CN108493565B - 一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器 - Google Patents

一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，包括一个四模介质谐振器、金属腔和四根馈电金属杆，四根馈电金属杆与四模介质谐振器相互平行靠近，且形成耦合，四根馈电金属杆分别为第一、第二、第三及第四金属杆，第二金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第三金属杆与金属腔中心点的连线，第一金属杆位于第二和第三金属杆的中轴面上，第四金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第一金属杆与金属腔中心点的连线。本发明提出的窄带滤波环形耦合器具有小型化、高集成度的特点，具有创造性和实用性。

Description

一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器
技术领域
本发明涉及一种滤波环形耦合器，具体涉及一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器。
背景技术
耦合器和带通滤波器是无线通信系统射频前端电路的重要组成器件，一般两个滤波器与环形耦合器级联实现滤波耦合功能，占据较大的电路体积，同时级间不匹配也降低电路性能。为了克服这些问题，许多学者开展研究来设计多功能滤波耦合器。
在平面印刷电路板(PCB)上，可以通过使用四个有带通滤波功能的±K转换器代替经典环形耦合器中一个或三个四分之一波长传输线，或者用四分之一波长和半波长微带谐振器来构建滤波耦合器等；另外，基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术实现的多层滤波环形耦合器也能有效减小体积。然而上述多功能器件存在Q值和功率容限低的缺点，不适用于窄带应用。为了克服这个缺点，许多学者采用高Q值和高功率容限的介质谐振器和腔体来设计电路。其中，最常用的是介质谐振器和腔体中的单模谐振器，它们可以很容易地用来实现各种滤波器的拓扑结构，但是由于是单模谐振器，所需要的谐振腔较多，存在体积大的问题；为了减小体积，多模的谐振器也被用来设计滤波器，比如有学者构建了双模，三模或四模的介质谐振器来设计了滤波器；此外，有学者用四个TE模介质谐振器实现耦合器，但是体积较大；另外，也有学者用十字型的双模介质谐振器实现滤波耦合器，但只有单阶滤波功能且带外抑制不佳。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，应用于射频前端电路。
本发明一个四模介质谐振器和四根馈电金属杆；它集成了带通滤波器和环形耦合器两种功能，体积比两个带通滤波器和一个环形耦合器的传统级联形式大幅减小；通过设置四根馈电针的位置，并利用四模谐振器的两组谐振模式对的电磁场特性，可以实现滤波环形耦合器所需要的振幅和相位特性；该滤波环形耦合器的通带两侧具有传输零点，实现了很好的滤波效果；本发明提出的窄带滤波环形耦合器具有小型化、高集成度的特点，具有创造性和实用性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，包括金属腔、四模介质谐振器及四根馈电金属杆，所述金属腔内设置四模介质谐振器，所述四根馈电金属杆分别为第一金属杆、第二金属杆、第三金属杆及第四金属杆，第一、第二、第三及第四金属杆分别设置第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；
第一金属杆及第四金属杆从金属腔顶部沿着与腔体内壁平行的方向伸入到金属腔体内，第二金属杆和第三金属杆从金属腔底部沿着与腔体内壁平行的方向伸入金属腔体内，四根馈电金属杆与四模介质谐振器相互平行，且形成耦合；
第二金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第三金属杆与金属腔中心点的连线，第一金属杆位于第二和第三金属杆的中轴面上，使从第一端口输入的信号激励起四模介质谐振器中的两个模式，使信号被平分到第二和第三端口，实现0°的相位差和二阶滤波响应；
第四金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第一金属杆与金属腔中心点的连线，使第四端口输入信号激励四模介质谐振器的另外两个模式，输入信号被平分到第二和第三端口，方向相反，实现180°的相位差和二阶滤波响应。
所述金属腔为长和宽相等的长方体。
所述第一端口及第四端口设置在第一金属杆及第四金属杆的上端；
所述第二端口及第三端口设置在第二金属杆及第三金属杆的下端。
所述四模介质谐振器设置为长和宽相等的长方体或圆柱体。
所述四模介质谐振器的上下两个面与金属腔的顶面与底面接触。
所述四模介质谐振器的底面积与高度的比值用来控制谐振频率。
介质谐振器的第二和第三谐振模式为一组正交简并模式，第四和第五谐振模式为一组正交简并模式，且这两组正交简并模式的谐振频率相同或接近，得到具有两组正交简并模式的四模介质谐振器。
本发明的有益效果：
(1)本发明将两个滤波器和耦合器融合成具有滤波功能的环形耦合器，体积大量减小了。
(2)本发明首次采用四模介质谐振器设计滤波耦合器，利用模式之间的电磁特性实现耦合器的幅度以及相位特性，整个器件仅包含单个谐振腔，实现了小型化。
附图说明
图1是本发明一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器结构图。
图2(a)是本发明一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器的S11,S21,S31的仿真示意图；
图2(b)是本发明一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器的能量从第一端口输入时到第二、第三端口的相位差；
图2(c)是本发明一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器的S44,S24,S34的仿真示意图；
图2(d)是本发明能量从第四端口输入时到第二、第三端口的相位差；
图2(e)是本发明的S22,S33,S41仿真示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，包括金属腔1、四模介质谐振器2及四根馈电金属杆，所述金属腔内设置四模介质谐振器，所述四根馈电金属杆分别为第一金属杆3、第二金属杆4、第三金属杆5及第四金属杆6，第一、第二、第三及第四金属杆分别设置第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3及第四端口P4，四模介质谐振器的上、下两个面与金属腔的顶面与底面接触，实现短路。
所述四根馈电金属杆与四模介质谐振器相互平行靠近，形成耦合，第一金属杆及第四金属杆从金属腔顶部沿着与腔体内壁平行的方向伸入到金属腔体内，第二金属杆和第三金属杆从金属腔底部沿着与腔体内壁平行的方向伸入金属腔体内。
第二金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第三金属杆与金属腔中心点的连线，第一金属杆位于第二和第三金属杆的中轴面上，使从第一端口输入的信号激励起四模介质谐振器中的两个模式，使信号被平分到第二和第三端口，实现0°的相位差和二阶滤波响应；
第四金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第一金属杆与金属腔中心点的连线，由于谐振器自身模式的电磁场分布特性，使第四端口输入信号激励四模介质谐振器的另外两个模式，输入信号被平分到第二和第三端口，方向相反，实现180°的相位差和二阶滤波响应，另外，这样设置端口还可以实现第一端口和第四端口的隔离。
所述四模介质谐振器通常采用介电常数较高的材料，设置为长和宽相等的长方体或者圆柱体，其直径与高度的比值用来控制谐振频率，使得的两组正交谐振模式对谐振于同一频率，实现四模谐振器。
具体是调整介质谐振器的底面积与高度的比值使得介质谐振器的第二和第三谐振模式为一组正交简并模式，第四和第五谐振模式为一组正交简并模式，且这两组正交简并模式的谐振频率相同或接近，得到具有两组正交简并模式的四模谐振器。
本实施例中金属腔1是长和宽相等的长方体或圆柱体。
图2(a)-图2(e)所示本发明一种使用四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器的实验结果图，信号从第一端口输入，第二和第三端口输出时对应的幅度和相位结果如图2(a)和(b)，从图2(a)可以看出，测试的通带中心频率为3.49GHz,3dB带宽为1.7％，中心频率处包含3dB等分损耗的插入损耗分别为(3+0.62)和(3+0.7)dB，幅度差值小于0.1dB，回波损耗大于15dB；从图2(b)中可以看出两输出端相位差小于2.5°。信号从第四端口输入，第二和第三端口输出时，图2(c)中，中心频率处包含3dB等分损耗的插入损耗分别为(3+0.65)和(3+0.71)dB，带内回波损耗大于15dB；图2(d)中两输出端相位差在180°左右，变化小于2.5°。从图2(e)中可以看出，第一和第四端口的带内隔离大于22dB，两输出端口的回波损耗均大于18dB。
综上，本发明提供了一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，具有体积小，插损小，滤波效果好，同向功分和反向功分的幅度相位响应好以及输入端隔离高的优异性能。
本发明首次提出使用四模介质谐振器实现滤波耦合器，利用了介质谐振器模式的电磁场特性，将滤波器和环形耦合器功能融合，实现了环形耦合器的幅度和相位特征以及二阶滤波响应。
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所述实施例的限制，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 (4)

1.一种基于四模介质谐振器的窄带滤波环形耦合器，其特征在于，包括金属腔、四模介质谐振器及四根馈电金属杆，所述金属腔内设置四模介质谐振器，所述四根馈电金属杆分别为第一金属杆、第二金属杆、第三金属杆及第四金属杆，第一、第二、第三及第四金属杆分别设置第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；
第一金属杆及第四金属杆从金属腔顶部沿着与腔体内壁平行的方向伸入到金属腔体内，第二金属杆和第三金属杆从金属腔底部沿着与腔体内壁平行的方向伸入金属腔体内，四根馈电金属杆与四模介质谐振器相互平行，且形成耦合；
第二金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第三金属杆与金属腔中心点的连线，第一金属杆位于第二和第三金属杆的中轴面上，使从第一端口输入的信号激励起四模介质谐振器中的两个模式，使信号被平分到第二和第三端口，实现0°的相位差和二阶滤波响应；
第四金属杆与金属腔中心点的连线垂直于第一金属杆与金属腔中心点的连线，使第四端口输入信号激励四模介质谐振器的另外两个模式，输入信号被平分到第二和第三端口，方向相反，实现180°的相位差和二阶滤波响应；
所述第一端口及第四端口设置在第一金属杆及第四金属杆的上端；
所述第二端口及第三端口设置在第二金属杆及第三金属杆的下端；
四模介质谐振器的底面积与高度的比值用来控制谐振频率；
四模介质谐振器的第二和第三谐振模式为一组正交简并模式，第四和第五谐振模式为一组正交简并模式，且这两组正交简并模式的谐振频率相同或接近，得到具有两组正交简并模式的四模介质谐振器。
2.根据权利要求1所述的窄带滤波环形耦合器，其特征在于，所述金属腔为长和宽相等的长方体。
3.根据权利要求1所述的窄带滤波环形耦合器，其特征在于，所述四模介质谐振器设置为长和宽相等的长方体或圆柱体。
4.根据权利要求3所述的窄带滤波环形耦合器，其特征在于，四模介质谐振器的上下两个面与金属腔的顶面与底面接触。
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