如同空腔体的盖一样的同一个表面处。

图5图解射频滤波器500的一个示例，其中利用上面所描述的谐振器结构。图5的示例滤波器是六极点微波带通滤波器，该六极点微波带通滤波器包括两个同轴谐振器空腔502、504和两个双模电介质谐振器506、508。

第一同轴谐振器502可以是TEM模谐振器。同轴线510、诸如同轴电缆或连接器经由诸如金属线之类的传输线516而连接到位于第一同轴谐振器502的空腔514中的内部棒512。

谐振器502的同轴空腔谐振具有到谐振器506的电介质体518中的第二模的耦合。电介质体518典型地是具有大约8000-100000的FQ值和12到 80之间的相对介电常数ε_r的微波陶瓷材料。电介质体518由支撑结构520所支撑，所述支撑结构典型地具有相对低的相对介电常数（大约2到10的ε_r）。支撑结构典型地例如是氧化铝或塑料的。

谐振器506的电介质体518和空腔的形状和尺寸可以在滤波器通带处产生两个正交TM01δ(x-y)模。同轴谐振器502具有到TM01δ(x)模的耦合，该耦合具有对着壁522朝向同轴谐振器空腔的高E场。

在一个实施例中，上面提及的同轴谐振器是单模TM01谐振器。

图6图解在电介质加载空腔中的E场矢量方向。用矢量600、602指定TM01δ(y)E场，并且用矢量604、606指定TM01δ(x)E场。

谐振器506和TM01δ(x)具有彼此正交的磁场，因此典型地使用的磁场耦合保持非常低。然而，在一个实施例中，壁522在壁的中心部分的两侧具有窗孔（irises）或槽。此外，在壁的顶侧上可以存在间隙710。因此，窗孔之间的壁区段的高度比窗孔与壁的端部之间的壁区段更短。因此，其作为耦合元件运行。壁522具有到同轴谐振器502的磁场耦合和到TM01δ(x)的电场耦合。耦合可以通过窗孔深度和宽度以及中心部分宽度和到顶层的中心部分间隙来控制。

图7A和7B图解在空腔之间的壁的所提出的结构，所述结构产生单模TM01或同轴谐振器空腔502到TM01δ(x+y)空腔之间的耦合。图7A示出两个空腔700、702和空腔之间的壁704。该壁具有两个窗孔或槽706、708，所述窗孔位于壁的上部边缘中，并且所述窗孔在壁的中心的不同侧上。在一个实施例中，从壁的端部到窗孔的距离对于每个窗孔而言是不同的。

在一个实施例中，壁的顶侧上的间隙710可以距空腔顶层712为1到5mm。当窗孔706、708具有相同深度时，到TM01δ(y) 模的耦合是弱的并且主耦合是到TM01δ(x)的。所谓的交叉耦合是较小的。当窗孔深度被增加时，耦合增加。中心部分可以在壁的中间或者在任一侧上，从而增加交叉耦合效应并且最小化寄生耦合，这由于谐振元件之间的小距离而趋向于存在于多模设计中。

返回到图5，耦合的精细调节可以通过调节螺丝524来进行。诸如在1800MHz频带处70MHz以上的高耦合可以通过壁部分形状产生，该壁部分形状具有在通带附近在通带频率之上大约20%的自谐振。如果壁的谐振被增加，则耦合降低。

通过以下壁形状产生从同轴空腔502到TM01δ(y)模、棒512的耦合是可能的，在该壁形状中窗孔或槽深度不同，如图7A中的情况。这被称为交叉耦合，并且其实现产生在通带滤波器中的通带之下或之上的陷波的拓扑。

当壁窗孔具有不同深度时，壁中的磁场旋转到TM01δ(y)的方向，并且产生耦合效应。当壁的窗孔具有相同深度时，与同轴谐振器502和TM01δ(x)模之间的主耦合相比，交叉耦合效应是小的（<10%）。

可以通过不对称电介质体或使用空腔边缘处的如同（多个）螺丝116一样的导电部分或不对称空腔形状来产生电介质加载空腔中的TM模之间的耦合。

TM01δ(x)谐振频率可以通过螺丝114B来调节，并且TM01δ(y)可以通过螺丝114A来调节。

在第二空腔506和第三空腔508之间的TM01δ(y)模之间的耦合可以通过在滤波器的中心处的壁528中的窄窗孔和调节螺丝526来产生。这是传统磁场耦合。在图8中图解了这些H场矢量。用矢量800、802指定TM01δ(y)磁场（H场），并且用矢量804、806指定TM01δ(x)电场（E场）。

第三空腔508和第四空腔504之间的耦合拓扑和结构继续朝向输出端530，如在第一空腔502和第二空腔506之间那样。

图9图解射频滤波器的另一个示例，其中利用上面所描述的谐振器结构。如同在图5的示例中一样，图9的示例滤波器是八极点微波带通滤波器，该八极点微波带通滤波器包括两个同轴谐振器空腔502、504和两个双模电介质谐振器506、508。可以使用与在图5的示例中相同的电介质体形状和耦合解决方案。滤波器的U形形状对耦合没有影响。

对本领域技术人员而言将明显的是，随着技术发展，发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上面所描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种射频滤波器，所述射频滤波器包括至少一个电介质TM01多模谐振器，所述谐振器包括：

金属外壳，所述金属外壳具有顶面、底面、在所述顶面和所述底面之间的四个扇段，并且其中包括谐振器空腔；

被定位在所述空腔内部的电介质体，所述电介质体在所述空腔的顶面和底面之间具有第一厚度，其中在所述外壳的扇段和所述电介质体之间存在间隙；

所述电介质体包括在面向所述外壳的顶面的表面上以及在面向所述外壳的底面的表面上的凹部，所述电介质体因此在所述凹部的位置处具有第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度，其中所述电介质体具有四个切口，所述切口将所述电介质体的面向所述外壳的扇段划分成四个区段。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述间隙的尺寸在所述金属外壳的宽度的2%到10%之间。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述四个区段中的每一个在垂直于所述空腔的顶面和底面的方向上具有可变宽度，其中所述可变宽度在该区段的面向所述外壳的侧处最大。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其中所述凹部部分地延伸到所述电介质体的四个区段中。

5.根据权利要求1所述的滤波器，所述谐振器进一步包括所述电介质体的切口中的一个或多个螺丝。

6.根据任一前述权利要求所述的滤波器，其中所述空腔和所述电介质体具有长方体形状。

7.根据权利要求1至5中的任何一项所述的滤波器，其中所述第二厚度比所述第一厚度小20%到50%。

8.根据权利要求1至5中的任何一项所述的滤波器，其中所述电介质体在面向所述外壳的顶面的侧上具有一个或多个孔洞，在所述孔洞处插入一个或多个螺丝。

9.根据权利要求1至5中的任何一项所述的滤波器，其中所述电介质体具有在面向所述外壳的顶面的侧的中心中的孔洞，所述孔洞延伸穿过所述电介质体。

10.根据权利要求9所述的滤波器，其中在所述中心中的孔洞至少部分地电镀有金属。

11.根据权利要求1至5中的任何一项所述的滤波器，其中在所述电介质体的顶部和底部上的凹部具有相同的尺寸和形式。

12.根据权利要求1至5中的任何一项所述的滤波器，其中

所述滤波器包括至少两个同轴谐振器和连接在所述同轴谐振器之间的至少一个电介质多模谐振器，

每个谐振器与相邻谐振器通过壁分离，

同轴谐振器和所述至少一个电介质多模谐振器之间的耦合用所述壁中的两个窗孔来实现，所述窗孔位于所述壁的上部边缘中，所述窗孔在距所述壁的中心的不同侧上。

13.根据权利要求12所述的滤波器，其中从所述壁的端部到所述窗孔的距离对于每个窗孔而言是不同的。

14.根据权利要求12所述的滤波器，其中所述窗孔之间的壁区段的高度比所述窗孔与所述壁的端部之间的壁区段更短。

15.根据权利要求13所述的滤波器，其中所述窗孔之间的壁区段的高度比所述窗孔与所述壁的端部之间的壁区段更短。