CN107910624A - 介质加载可调滤波器及其设计方法、可调双工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质加载可调滤波器，包括：矩形波导，其腔体被设置于腔体内的一组平行于E面的隔墙分隔为若干谐振腔，该矩形波导的一侧宽边管壁上对应于每个谐振腔的位置至少开设有一个狭缝，狭缝沿E面的等分线分布且狭缝的长度方向平行于E面；调谐介质片，其为具有一组梳齿片的梳状结构，各梳齿片的长度和厚度相同，该梳状结构的所有梳齿片可同时无摩擦地经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并且插入每个谐振腔的梳齿片数量均相同；驱动机构，用于驱动调谐介质片并调节插入深度。本发明还公开了该滤波器的设计方法及一种可调双工器。本发明具有更优良的电气性能，且结构更简单，生产成本更低。

Description

介质加载可调滤波器及其设计方法、可调双工器

技术领域

本发明涉及一种可调滤波器，尤其涉及一种介质加载可调滤波器。

背景技术

可调滤波器是微波重构系统的重要组成部分，广泛的运用于跳频电台、电子对抗、多功能接收机、动态频率分配系统等方面。常见的可调滤波器多采用射频开关控制加载电容的方式，或者压电电容的方式实现，这些可调滤波器只能工作在较低的频段。

近年来由于通信系统发展的需要，微波频段的可调滤波器有了广泛的需要。为了能够满足在微波较高的频段使用，射频波段可调滤波器的设计方法显然不再适用。为了能够在微波频段设计合格的可调滤波器，目前都采用在波导滤波器的基础上，加调谐机制实现。对于波导可调滤波器，是近几年微波点对点通讯研究的一个热门课题，国内外的各大通讯设备制造商，如华为、中兴、NEC、爱立信等都对该领域开展深入的研究。其中NEC最早于2005年就开始该方面的研究，并且于2010年就发表了相关的研究成果。

目前在微波领域采用的方法主要有如下几种：1、日本NEC公司提出的介质旋转方式实现可调滤波器(专利号：WO2010150815A1)，用一片高介电常数的介质作为调谐机构，通过步进马达带动一个轴旋转的方式转动介质片调谐，从而实现一个可调的效果。2、华为公司的介质板平推方式，也是用一片高介电常数的介质片作为调谐机构，用两根高强度的介质支撑杆进行推动的方式进行调谐。这两种方式实现的可调滤波器可以工作到k波段，具有较高的性能。但是这两种方法都有缺点：1、这两种形式的可调滤波器的滤波器本身都是采用E面金属膜片隔墙形式的滤波器，这种由于输入和输出端的的膜片厚度非常细，因此，该形式的滤波器首先带宽不能做的很宽，同时金属膜片容易损坏，从根本上就限制了这两种可调滤波器的性能；2、滤波器分割谐振腔之间的隔墙采用膜片式的结构，导致调谐机构只能在半个腔体中调节，限制了调谐的范围，导致调谐带宽不够宽，据报道，可调带宽仅2％--5％；3、调谐过程中带外抑制、带内插损以及带内回波恶化严重，带宽随着调谐不断的变化。

此外，NEC方案的最大缺点是介质片最多只能旋转90度，因此调谐非常敏感，为了降低调谐的敏感度，NEC采用了一个由多个齿轮组成类似一个变速箱的减速结构，该结构降低调谐的敏感度度；但是该减速结构的缺点也是十分明显首先结构复杂，体积大成本很高；其次由于减速结构存在扭力问题，工作过程中马达必须一直通电保持锁定状态，既降低了马达的寿命，又增加能耗。华为的方案用介质片平推，但是支持的介质的推动杆不能用金属，只能用高强度的介质杆，容易损坏，且如何保证安装的一致性以及马达驱动时保证向前推动的平衡性也是一个很大的难题。

江苏贝孚德通讯科技股份有限公司给出一种用步进马达带动铍青铜膜片作实现的可调滤波器可在很宽的范围内调谐(专利号：ZL201521082510.4)，但是铍青铜含有剧毒金属铍，在很多的国家属于禁止使用的材料。由于金属表面存在电流，若要减小泄漏，必须将调谐片接触的很好，这样就会有很大的摩擦力，导致马达推不动调谐片，因此该方案的泄漏问题也是一个非常难解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种介质加载可调滤波器，其具有更优良的电气性能，且结构更简单，生产成本更低。

本发明具体采用以下技术方案：

一种介质加载可调滤波器，包括：

矩形波导，该矩形波导的腔体被设置于腔体内的一组平行于E面的隔墙分隔为若干谐振腔，该矩形波导的一侧宽边管壁上对应于每个谐振腔的位置至少开设有一个狭缝，所述狭缝沿E面的等分线分布且狭缝的长度方向平行于E面；

调谐介质片，其为具有一组梳齿片的梳状结构，各梳齿片的长度和厚度相同，该梳状结构的所有梳齿片可同时无摩擦地经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并且插入每个谐振腔的梳齿片数量均相同；

驱动机构，用于驱动调谐介质片上的所有梳齿经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并调节插入深度。

优选地，所述调谐介质片的材质为高频微波PCB基片。

优选地，所述矩形波导由两片大致对称的部件组合而成，所述隔墙与所述部件一体化成型。

优选地，所述介质加载可调滤波器还包括用于抑制谐波的低通滤波单元。

优选地，所述驱动机构包括步进电机和控制器。

优选地，每个谐振腔只有一个狭缝，该谐振腔所对应的所有梳齿片均经由该狭缝插入所述矩形波导的腔体内。或者，每个谐振腔具有与每个谐振腔所对应梳齿片同样数量的狭缝，狭缝与梳齿片一一对应，每个狭缝的长、宽尺寸略大于其所对应梳齿片的宽度、厚度。

如上任一技术方案所述介质加载可调滤波器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、根据所述介质加载可调滤波器的基本拓扑结构，计算出其耦合矩阵；

步骤2、根据所得到的耦合矩阵设计不带调谐介质片的波导滤波器的尺寸参数；所述不带调谐介质片的波导滤波器的中心频率为所要求可调频率的上限值，其它参数满足指标要求；

步骤3、在所设计的不带调谐介质片的波导滤波器的基础上，以中心频率为所要求可调频率的下限值且其它参数满足指标要求作为目标，依据设定的插入每个谐振腔的梳齿片数量以及所使用调谐介质片材料的介电常数、厚度，计算出所述不带调谐介质片的波导滤波器中每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数；

步骤4、根据所得到的每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数，得到调谐介质片的梳齿片的尺寸参数，进而得到调谐介质片整体的尺寸参数。

利用本发明介质加载可调滤波器还可以得到以下技术方案：

一种可调双工器，包括高端滤波器、低端滤波器，以及连接所述高端滤波器和低端滤波器的波导环形器，所述高端滤波器和/或低端滤波器为如上任一技术方案所述介质加载可调滤波器。

一种可调双工器，其为如上任一技术方案所述介质加载可调滤波器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明在E面波导滤波器的基础上，在E面中心开缝并采用梳状结构的调谐介质片作为调谐机构；由于调谐介质片本身是绝缘体，表面不存在电流，并且调谐介质片是从E面中心开缝伸入波导腔体内部进行调谐的，由矩形波导的传输特性可知，不存在泄漏的问题，因此，调谐介质片和波导管壁之间可留有一定的间隙，由于该间隙的存在，调谐介质片和金属管壁之间几乎不存在摩擦力，因此只需要很小的推力就可以推动调谐介质片，有利于驱动机构的小型化。另外，由于该调谐介质片是由E面中心插入，该方式在调谐方面还有另外两个优点：1、调谐不是是很敏感，因此不需要变速结构；2、调谐时滤波器中心频率移动和调谐片伸入滤波器腔内的距离几乎是线性关系，因此调谐时很容易控制所需要的滤波器中心频率。此外，本发明滤波器被设计为在可调范围内的每一个中心频率点位置都遵循同一个耦合矩阵，由此可以保证可调滤波器在整个调谐范围内带宽几乎不变。

附图说明

图1为本发明可调双工器一个具体实施例的结构示意图；

图2为具体实施例中介质加载可调滤波器的部件结构示意图；

图3为具体实施例中组成矩形波导的其中一个部件的结构示意图；

图4为具体实施例中介质加载可调滤波器的调谐介质片结构示意图；

图5为计算出的不带调谐介质片的波导滤波器的尺寸参数；

图6为计算出的调谐介质片各梳齿片的尺寸参数；

图7和图8分别为本发明介质加载可调滤波器的回波和传输系数。

图中附图标记含义如下：

1、控制器，2、高端滤波器的驱动电机，3、低端滤波器的驱动电机，4、波导环形器，5、高端滤波器的矩形波导，6、低端滤波器的矩形波导，7、高端滤波器的调谐介质片，8、低端滤波器的调谐介质片，9、带通滤波器，10、低通滤波单元，901、隔墙，902、狭缝。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的思路是在E面波导滤波器的基础上，在E面中心开缝并采用梳状结构的调谐介质片作为调谐机构，从而获得一种具有更优良的电气性能，且结构更简单，生产成本更低的介质加载可调滤波器。

具体而言，本发明介质加载可调滤波器，包括：

矩形波导，该矩形波导的腔体被设置于腔体内的一组平行于E面的隔墙分隔为若干谐振腔，该矩形波导的一侧宽边管壁上对应于每个谐振腔的位置至少开设有一个狭缝，所述狭缝沿E面的等分线分布且狭缝的长度方向平行于E面；

调谐介质片，其为具有一组梳齿片的梳状结构，各梳齿片的长度和厚度相同，该梳状结构的所有梳齿片可同时无摩擦地经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并且插入每个谐振腔的梳齿片数量均相同；

驱动机构，用于驱动调谐介质片上的所有梳齿经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并调节插入深度。

还可以基于上述介质加载可调滤波器获得一种可调双工器，包括高端滤波器、低端滤波器，以及连接所述高端滤波器和低端滤波器的波导环形器，所述高端滤波器和/或低端滤波器为上述介质加载可调滤波器。上述方案适用于要求多个不同带间距的情况，如果双工器所要求带间距只有一个或者虽然是多个带间距但是带间距大小很相近的情况下，则可以直接使用上述介质加载可调滤波器作为可调双工器。

为了便于公众理解，下面结合以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明可调双工器一个具体实施例的结构，要求在18GHz频段内可调。如图1所示，本实施例的可调双工器使用两个本发明的介质加载可调滤波器分别作为高端滤波器和低端滤波器。高端滤波器和低端滤波器通过波导环形器4连接，这样可保证高端和低端滤波器互相不干扰。如图1所示，高端滤波器和低端滤波器各包含一个驱动电机、一个矩形波导和一个调谐介质片，调谐介质片在驱动电机的驱动下可插入矩形波导的腔体内。图中2、3分别为高端滤波器的驱动电机和低端滤波器的驱动电机，5、6分别为高端滤波器的矩形波导和低端滤波器的矩形波导，7、8分别为高端滤波器的调谐介质片和低端滤波器的调谐介质片，控制器1可自行或在上位机的命令下对驱动电机2、3的动作进行控制。

图2显示了其中作为高端滤波器和低端滤波器的本发明介质加载可调滤波器的部件结构爆炸图，如图所示，其包括两片大致对称的部件和一片梳状结构的用于调谐的调谐介质片，两片大致对称的部件可组合成一个矩形波导，调谐介质片上的梳齿片可插入矩形波导的腔体内。两片大致对称的部件可通过将完整矩形波导沿其E面中线剖开得到，将矩形波导的腔体分隔为若干谐振腔的一组隔墙通过一体成型方式直接加工在部件上。这样就不需要在滤波器中像华为和NEC的方案那样，插入一个镀银的薄铜片，因此，其结构更可靠，且可以将滤波器的带宽设计成需要的带宽，而不会因为由于输入输出存在很薄的铜片的限制。

图3显示了组成矩形波导的其中一个部件的结构。该介质加载可调滤波器除了中心频率可调的带通滤波器9以外，还包括一个用于抑制谐波的低通滤波单元10。但该低通滤波单元并非本发明介质加载可调滤波器的必要部分，可根据实际情况增减。根据图3可以看出，该矩形波导的腔体被设置于腔体内的一组平行于E面的隔墙901分隔为若干谐振腔，在矩形波导的一侧宽边管壁上对应于每个谐振腔的位置至少开设有一个狭缝902，所述狭缝沿E面的等分线分布且狭缝的长度方向平行于E面。本实施例中每个谐振腔具有两个狭缝902，用于插入调谐介质片的梳齿部分；当然也可以为每个谐振腔只开设一个更长的狭缝，两个梳齿片都通过该狭缝插入。由于这些狭缝902是沿E面中线剖分，不分割波导表面电流，而插入的介质片本身属于绝缘材料，表面也不会存在电流，因此该处不存在电磁信号泄漏的问题，狭缝的尺寸也可稍大于调谐介质片的梳齿部分尺寸，进行调谐时基本不会产生摩擦，这样就很巧妙地避免了调谐时的摩擦力和电磁信号泄漏之间的矛盾。

图4显示了调谐介质片的结构。本实施例中的调谐介质片采用低损耗的高频微波PCB基片，材料型号为“Taconic RF-35(tm)”，其介电常数3.5，厚度为0.5mm。当然，也可以采用其他的介电常数的PCB基板材料。如图4所示，调谐介质片被设计成具有一系列梳齿片的梳状结构，每个谐振腔对应两个梳齿片，可通过谐振腔上的两个狭缝902插入谐振腔内。当然更多的梳齿片也是可行的，只是更多梳齿片会增加成本，且齿数目较多，会影响该调谐介质片的强度。该介质片的介电常数和厚度会影响调谐的敏感度，介电常数越高，介质片越厚，则调谐的敏感度就越高，相应的介质片进入同样的深度，频率向低调谐的范围就越大，相应的调谐频率的精度控制难度也就越大；相反介电常数越低，介质片厚度越小，调谐的敏感度就越低，介质片进入同样的深度，频率调谐的范围就越小，但是相应的调谐频率的精度越容易控制。因此需要根据实际需要综合考虑选取的介电常数和介质片厚度。

下面以上述18GHz频段内可调双工器中的高端滤波器为例来说明本发明介质加载可调滤波器的设计方法。该带通滤波器的指标要求如下：

1、通带：f₀±150MHz；带宽变化：≤300MHz±15MHz；

2、回波：≥16dB

3、中心插损：≤1.0dB

4、带外抑制：≥70dB@f₀±1000MHz

5、中心频率f₀可调范围：18.5GHz--19.7GHz

其设计过程具体如下：

步骤1、根据所述介质加载可调滤波器的基本拓扑结构，计算出其耦合矩阵；

可直接使用现有商业软件(例如Couplefil)得到该滤波器的耦合矩阵如下：

步骤2、根据所得到的耦合矩阵设计不带调谐介质片的波导滤波器的尺寸参数；所述不带调谐介质片的波导滤波器的中心频率为所要求可调频率的上限值，其它参数满足指标要求；

利用HFSS这样的商业软件，以上的耦合矩阵计算出没有加载介质调谐片时中心频率为19.7GHz，回波、带宽、带外抑制均满足指标要求的波导滤波器，设计出的波导滤波器的尺寸如图5所示。

步骤3、在所设计的不带调谐介质片的波导滤波器的基础上，以中心频率为所要求可调频率的下限值且其它参数满足指标要求作为目标，依据设定的插入每个谐振腔的梳齿片数量以及所使用调谐介质片材料的介电常数、厚度，计算出所述不带调谐介质片的波导滤波器中每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数；

步骤4、根据所得到的每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数，得到调谐介质片的梳齿片的尺寸参数，进而得到调谐介质片整体的尺寸参数；

在上述不带调谐介质片的波导滤波器的基础上，设计一个中心频率为18.5GHz，回波、带宽、带外抑制均满足指标要求的调谐介质片加载波导滤波器。其腔体部分尺寸保持上面的波导腔体尺寸不变，选择的介质片的形状如图4所示，每一个谐振腔中有两个介质片梳齿结构。介质的介电常数为3.5、厚度为0.5mm。由滤波器的归一化原理可知，该滤波器同样满足计算出的耦合矩阵。同样利用商业软件HFSS，根据计算出的耦合矩阵，设计中心频率为18.5GHz，带宽为300MHz的带通滤波器。此时设计滤波器时，滤波器的腔体尺寸必须保持不变，只是设计调谐介质片每一个梳齿片的宽度和间隔，介质片在每一个谐振腔中伸入的尺寸必须都保持一致。由此计算得到的介质片结构尺寸如图6所示，每一个谐振腔中介质片伸入的深度均为4.96mm。该滤波器的中心频率和介质伸入腔体的深度基本上保持线性的关系，因此只需要计算好中心频率最高时(即介质片不插入滤波器腔体时)滤波器的腔体尺寸，然后再在最低中心频率点时计算出介质片的详细的尺寸即可。介于最高和最低频率点之间的所有的通带，通过介质片插入腔体中的深浅不同就可以得到。

图7和图8分别给出了该介质加载可调滤波器在调谐介质片伸入谐振腔中的深度分别是0.2mm、2.7mm和4.96mm的三个状态下，滤波器的回波和传输系数，由图可见该滤波器在18.5GHz--19.7GHz的频率范围内通过介质片调谐时，具有良好的回波和损耗，且带宽可以保持基本不变。

Claims (10)

1.一种介质加载可调滤波器，其特征在于，包括：

矩形波导，该矩形波导的腔体被设置于腔体内的一组平行于E面的隔墙分隔为若干谐振腔，该矩形波导的一侧宽边管壁上对应于每个谐振腔的位置至少开设有一个狭缝，所述狭缝沿E面的等分线分布且狭缝的长度方向平行于E面；

调谐介质片，其为具有一组梳齿片的梳状结构，各梳齿片的长度和厚度相同，该梳状结构的所有梳齿片可同时无摩擦地经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并且插入每个谐振腔的梳齿片数量均相同；

驱动机构，用于驱动调谐介质片上的所有梳齿经由所述狭缝插入所述矩形波导的腔体内，并调节插入深度。

2.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，所述调谐介质片的材质为高频微波PCB基片。

3.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，所述矩形波导由两片大致对称的部件组合而成，所述隔墙与所述部件一体化成型。

4.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，其还包括用于抑制谐波的低通滤波单元。

5.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，所述驱动机构包括步进电机和控制器。

6.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，每个谐振腔只有一个狭缝，该谐振腔所对应的所有梳齿片均经由该狭缝插入所述矩形波导的腔体内。

7.如权利要求1所述介质加载可调滤波器，其特征在于，每个谐振腔具有与每个谐振腔所对应梳齿片同样数量的狭缝，狭缝与梳齿片一一对应，每个狭缝的长、宽尺寸略大于其所对应梳齿片的宽度、厚度。

8.如权利要求1～7任一项所述介质加载可调滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据所述介质加载可调滤波器的基本拓扑结构，计算出其耦合矩阵；

步骤2、根据所得到的耦合矩阵设计不带调谐介质片的波导滤波器的尺寸参数；所述不带调谐介质片的波导滤波器的中心频率为所要求可调频率的上限值，其它参数满足指标要求；

步骤3、在所设计的不带调谐介质片的波导滤波器的基础上，以中心频率为所要求可调频率的下限值且其它参数满足指标要求作为目标，依据设定的插入每个谐振腔的梳齿片数量以及所使用调谐介质片材料的介电常数、厚度，计算出所述不带调谐介质片的波导滤波器中每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数；

步骤4、根据所得到的每个谐振腔中需增加的介质片的尺寸参数，得到调谐介质片的梳齿片的尺寸参数，进而得到调谐介质片整体的尺寸参数。

9.一种可调双工器，包括高端滤波器、低端滤波器，以及连接所述高端滤波器和低端滤波器的波导环形器，其特征在于，所述高端滤波器和/或低端滤波器为如权利要求1～7任一项所述介质加载可调滤波器。

10.一种可调双工器，其特征在于，其为如权利要求1～7任一项所述介质加载可调滤波器。