CN109755704A - 低结构深宽比的双模矩形波导滤波器及其多阶滤波器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器及其多阶滤波器件，滤波器包括本体、至少两片第一电感耦合膜片、两组第二电感耦合膜片以及两个波导接口。本体相对两侧上分别开设两个开口，本体内具有相通的两个双模谐振腔。第一电感耦合膜片设置在两个双模谐振腔之间，以形成连通两个双模谐振腔的一条第一通道。两组第二电感耦合膜片分别设置在两个开口中，并形成分别连通两个双模谐振腔的两条第二通道。两个波导接口分别与两组第二电感耦合膜片相对应，每个波导接口通过对应的第二电感耦合膜片而盖在对应的开口上。本发明有效地减小了整个滤波器结构的深宽比，而且大幅提高了滤波器的带外抑制能力，并可在带外引入传输零点。

Description

低结构深宽比的双模矩形波导滤波器及其多阶滤波器件

技术领域

本发明涉及滤波技术领域的一种滤波器，尤其涉及一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器及其多阶滤波器件。

背景技术

在众多滤波器结构当中，金属波导滤波器因功率容量大、没有辐射损耗、导体和介质损耗小、结构简单等优势在武器装备、卫星通信等空间系统中获得了广泛的应用。目前，如何减小滤波器的体积和重量，并在太赫兹频段实现小尺寸滤波器的精确微制造成为了波导滤波器研究的重点。

众所周知，滤波器结构的深宽比越大，微加工的难度越大，加工的精确度越低。因此，对于现有的金属波导滤波器，如何在保持滤波特性基本不受影响的情况下有效的降低其结构的深宽比，从而降低微加工的难度，提高加工精确度是亟待解决的一个问题。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器及其多阶滤波器件，解决了现有的金属波导滤波器不能在保持滤波特性基本不受影响的情况下，有效的其降低结构的深宽比，以降低微加工的难度，提高加工精确度的问题。

本发明采用以下技术方案实现：一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其包括：

本体，其相对两侧上分别开设两个开口；本体内具有相通的两个双模谐振腔；

至少两片第一电感耦合膜片，其设置在两个双模谐振腔之间，且相互隔开以形成连通两个双模谐振腔的一条第一通道；

两组第二电感耦合膜片，其分别安装在两个开口中；每组第二电感耦合膜片包括至少两片第二电感耦合膜片，且至少两片第二电感耦合膜片相互隔开以形成分别连通两个双模谐振腔的两条第二通道；以及

两个波导接口，其分别与两组第二电感耦合膜片相对应；每个波导接口通过对应的第二电感耦合膜片而盖在对应的开口上；

其中，开口、双模谐振腔、第一电感耦合膜片以及第二电感耦合膜片的高度均相同；电磁波通过一个波导接口输入一条第二通道中，并进入两个双模谐振腔进行磁耦合和电耦合以滤波，且在滤波后通过另一条第二通道进入另一个波导接口而输出。

作为上述方案的进一步改进，第一电感耦合膜片与第二电感耦合膜片中至少一者为直角电感耦合膜片。

作为上述方案的进一步改进，第一电感耦合膜片与第二电感耦合膜片均为圆角电感耦合膜片。

作为上述方案的进一步改进，双模谐振腔、所述第一通道以及所述第二通道均为长方体结构。

进一步地，本体的外轮廓呈“工”字形，且开口开设在本体的对称轴上。

再进一步地，定义本体的对称轴的方向为长度方向，与本体的对称轴的垂直的方向为宽度方向；

较大的双模谐振腔的长度为2.695mm，宽度为5.345mm；较小的双模谐振腔的长度为2.82mm，宽度为5.02mm；

所述第一通道的长度为0.92mm，宽度为1.14mm；

较大的第二通道的长度为0.33mm，宽度为1.346mm，较小的第二通道的长度为0.25mm，宽度为1.19mm。

再进一步地，开口、双模谐振腔、第一电感耦合膜片以及第二电感耦合膜片的高度均为1.27mm

作为上述方案的进一步改进，第一电感耦合膜片的倒圆角半径为0.24mm，对应较大的第二通道的第二电感耦合膜片的倒圆角半径为0.14mm，对应较小的第二通道的第二电感耦合膜片的倒圆角半径为0.09mm。

作为上述方案的进一步改进，本体由铜或者铝制得，第一电感耦合膜片和第二电感耦合膜片为通过高导磁性材料渗合至少一种金属材料，并在2000℃烧聚而制得的膜片。

本发明还提供了一种多阶滤波器件，其包括上述任意所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，且多个所述滤波器通过金属线依次相连。

本发明的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，通过设置至少两个双模谐振腔，实现了带有传输零点的四阶矩形波导带通滤波，不仅有效减小了滤波器的体积和重量，而且大幅提高了滤波器的带外抑制能力，并可在带外引入传输零点，优化了其滤波特性。并且，本发明的开口、双模谐振腔、第一电感耦合膜片以及第二电感耦合膜片的高度均相同，这样输入输出端与谐振腔之间就不需要另加台阶，可简化滤波器结构。

由于两个谐振腔之间的磁场能量交换是通过磁耦合的大小来表征的，耦合使得谐振腔的频率发生了一定程度的分散，即拓展了腔体的选频带宽，耦合越大，分散程度越大。因此，本发明可采用圆角电感耦合膜片，采用圆角耦合膜片以后，实际上相当于改变了膜片的尺寸，使得耦合量的大小发生了改变，从而使得谐振腔之间的耦合量增强，最终导致波导滤波器的回波损耗减小，同时使得结构的最大深宽比减小。这样，不仅没有对滤波器的滤波特性造成影响，反而极大的减小了整个滤波器结构的深宽比，从而降低微制造的难度，提高制造的精确度。

附图说明

图1为本发明实施例1的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器结构示意图；

图2为图1中的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器的尺寸图；

图3为图1中的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器的S参数仿真曲线图；

图4为本发明实施例2的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器结构示意图；

图5为图4中的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器的尺寸图；

图6为图4中的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器的S参数仿真曲线图。

符号说明：

1 本体 4 第一电感耦合膜片

2 开口 5 第二电感耦合膜片

3 双模谐振腔 6 波导接口

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其包括本体1、第一电感耦合膜片4、第二电感耦合膜片5以及波导接口6。

本体1的相对两侧上分别开设两个开口2，本体1内具有相通的两个双模谐振腔3，双模谐振腔3为长方体结构。本体1可采用铜、铝等金属制得，本体1的外轮廓可为方形，且双模谐振腔3为矩形腔体，进行滤波。在本实施例中，本体1的外轮廓呈“工”字形，且开口2开设在本体1的对称轴上。本体 1可为现有滤波器的本体，并且可采用金属制成。本实施例通过设置至少两个双模谐振腔3，实现了带有传输零点的四阶矩形波导带通滤波，不仅有效减小了滤波器的体积和重量，而且大幅提高了滤波器的带外抑制能力，优化了其滤波特性。

第一电感耦合膜片4的数量为一组，并且每组第一电感耦合膜片4包含至少两片第一电感耦合膜片4，两片第一电感耦合膜片4设置在相邻的两个双模谐振腔3之间，且相互隔开以形成连通两个双模谐振腔3的一条第一通道。其中，每组第一电感耦合膜片4中的两个耦合膜片相对设置，以形成呈长方体的前述的第一通道。在本实施例中，第一电感耦合膜片4采用直角电感耦合膜片，而在其他实施例中，第一电感耦合膜片4也可采用其他形状的电感耦合膜片。第一电感耦合膜片4可以将一个双模谐振腔3中的能量传递至另一个双模谐振腔3，可利用电容器允许通过交流成分、阻挡直流成分的性质，可以将电路的交流部分和直流部分耦合起来。

第二电感耦合膜片5的数量为两组，且分别安装在两个开口2中，每组第二电感耦合膜片5包括至少两片第二电感耦合膜片5，且至少两片第二电感耦合膜片5相互隔开以形成分别连通两个双模谐振腔3的两条第二通道。每组第二电感耦合膜片5的两个耦合膜片相对设置，从而形成位于两个耦合膜片之间的第二通道，第二通道为长方体结构。在本实施例中，第二电感耦合膜片5可采用直角电感耦合膜片，而在其他实施例中，第二电感耦合膜片5也可采用其他形状的电感耦合膜片。第二电感耦合膜片5可比第一电感耦合膜片4更薄，并且长宽度均比第一电感耦合膜片4更小，以适应两个开口2。当然，第二电感耦合膜片5可以卡在开口2中，也可以贴在开口2处。

波导接口6的数量为两个，并且两个波导接口6分别与两组第二电感耦合膜片5相对应。每个波导接口6通过对应的第二电感耦合膜片5而盖在对应的开口2上。在本实施例中，波导接口6优选内置尺寸为2.54mm×1.27mm的WR-10 标准矩形波导接口，在其他实施例中，波导接口6可采用其他的WR波导接口，如WR-8、WR-12、WR-15等标准矩形波导接口。

其中，开口2、双模谐振腔3、第一电感耦合膜片4以及第二电感耦合膜片 5的高度均相同，在本实施例中，这些结构具体的高度设定为1.27mm。这样，输入输出端与谐振腔之间就不需要另加台阶，可简化滤波器结构。而且，在本实施例中，第一电感耦合膜片4和第二电感耦合膜片5为通过高导磁性材料渗合至少一种金属材料，并在2000℃烧聚而制得的膜片。电磁波通过一个波导接口6输入一条第二通道中，并进入两个双模谐振腔3进行磁耦合和电耦合以滤波，且在滤波后通过另一条第二通道进入另一个波导接口6而输出。

在本实施例中，为方便后续对结构的尺寸的描述，定义本体1的对称轴的方向为长度方向，与本体1的对称轴的垂直的方向为宽度方向。在两个双模谐振腔3中，较大的双模谐振腔3的长度可为2.695mm，宽度可为5.345mm，较小的双模谐振腔3的长度可为2.82mm，宽度可为5.02mm。相应地，在本实施例中，第一通道的长度为0.92mm，宽度为1.14mm。在两条第二通道中，较大的第二通道连通较大的双模谐振腔3，较小的第二通道连通较小的双模谐振腔3。其中，较大的第二通道的长度为0.33mm，宽度为1.346mm，较小的第二通道的长度为0.25mm，宽度为1.19mm。

请参阅图2，为了验证上述尺寸的结构的滤波效果，优选地，较大的双模谐振腔3的长度d2为2.83mm，a2宽度为5.31mm。较小的双模谐振腔3的长度为d3为2.93mm，宽度a3为5.01mm。第一通道的长度t2为0.697mm，宽度l2 为1.16mm。较大的第二通道的长度t1为0.1mm，宽度l1为1.25mm，较小的第二通道的长度t3为0.1mm，宽度l3为1.12mm。其中，具体的数值如下表所示：

表1基于直角电感耦合膜片的双传输零点的滤波器的优化尺寸表

在本实施例中，可按照基于耦合矩阵的滤波器仿真流程，采用HFSS仿真软件对滤波器结构重复进行仿真，当从耦合矩阵中获得的耦合系数与经HFSS本征模解算器计算得到的耦合系数相等时，则可最终获得滤波器的最优结构。并且，在上述的尺寸的结构条件下，通过仿真得到仿真S参数曲线，具体的曲线图请参阅图3。

通过仿真S参数曲线图可以看出，本实施例的滤波器的中心频率为 100.2GHz，3-dB相对带宽为4.1％，两个传输零点分别位于97.5GHz和102.5GHz 处，在整个带宽范围内，其回波损耗高于-12dB。根据表1所列的滤波器的优化尺寸可知，两个双模谐振腔3的宽度a2和a3分别为5.31mm和5.01mm，使得两个传输零点分别位于通带的两侧，从而提高了滤波器的带外抑制能力。另外，该滤波器结构的最大深宽比为b/t1＝12.7，为相对较小的深宽比，因此，微加工的难度越大，加工的精确度越低。

综上所述，本实施例的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，通过设置至少两个双模谐振腔3，实现了带有传输零点的四阶矩形波导带通滤波，不仅有效减小了滤波器的体积和重量，而且大幅提高了滤波器的带外抑制能力，并可在带外引入传输零点，优化了其滤波特性。并且，本实施例的开口2、双模谐振腔3、第一电感耦合膜片4以及第二电感耦合膜片5的高度均相同，这样输入输出端与谐振腔之间就不需要另加台阶，可简化滤波器结构。

实施例2

请参阅图4，本实施例提供了一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其与实施例1的滤波器相似，区别在于第一电感耦合膜片4和第二电感耦合膜片5均为圆角电感耦合膜片。

在本实施例中，第一电感耦合膜片4的倒圆角半径为0.24mm，具有较大的第二通道的第二电感耦合膜片5的倒圆角半径为0.14mm，具有较小的第二通道的第二电感耦合膜片5的倒圆角半径为0.09mm。

请参阅图5，为了验证上述尺寸的结构的滤波效果，优选地，较大的双模谐振腔3的长度为2.695mm，宽度为5.345mm，较小的双模谐振腔3的长度为 2.82mm，宽度为5.02mm。第一通道的长度为0.92mm，宽度为1.14mm；较大的第二通道的长度为0.33mm，宽度为1.346mm，较小的第二通道的长度为0.25mm，宽度为1.19mm。第一电感耦合膜片4的倒圆角半径为0.24mm，具有较大的第二通道的第二电感耦合膜片5的倒圆角半径为0.14mm，具有较小的第二通道的第二电感耦合膜片5的倒圆角半径为0.09mm。其中，具体的数值如下表所示：

表2基于圆角电感耦合膜片的双传输零点的滤波器的优化尺寸表

同样，在本实施例中，可按照基于耦合矩阵的滤波器仿真流程，采用HFSS 仿真软件对滤波器结构重复进行仿真，当从耦合矩阵中获得的耦合系数与经HFSS本征模解算器计算得到的耦合系数相等时，则可最终获得滤波器的最优结构。并且，在上述的尺寸的结构条件下，通过仿真得到仿真S参数曲线，具体的曲线图请参阅图6。

通过仿真S参数曲线图可以看出，采用圆角耦合膜片的滤波器的中心频率为100.2GHz，3-dB相对带宽为3.7％，两个传输零点分别位于97.75GHz和 102.75GHz处，在整个带宽范围内，其回波损耗高于-20dB。根据表2所列的滤波器的优化尺寸可知，两个双模谐振腔3的宽度a2和a3分别为5.345mm和 5.02mm，使得两个传输零点分别位于通带的两侧，提高了滤波器的带外抑制能力。另外，该滤波器结构的最大深宽比b/t3＝5.08，小于实施例1的最大深宽比。

故，将四阶双模矩形波导滤波器的耦合膜片由直角电感膜片改为圆角电感膜片后，不仅没有对滤波器的特性造成不好的影响，相反还将其回波损耗从 -12dB提高到了-20dB，最重要的是使得滤波器结构的最大深宽比从原来的12.7 降到了5.08，结构深宽比的大幅减小意味着微加工难度的大幅下降，加工误差也会大幅下降，能够更好的保证滤波器样品的性能接近其仿真特性。

由于两个谐振腔之间的磁场能量交换是通过磁耦合的大小来表征的，耦合使得谐振腔的频率发生了一定程度的分散，即拓展了腔体的选频带宽，耦合越大，分散程度越大。因此，本实施例可采用圆角电感耦合膜片，采用圆角耦合膜片以后，实际上相当于改变了膜片的尺寸，使得耦合量的大小发生了改变，从而使得谐振腔之间的耦合量增强，最终导致波导滤波器的回波损耗减小，同时使得结构的最大深宽比减小。这样，不仅没有对滤波器的滤波特性造成影响，反而极大的减小了整个滤波器结构的深宽比，从而降低微制造的难度，提高制造的精确度。

实施例3

本实施例提供了一种多阶滤波器件，其包括多个实施例1或者实施例2中的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，且这些太赫兹双模矩形波导滤波器均位于同一个平面上，并通过金属线相连。当多阶滤波器由两个太赫兹双模矩形波导滤波器及金属线组成时，多阶滤波器实际为三阶滤波器，可以提高滤波器的整体性能。

实施例4

本实施例提供了一种降频器，其包括混频器、实施例1或实施例2的滤波器以及共振器。滤波器直接耦接于混频器，且一个波导接口6用于接受射频信号，而另一个波导接口6用于输出滤波信号。混频器用于根据一个本地振荡信号，将前述滤波信号的频率进行降频处理，以输出一个中频信号，以实现降频的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其包括：

本体(1)，其相对两侧上分别开设两个开口(2)；

其特征在于，本体(1)内具有相通的两个双模谐振腔(3)；所述双模矩形波导滤波器还包括：

至少两片第一电感耦合膜片(4)，其设置在两个双模谐振腔(3)之间，且相互隔开以形成连通两个双模谐振腔(3)的一条第一通道；

两组第二电感耦合膜片(5)，其分别安装在两个开口(2)中；每组第二电感耦合膜片(5)包括至少两片第二电感耦合膜片(5)，且至少两片第二电感耦合膜片(5)相互隔开以形成分别连通两个双模谐振腔(3)的两条第二通道；以及

两个波导接口(6)，其分别与两组第二电感耦合膜片(5)相对应；每个波导接口(6)通过对应的第二电感耦合膜片(5)而盖在对应的开口(2)上；

其中，开口(2)、双模谐振腔(3)、第一电感耦合膜片(4)以及第二电感耦合膜片(5)的高度均相同；电磁波通过一个波导接口(6)输入一条第二通道中，并进入两个双模谐振腔(3)进行磁耦合和电耦合以滤波，且在滤波后通过另一条第二通道进入另一个波导接口(6)而输出。

2.如权利要求1所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，第一电感耦合膜片(4)与第二电感耦合膜片(5)均为圆角电感耦合膜片。

3.如权利要求1所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，双模谐振腔(3)、所述第一通道以及所述第二通道均为长方体结构。

4.如权利要求3所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，本体(1)的外轮廓呈字形，且开口(2)开设在本体(1)的对称轴上。

5.如权利要求4所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，定义本体(1)的对称轴的方向为长度方向，与本体(1)的对称轴的垂直的方向为宽度方向；

较大的双模谐振腔(3)的长度为2.695mm，宽度为5.345mm；较小的双模谐振腔(3)的长度为2.82mm，宽度为5.02mm；

所述第一通道的长度为0.92mm，宽度为1.14mm；

较大的第二通道的长度为0.33mm，宽度为1.346mm，较小的第二通道的长度为0.25mm，宽度为1.19mm。

6.如权利要求5所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，开口(2)、双模谐振腔(3)、第一电感耦合膜片(4)以及第二电感耦合膜片(5)的高度均为1.27mm。

7.如权利要求6所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，第一电感耦合膜片(4)的倒圆角半径为0.24mm，对应较大的第二通道的第二电感耦合膜片(5)的倒圆角半径为0.14mm，对应较小的第二通道的第二电感耦合膜片(5)的倒圆角半径为0.09mm。

8.如权利要求1所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，波导接口(6)采用内置尺寸为2.54mm×1.27mm的WR-10标准矩形波导接口。

9.如权利要求1所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，其特征在于，本体(1)由铜或者铝制得，第一电感耦合膜片(4)和第二电感耦合膜片(5)为通过高导磁性材料渗合至少一种金属材料，并在2000℃烧聚而制得的膜片。

10.一种多阶滤波器件，其特征在于，其包括多个如权利要求1-9中任意一项所述的低结构深宽比的双模矩形波导滤波器，且多个所述滤波器通过金属线依次相连。