CN109742493B - 一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，包括金属腔、四根馈电探针以及四模介质谐振器，四模介质谐振器底面直接接触金属腔，且顶面涂覆一层金属贴片，四根馈电探针尺寸相同，其垂直于所述金属腔底面，且分别设置于四模介质谐振器前后左右四个侧面与金属腔前后左右四个侧面之间。本发明使用了单个四模介质谐振器，有效的减小了整体尺寸并降低了成本。该谐振器拥有两对简并的谐振模式，通过差分激励，能形成双通带差模响应。在四模介质谐振器上表面金属贴片中间去除一个合适大小的正方形金属贴片，用于增加共模响应与差模响应的频率间距，实现了在两个差模通带附近拥有较好的共模信号抑制。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器。
背景技术
差分结构被广泛运用于构建微波电路和系统，由于其对噪声和串扰的高抗干扰性。因此，许多器件采用差分结构，例如功分器，移相器，天线和滤波器等。在早期的工作中，采用印刷电路板，低温共烧陶瓷和基片集成波导技术分别设计了许多差分带通滤波器。但是它们的通带损耗和通带选择性不尽人意。为了克服这些问题，介质谐振器因为拥有高的无负载品质因数和良好的温度稳定性，被广泛运用于设计差分带通滤波器。早期，为了实现差分双通带滤波器，都是通过双环谐振器以及与所述双环谐振器耦合的一对差分输入端口和一对差分输出端口来实现的，这样需要多个谐振器进行级联，导致整个滤波器的体积就偏大，无法实现小型化的特点；而且需要额外添加电路结构才能实现差模通带附近的共模噪声的有效抑制。现有技术中，使用四模介质谐振器的滤波器通过在中间介质谐振器高度方面的中分面上设置金属贴片，只能实现双通带的独立可控，并不能实现差分双通带滤波器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器。其中四模介质谐振器的下表面直接接触金属腔底面，并在四模介质谐振器的上表面涂覆一层金属银。它拥有四个模式（两对简并模），分别是一对LSE10模和一对LSM10模，并且这四个模式能被差分激励而构建出双通带。仿真和测试结果显示了良好的差分滤波响应，并且在两个差模通带附近实现了良好的共模信号抑制。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，包括金属腔、四根馈电探针以及一个四模介质谐振器，所述四模介质谐振器设置于所述金属腔内部，其底面直接接触所述金属腔，顶面涂覆一层金属贴片，所述金属贴片的中间位置去除一个正方形金属贴片；四根馈电探针尺寸相同，其垂直于所述金属腔底面，且分别平行于所述四模介质谐振器的前后左右四个侧面，所述四根馈电探针与四模介质谐振器的前后左右四个侧面之间设有间距。
本发明进一步技术改进方案是，所述四模介质谐振器为长和宽相等的长方体
本发明进一步技术改进方案是，所述金属腔为长和宽相等的长方体
本发明进一步技术改进方案是，所述四模介质谐振器的对角位置分别具有一个切角，在四模介质谐振器切角对应位置，金属贴片也有相同的切角。
本发明进一步技术改进方案是，所述金属贴片为金属银贴片
本发明的有益效果是：
1、通过在介质谐振器的上表面涂覆一层金属，下表面直接接触金属腔。能拥有四个模式（两对简并模），并且这四个模式能被两对面对面放置的馈电探针差分激励，而构建出双通带，实现差分双通带滤波器。
2、本发明使用单个四模介质谐振器，大大缩小了滤波器的体积，而且降低了成本。
3、通过调节馈电探针距离四模介质谐振器和馈电探针的长度实现两通带外部品质因数控制。
4、通过在四模介质谐振器对角线方向进行切角实现两通带的耦合系数的调节。
5、在金属贴片的中间位置去除一个正方形金属贴片，通过调节其边长，使共模响应与差模响应的频率间距增加，实现了在两个差模通带附近较好的共模信号抑制。
附图说明
图1示出差分双通带滤波器的结构示意图；
图2示出差分双通带滤波器的俯视图；
图3示出差分双通带滤波器的正视图；
图4示出一对简并模一对LSE10模的电场、磁场对比图；
图5示出一对简并模一对LSM10模的电场、磁场对比图；
图6示出金属贴片的切除边长C与一对LSE10模、一对LSM10模以及TM11五个模式的频率关系；
图7示出金属贴片和四模介质谐振器切角B与一对LSE10模、一对LSM10模的关系；
图8示出耦合系数k与切角边长B的关系；
图9示出外部品质因素Qe与馈电探针的参数l1和l2的关系示意图；
图10示出仿真与测试结构示意图。
1-第一端口，2-第二端口，1’-第三端口，2’-第四端口，3-四模介质谐振器，4-金属贴片，5-金属腔，6-馈电探针，7-SMA接头。
具体实施方式
以下结合附图1至附图10，对本发明一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器作进一步阐释。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直”、“水平”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参见附图1，附图1示出了本发明差分双通带滤波器的结构示意图。本发明一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器包括金属腔5、四根馈电探针6以及四模介质谐振器3，四模介质谐振器3设置于金属腔5内部，其底面直接接触所述金属腔5底面、并且在四模介质谐振器3顶面涂覆一层金属贴片4，所述金属腔5底面设有可供所述四根馈电探针6穿过的第一端口1、第二端口2、第三端口1’、第四端口2’，四根馈电探针6尺寸相同，分别穿过第一端口1、第二端口2、第三端口1’、第四端口2’，四个端口上分别固定有SMA接头7，通过SMA接头7将四根馈电探针6的底端固定于金属腔5内侧底面。四根馈电探针6垂直于所述金属腔5底面，且分别平行于所述四模介质谐振器3的前后左右四个侧面，所述四根馈电探针6与四模介质谐振器3的前后左右四个侧面之间设有间距l1。这样信号通过四个端口上的SMA接头传入四根馈电探针6。四模介质谐振器3的对角位置分别具有一个切角，在四模介质谐振器3切角对应位置，金属贴片4也有相同的切角。四模介质谐振器3顶面的金属贴片4中间位置去除一个正方形金属贴片，该差分双通带滤波器的详细俯视图与侧视图参见附图2与附图3。本实施例中，所述的金属贴片4可以选用但不限于金属银贴片。
该差分双通带滤波器的四模介质谐振器3的下表面直接接触金属腔5的底面，顶面覆盖一层金属贴片4，它拥有四个模式（两对简并模），分别是一对LSE10模和一对LSM10模，并且这四个模式能被差分激励而构建出双通带。
在介绍本发明的滤波器之前，首先介绍其中的四模介质谐振器3。所述四模介质谐振器3的介电常数为38，损耗角为2.5×10-4。金属腔5的底边边长为A, 金属腔5的尺寸为A*A*H=40*40*28mm3。四模介质谐振器3的下表面直接接触金属腔5的底面，顶面覆盖一层金属贴片4，金属贴片4的厚度为0.01mm。四模介质谐振器3的底边边长为a（a=25mm），高为h（h=20mm），这样四模介质谐振器3的上下表面拥有两个金属面。在这种结构下，产生了两组简并模，这两组简并模存在不同的频率，附图4与附图5为四模介质谐振器3四个模式的电场磁场分布图。其中，附图4为一对LSE10模的电场图，LSE10模式的电场图沿着z轴垂直于上下表面分布；而附图5为一对LSM10模的电场图，LSM10模的电场图呈两个半圆分布。每一对简并模的两个模式的电场都集中在介质谐振器的对角线上，且两个模式之间呈90度的夹角。根据安培右手螺旋定理，四模介质谐振器3的两对简并模能被两对面对面放置的馈电探针6差分激励，而构建成差模通带。在这个激励方式下，四模介质谐振器3的第五个模式TM11模为共模响应。为了提高共模抑制，在四模介质谐振器3的上表面正中间位置去除了一个正方形（边长为C）形状的金属贴片4。从而，随着边长C的增加，LSE10模和LSM10模的频率会减小，而TM11模式的频率会增加，参见附图6。
如附图2与附图3，差分双通带滤波器的俯视图与侧视图。其中，每根馈电探针距离四模介质谐振器3（l1）和馈电探针6的长度（l2）决定了两个通带的输入输出耦合。图9显示了一通带和二通带的外部品质因数（Qe1和Qe2）分别与l1和l2的关系，l1固定不变，l2越大，外部品质因素Qe越小；l2固定不变，l1越大，外部品质因素Qe越小。
附图7展示了在四模介质谐振器3的对角线方向进行切角（边长为B），两对简并模的谐振频率均被分离，且切角B越大，每对简并模谐振频率间的分离程度越大。一通带和二通带的耦合系数（k1和k2）由切角的边长B决定，切角B越大，耦合系数（k1和k2）越大，如附图8所示。
基于双通带差分滤波器原型，两个通带都为切比雪夫频率响应。一通带的中心频率为1.35GHz，0.07dB纹波相对带宽为0.57%。二通带的中心频率为1.69GHz，0.07dB纹波相对带宽为0.2%。根据设计，一通带的低通原型滤波器的集总元件值为：g0L=1，g1L=0.7609，g2L=0.5901。二通带的集总元件值为：g0H=1，g1H=0.7609，g2H=0.5901。因此，一通带需要的耦合系数k1为0.0085和外部品质因数Qe1为133.21。二通带需要的耦合系数k2为0.003和外部品质因数Qe2为380.61。所设计的双通带滤波器尺寸为：l1=1.5 mm,l2=17.2 mm,a=25 mm,B=2.4mm, C=6 mm, h=20 mm, A=40 mm和H=28 mm。
根据以上设计，可以得出附图10的仿真和测试结果：一通带中心频率为1.35GHz，二通带中心频率为1.69GHz；一通带插入损耗1dB，二通带插入损耗为1.3dB，回波损耗两个通带都优于12dB，共模抑制大于30dB。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，其特征在于：包括金属腔（5）、四根馈电探针（6）以及四模介质谐振器（3），所述四模介质谐振器（3）设置于所述金属腔（5）内部，其底面直接接触所述金属腔（5），顶面涂覆一层金属贴片（4），所述金属贴片（4）的中间位置去除一个正方形金属贴片，四根馈电探针（6）尺寸相同，其垂直于所述金属腔（5）底面，且分别平行于所述四模介质谐振器（3）的前后左右四个侧面，所述四根馈电探针（6）与四模介质谐振器（3）的前后左右四个侧面之间设有间距。
2.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，其特征在于：所述四模介质谐振器（3）为长和宽相等的长方体。
3.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，其特征在于：所述金属腔（5）为长和宽相等的长方体。
4.根据权利要求 1所述的一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，其特征在于：所述四模介质谐振器（3）的对角位置分别具有一个切角，在四模介质谐振器（3）切角对应位置，金属贴片（4）也有相同的切角。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于四模介质谐振器的差分双通带滤波器，其特征在于：所述金属贴片（4）为金属银贴片。
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