CN108428982A - 一种腔体三通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔体式三通带滤波器，属于滤波器领域。其中，该三通带滤波器包含多个相互耦合的腔体三模谐振器，其中每个谐振器通过在金属空腔中加载三枝节金属杆实现。相邻谐振器之间通过三个窗口实现耦合。输入/输出端分别通过三个金属盘与第一个和最后一个谐振器实现电容耦合。通过多个设置于盖板处的调谐和调耦合螺钉实现各中心频率和带宽的调节。该滤波器具有频率和带宽可控、损耗小、功率容量高和易于调试的优点。

Description

一种腔体三通带滤波器

技术领域

本发明涉及腔体三通带微波滤波器领域。

背景技术

现代无线通信技术的发展十分迅速，多种通信标准涌现并且进入运营，为了能够同时支持多个通信系统的运行并减小系统的体积，多频微波电路和器件应运而生。多通带滤波器能够在多个频段同时工作，可以提高系统的集成度并且缩减系统的体积。

目前已发表的多通带滤波器很多是基于微带形式的，例如使用阶梯阻抗多模谐振器和其它微带结构实现，虽然易于集成，但是也具有损耗较大、功率容量低、中心频率和带宽可控性差的缺点。近几年也有少数腔体形式的多通带滤波器，其中基于波导腔多模谐振器的多通带滤波器，其体积较大，不适用于移动通信频段；而基于单模同轴腔体谐振器及一定耦合拓扑结构的多通带滤波器需要较多数量的谐振腔，体积利用率低且通带间距较小。

本发明所述的腔体三通带滤波器，在腔体中加载三枝节金属杆实现腔体三模谐振器，使用谐振器的三个谐振模式模式实现了三个滤波通带，该滤波器带宽和中心频率可控，滤波器的损耗较低，且易于调试和实现，具有一定的应用价值。

发明内容

本发明利用在金属腔体中加载三枝节金属杆的腔体三模谐振器实现腔体三通带滤波器。其中在腔体中加载三枝节金属杆构成了三模腔体谐振器，金属杆由纵向主杆和三个横向枝节组成，金属杆和枝节的截面可以是方形，也可以是圆形。纵向主杆的底部经由金属螺钉固定在腔体的一个侧壁上。通过调整金属杆纵向主杆和三个横向枝节的长度可以调控三个谐振频率。该三通带滤波器包含了多个相互耦合的腔体三模谐振器。该腔体三模谐振器的电场集中分布在横向枝节的前端。这些谐振模式具有较高的Q值，使用其最低的三个谐振模式分别实现三个通带，可以获得较低的通带损耗。

为此，输入和输出同轴端口分别与第一个谐振腔和最后一个谐振腔之间通过设置耦合结构实现耦合。输入/输出耦合结构包含与同轴连接器相连的一个纵向金属长细杆、与纵向金属长细杆相连的三段短金属细杆和与三段短金属细杆相连的三个金属圆盘，其中三个金属圆盘分别正对谐振器的三个横向枝节的前端，形成电容耦合。通过调整圆盘的直径以及圆盘与枝节的间距可以调整输入/输出耦合的强弱。

在相邻两腔体之间的金属壁上开三个矩形窗口实现两个腔体之间的耦合，每个矩形窗口分别处于相邻谐振器的对应横向枝节的中间，通过调节矩形窗口的宽度和深度调整腔间各模式耦合系数的强弱。

在腔体盖板处设置了多个金属调螺。通过调螺旋入深度的不同对滤波器各通带性能进行调节。其中在相邻谐振腔间的每个耦合窗口处的金属调螺，可用于调整三个通带的耦合系数，实现两腔之间的模式耦合。在每个横向谐振器枝节顶端的金属调螺，可用于调整三个模式的谐振频率。

该腔体三通带滤波器腔体体积使用效率高、体积较小，同时具有损耗低、功率容量大、带宽和频率可控、易于生产和调试等优点。

技术效果：

1.本发明所述的腔体三通带滤波器利用每个腔体的三个谐振模式来同时实现三个通带，体积复用，可以有效地减小三通带滤波器的体积。

2.与微带形式的多通带滤波器相比，本发明所述的腔体三通带滤波器具有损耗低、功率容量大、调试方便的优势，特别适用于基站射频前端以及其它射频系统。

附图说明：

图1加载了三枝节金属杆的腔体三模谐振器

图2腔体三模谐振器的三个谐振模式的电场分布

图3一种腔体三通带滤波器的结构

图4一种腔体三通带滤波器的等效电路拓扑结构

图5一种腔体三通带滤波器的S参数曲线

具体实施方式

如图1为在腔体中加载三枝节金属杆的三模腔体谐振器。该谐振器的金属枝节如图1所示由一个纵向的金属主杆3和三个横向金属枝节组成，从上至下4、5和6依次为枝节一、枝节二和枝节三。1处为腔体底面，2处为金属杆安装面，纵向金属主杆通过螺钉固定在该侧面。具体参数标注如图1所示。

如图2为该三模腔体谐振器主要谐振模式的电场分布。由图可知，谐振模式的电场主要集中在枝节前端，其中，图2(a)所示为模式一的电场，其电场最强处位于枝节一的前端；图2(b)所示为模式二的电场，其电场最强处位于枝节三的前端；图2(c)所示为模式三的电场，其电场最强处位于枝节二的前端。通过合理调节谐振器的枝节长度，可以获得需要的三个谐振频率，用于实现三个通带。

图3给出了具有三个谐振腔的腔体三通带滤波器的具体结构，其中包含了谐振腔间的耦合与输入/输出耦合结构。图3中包含三个三模腔体谐振器，在腔体中加载的三枝节金属杆分别由32、33和34表示，三个谐振器的纵向主杆的底端均与腔体的安装面相连。

输入端7和输出端8分别连接耦合结构9和10。每个耦合结构包含一段纵向金属长细杆，直接与端口处的同轴连接器的内导体相连接(一体加工，或者焊接为一体)。纵向金属长细杆上连接着三个金属短细杆，短细杆的末端连接一定直径的金属圆盘，每个圆盘均正对一个枝节前端，输入端口处的金属圆盘从上至下依次表示为11、12和13，输出端口处的金属盘从上至下依次表示为14、15和16。通过调节金属圆盘与金属杆的间距可以调节输入/输出耦合的强弱。

在谐振腔之间的两个金属壁上各开三个矩形窗口35、36、37、38、39和40，与谐振器的三个横向枝节相对。通过调节耦合窗口的宽度和深度可以调节谐振腔之间三个模式的耦合强弱。

在腔体的盖板上设置了若干金属调螺，垂直于盖板表面深入到腔体内。其中17、18、19、23、24、25、29、30和31正对腔体谐振器的各个金属横向枝节的顶端，实现对各腔三个谐振模式频率的调整。在谐振腔之间的窗口处的金属调螺20、21、22、26、27和28，实现对腔间耦合系数的调节。

总结以上，可以看到该滤波器存在对应于三个通带的三个耦合路径，如图4所示。

谐振模式之间的耦合强弱用耦合系数k表征。端口与谐振模式之间的耦合强弱用外界Q值Q_e表征。那么第一通带：外界Q值/耦合系数依次为第二通带：外界Q值/耦合系数依次为外界Q值/耦合系数依次为每个耦合路径都可以实现一个滤波通带。

本发明给出一个三腔三通带滤波器的设计实例。

其中每个腔体的内部长、宽、高分别为：L＝65mm、W＝18mm、H＝35mm。腔体谐振器的三枝节金属杆的宽度W_R和厚度T_R为5mm，横向枝节的长度均为H_R＝21mm，纵向主杆的长度分为了三段，分别为L1＝14.3mm、L2＝14.5mm、L3＝14.8mm。端口轴心高度、端口处同轴连接器的轴心高度距离腔体底部的距离为29mm、距离近处的腔体侧壁距离为26mm。耦合结构由直径为1.2mm、长度为30mm的金属细圆杆与三个较短的直径为1.2mm的金属细圆杆焊接而成，金属圆盘焊接在短金属细杆的一端，金属圆盘的直径均为6.7mm、厚度均为0.1mm，短杆的长度根据实际调试确定。金属细杆与金属圆盘组成的结构再与同轴连接器的内导体焊接成一体。两腔之间的金属壁厚4mm，窗口的宽度皆为9.8mm，窗口的深度从上至下分别为27.5mm、27mm、30.2mm。其中所有金属调螺的直径均为4mm，所有调螺的旋入深度由实际调试确定。

该三通带滤波器，第一通带的中心频率f₁＝0.9GHz，带宽BW₁＝15MHz。第二通带的中心频率f₂＝1.9GHz，带宽BW₂＝20MHz。第三通带的中心频率f₃＝2.4GHz，带宽BW₃＝30MHz。基于HFSS软件仿真获得的滤波器S11和S21曲线如图5所示。

本发明说明书仅给出具有三个谐振腔的三通带滤波器的结构。实际设计可以根据指标要求设置更多谐振腔，相邻谐振腔之间使用矩形窗口和调螺实现耦合，通过腔体级联获得高阶三通带滤波器。

Claims (4)

1.一种腔体三通带滤波器，其特征在于，该滤波器由多个加载了三枝节金属杆的腔体三模谐振器构成，利用其最低的三个谐振模式获得了三个滤波通带。

2.根据权利要求1所述的腔体三通带滤波器，其特征在于，每个腔体三模谐振器是在金属腔体内设置三枝节金属杆，该三枝节金属杆包含纵向主杆和三个横向枝节。其中主杆底部固定在腔体的一个侧面。每个横向枝节顶端设置有金属调螺，通过调整调螺与横向枝节的距离，可调整三个谐振频率。

3.根据权利要求1所述的腔体三通带滤波器，其特征在于，在相邻的两个谐振器之间设置三个耦合窗口，分别位于相邻两个谐振器对应的两个横向枝节中间，每个耦合窗口处分别加金属调螺用于调整三个频段的耦合系数。

4.根据权利要求1所述的腔体三通带滤波器，其特征在于，在输入/输出端口分别通过三个金属圆盘实现输入/输出端口与第一个/最后一个谐振器之间的电容耦合。三个金属圆盘的位置分别靠近相邻谐振器的三个横向枝节。