CN108390137B - 一种耦合结构介质谐振器滤波器 - Google Patents

一种耦合结构介质谐振器滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种耦合结构介质谐振器滤波器，主要解决介质谐振器滤波器不能同时实现结构小型化和提高通带选择性的问题。其包括矩形波导外腔，y轴向放置第一介质谐振器，z轴向放置第二介质谐振器，x轴向放置第三介质谐振器，环形馈线，射频接头。三个介质谐振器中心对称且结构尺寸相同，其中第一和第三介质谐振器的几何中心位于矩形波导传输方向的轴线上，第二介质谐振器几何中心偏移矩形波导传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴的角平分线上，通过调整偏移量的大小及偏移方向实现谐振器之间的直接耦合与交叉耦合大小可控，从而达到控制滤波器带宽与传输零点位置的目的，并实现滤波器结构的小型化。

Description

一种耦合结构介质谐振器滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种介质谐振器滤波器，具体涉及一种耦合结构介质谐振器滤波器，可用于无线通信系统射频前端。
背景技术
随着无线通信的快速发展，频谱资源变得非常紧张，因此对微波滤波器性能提出了更高的要求。高选择性，低插损，高功率容量，质量轻，热稳定性好等特性微波滤波器开始广泛受到关注。介质谐振器由于其选取介电常数高，高品质因数且热稳定系数高的陶瓷介质材料，并使用TE01δ模或更高阶的HE11模等谐振模式广泛应用于微波滤波器的设计。同时由于介质谐振器微波电路的元件尺寸相匹配，可广泛地应用在混合微波电路中，而空腔谐振器是难以实现的。介质谐振器有不同的形状，能够激发不同模式的电磁波，具有平面布局排列的TE01δ模圆柱形介质谐振器有许多优点，广泛的应用于移动通信系统的基站中。通常在TE01δ模介质滤波器中，多采用直接级联耦合形式实现滤波器的设计，为了实现带外高选择性通常采用多级级联势必会增加整体滤波器的体积，为了既提高带外选择性又不增加体积，需要引入交叉耦合结构。交叉耦合是滤波器的非相邻谐振腔之间形成耦合从而在其通带外实现有限传输零点的一种方式，这种方式使得滤波器在不增加级数的情况下能提高指标，用更少的谐振器数目实现相同的指标，从而满足现代通信终端的小型化需求。同时，合理调整滤波器带外传输零点的位置，不仅可以提高带外抑制，还可以改善通带内的群时延特性。因此，交叉耦合滤波器受到国内外众多学者越来越高的重视，其综合设计、实现技术及调试方法成了当前滤波器研究的热点。但由于传统的带有交叉耦合结构介质滤波器较复杂且仍会增加一定的尺寸和加工难度，因此带有交叉耦合直线型结构的介质谐振器滤波器开始受到广泛关注。
例如，2012年，Simone Bastioli等人在IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques期刊(vol.60,NO.12,pp.3988-4001,2012)上发表了“InlinePseudoelliptic TE01δ-Mode Dielectric Resonator Filters Using MultipleEvanescent Modes to Selectively Bypass Orthogonal Resonators”，提出了一种在矩形波导结构中正交放置三个圆柱体介质谐振器，采用环形馈线结构实现外部耦合，通过在波导棱上加载倾斜45°金属杆或不对称金属膜片产生两个正交的消逝模式之间的耦合，从而实现相邻正交介质谐振器之间的耦合，构成级联三级谐振器之间的交叉耦合结构，达到设计准椭圆函数滤波器的目的，然而由于引入了金属杆和不对称金属膜片势必会带来滤波器结构尺寸过大，不能实现滤波器的小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种耦合结构介质谐振器滤波器，实现滤波器结构的小型化。
本发明的技术思路是：采用三个正交的中心对称介质谐振器顺次固定在矩形波导中，y轴向放置第一介质谐振器，z轴向放置第二介质谐振器，x轴向放置第三介质谐振器，第一介质谐振器和第三介质谐振器几何中心均位于波导传输方向轴线上，第二介质谐振器几何中心位于x轴和y轴的角平分线上，仅通过调整偏移点到波导传输方向轴线的距离，即可改变相邻谐振器之间的直接耦合与非相邻谐振器之间的交叉耦合大小，灵活控制滤波器带宽及带外传输零点的位置。
根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：
一种耦合结构介质谐振器滤波器，包括两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3和第三介质谐振器4；
所述第一介质谐振器2、第二介质谐振器3和第三介质谐振器4均采用中心对称结构，其中第一介质谐振器2的中心轴线与y轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导1传输方向的轴线上；第三介质谐振器4的中心轴线与x轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导1传输方向的轴线上；所述第二介质谐振器3的中心轴线与z轴平行，且该谐振器几何中心偏移矩形波导1传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器2的耦合，同时实现与第三介质谐振器4的耦合；
所述矩形波导1的两端各固定一个射频接头5，射频接头5的内导体连接有环形馈线6；
所述第一介质谐振器2位于矩形波导1一端固定的环形馈线6附近，用于实现与环形馈线6与的耦合，所述第三介质谐振器4位于矩形波导1另一端固定的环形馈线6附近，用于实现与环形馈线6的耦合。
作为优选，所述矩形波导1，采用正方形波导。
作为优选，所述第一介质谐振器2、第二介质谐振器3和第三介质谐振器4采用相同的圆柱体结构，高度H与半径R满足H≤2.03R。
作为优选，所述环形馈线6，采用六分之一圆环形馈线结构，该环形馈线圆环所在平面与环形馈线耦合的介质谐振器底所在平面平行，且环形馈线圆环与环形馈线耦合的介质谐振器同圆心。
作为优选，所述第二介质谐振器3，其位于x轴和y轴角平分线上偏移点到矩形波导1传输方向的轴线距离，以及该第二介质谐振器3与第一介质谐振器2和与第三介质谐振器4之间的距离，均是根据与该第二介质谐振器3耦合的谐振器耦合量的大小确定。
作为优选，所述射频接头5，位于矩形波导1端面两条对角线的交点上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明仅通过改变第二介质谐振器在x轴和y轴的角平分线上的偏移量，即可改变非相邻谐振器之间的交叉耦合强度，从而实现滤波器的小型化，同时实现带外有限频率处增加传输零点，提高了滤波器的带外抑制度。
2.本发明通过改变第二介质谐振器在x轴和y轴的角平分线上的偏移量及与其耦合的两个介质谐振器的距离，可以改变相邻谐振器之间的直接耦合强度，从而控制滤波器的带宽。
附图说明
图1为本发明实施例1的三维结构示意图；
图2为本发明实施例2的三维结构示意图；
图3为本发明实施例1的频率响应曲线图；
图4为本发明实施例2的频率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
参照图1，本发明包括两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6；
所述矩形波导1，采用上盖板可拆卸的正方形波导，正方形边长为a，a＝31.6，两端打有通孔方便装配射频接头5；
所述第一介质谐振器2、第二介质谐振器3和第三介质谐振器4采用相同的圆柱体结构，均工作于TE01δ模式，并采用相对介电常数为1的泡沫固定在矩形波导1中，厚度H＝8半径R＝8，相对介电常数为εr，εr＝38；
所述第一介质谐振器2的中心轴线与y轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导1传输方向的轴线上；第三介质谐振器4的中心轴线与x轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导1传输方向的轴线上；
所述第二介质谐振器3中心轴线与z轴平行，且该介质谐振器几何中心偏移矩形波导1传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴在第一象限的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器2的耦合以及与第三介质谐振器4的耦合，同时实现非相邻的第一介质谐振器2和第三介质谐振器4之间的负耦合，耦合量的大小通过第二介质谐振器3偏移点到波导传输方向轴线距离s来控制，s＝3，但s不限于3；
所述第一介质谐振器2与第二介质谐振器3之间的距离为L1，所述第二介质谐振器3与第三介质谐振器4之间的距离为L2，通过改变L1的大小控制第一介质谐振器2与第二介质谐振器3之间的耦合，通过改变L2的大小控制第二介质谐振器3与第三介质谐振器4之间的耦合，其中L1＝L2＝24，但L1、L2不限于24；
所述第一介质谐振器2位于矩形波导1一端固定的环形馈线6附近，用于实现与环形馈线6与的耦合，所述第三介质谐振器4位于矩形波导1另一端固定的环形馈线6附近，用于实现与环形馈线6的耦合；
所述环形馈线6，采用六分之一圆环形馈线结构，该环形馈线圆环所在平面与环形馈线耦合的介质谐振器底所在平面平行，且环形馈线圆环与环形馈线耦合的介质谐振器同圆心，半径相差为d，通过改变圆环形馈线到其耦合的谐振器之间的距离控制耦合量的大小，其中d＝2，但d不限于2；
所述射频接头5，位于矩形波导1端面两条对角线的交点上，内导体环形馈线6相连接，采用阻抗为50欧姆商用SMA或K型射频接头；
本实施例滤波器的频率响应曲线如图3所示，图3中的S21为滤波器的传输特性曲线，S11为滤波器的反射特性曲线。由图3可知，通带的中心频率为3.22GHz，相对带宽为1.6％，传输零点位于通带高频阻带处。该滤波器具有较低的插入损耗，较好的带外抑制特性和通带性能，同时实现了传输零点的位置与极性可控。
实施例2：
参照图2，本发明包括两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6；
所述两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6与实施例1相同；
与实施例1不同的是，所述第二介质谐振器3偏移矩形波导1传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴在第二象限的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器2的耦合以及与第三介质谐振器4的耦合，同时实现非相邻的第一介质谐振器2和第三介质谐振器4之间的正耦合，耦合量的大小通过第二介质谐振器3偏移点到波导传输方向轴线距离s来控制，s＝3，但s不限于3；
本实施例滤波器的频率响应曲线如图4所示，图4中的S21为滤波器的传输特性曲线，S11为滤波器的反射特性曲线。由图4可知，通带的中心频率为3.22GHz，相对带宽为1.6％，传输零点位于通带低频阻带处。该滤波器具有较低的插入损耗，较好的带外抑制特性和通带性能，同时实现了传输零点的位置与极性可控。
实施例3：
本发明包括两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6；
所述两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6与实施例1相同；
与实施例1不同的是，所述第二介质谐振器3偏移矩形波导1传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴在第三象限的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器2的耦合以及与第三介质谐振器4的耦合，同时实现非相邻的第一介质谐振器2和第三介质谐振器4之间的正耦合，耦合量的大小通过第二介质谐振器3偏移点到波导传输方向轴线距离s来控制，s＝3，但s不限于3；
本实施例滤波器的频率响应曲线与实施例1相同。
实施例4：
本发明包括两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6；
所述两端封闭的矩形波导1，以及顺次固定在矩形波导1腔体内的第一介质谐振器2、第二介质谐振器3、第三介质谐振器4和固定在矩形波导1两端射频接头5及连接在射频接头5上的环形馈线6与实施例1相同；
与实施例1不同的是，所述第二介质谐振器3偏移矩形波导1传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴在第四象限的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器2的耦合以及与第三介质谐振器4的耦合，同时实现非相邻的第一介质谐振器2和第三介质谐振器4之间的正耦合，耦合量的大小通过第二介质谐振器3偏移点到波导传输方向轴线距离s来控制，s＝3，但s不限于3；
本实施例滤波器的频率响应曲线与实施例2相同。
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 (6)

1.一种耦合结构介质谐振器滤波器，包括两端封闭的矩形波导(1)，以及顺次固定在矩形波导(1)腔体内的第一介质谐振器(2)、第二介质谐振器(3)和第三介质谐振器(4)；
所述第一介质谐振器(2)、第二介质谐振器(3)和第三介质谐振器(4)均采用中心对称结构，其中第一介质谐振器(2)的中心轴线与y轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导(1)传输方向的轴线上；第三介质谐振器(4)的中心轴线与x轴平行，且该谐振器的几何中心位于矩形波导(1)传输方向的轴线上；
所述矩形波导(1)的两端各固定一个射频接头(5)，射频接头(5)的内导体连接有环形馈线(6)；
所述第一介质谐振器(2)位于矩形波导(1)一端固定的环形馈线(6)附近，用于实现与环形馈线(6)与的耦合，所述第三介质谐振器(4)位于矩形波导(1)另一端固定的环形馈线(6)附近，用于实现与环形馈线(6)的耦合；
其特征在于，所述第二介质谐振器(3)的中心轴线与z轴平行，且该谐振器几何中心偏移矩形波导(1)传输方向的轴线，偏移点位于x轴和y轴的角平分线上，用于实现与第一介质谐振器(2)的耦合，同时实现与第三介质谐振器(4)的耦合。
2.根据权利要求1所述的一种耦合结构介质谐振器滤波器，其特征在于，所述矩形波导(1)，采用正方形波导。
3.根据权利要求1所述的一种耦合结构介质谐振器滤波器，其特征在于，所述第一介质谐振器(2)、第二介质谐振器(3)和第三介质谐振器(4)采用相同的圆柱体结构，高度H与半径R满足H≤2.03R。
4.根据权利要求3所述的一种耦合结构介质谐振器滤波器，其特征在于，所述环形馈线(6)，采用六分之一圆环形馈线结构，该环形馈线圆环所在平面与环形馈线耦合的介质谐振器底所在平面平行，且环形馈线圆环与环形馈线耦合的介质谐振器同圆心。
5.根据权利要求1所述的一种耦合结构介质谐振器滤波器，其特征在于，所述第二介质谐振器(3)，其位于x轴和y轴角平分线上偏移点到矩形波导(1)传输方向的轴线距离，以及该第二介质谐振器(3)与第一介质谐振器(2)和与第三介质谐振器(4)之间的距离，均是根据与该第二介质谐振器(3)耦合的谐振器耦合量的大小确定。
6.根据权利要求1所述的一种耦合结构介质谐振器滤波器，其特征在于，所述射频接头(5)，位于矩形波导(1)端面两条对角线的交点上。
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