CN109768356B

CN109768356B - 一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关

Info

Publication number: CN109768356B
Application number: CN201910038544.XA
Authority: CN
Inventors: 李园春; 方欣
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN109768356A

Abstract

本发明公开一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，包括腔体谐振器、探针馈电线结构、薄介质块，腔体谐振器的中部放置了所述薄介质块，薄介质块四周与腔体谐振器内部的四壁连接，探针馈电线结构均由一根主馈电线、一根支馈电线、控制电路组成，主馈电线和支馈电线相互垂直，且主馈电线位于支馈电线中部，支馈电线的一端连接控制电路，另一端直接连接所述腔体谐振器内部的金属块直接接地。本发明通过改变控制电路中二极管的导通和截止实现整个电路的开关功能，在开关处于ON的状态下利用腔体谐振的两个基膜实现双模滤波效果，且薄介质块的微扰降低了通带的频率，减小了电路的2/3的尺寸，在OFF状态下通带范围内有低于‑40dB的隔离。

Description

一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关

技术领域

本发明涉及多功能器件领域，更具体的，涉及一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关。

背景技术

近些年来，多功能低损耗的器件在现代无线通讯网络中引起了热潮，因为器件的融合设计不仅可以减少体积和制作成本，也可以减少因为器件级联和不匹配带来的损耗。众多关于融合设计的研究论文已经发表，例如：集成滤波天线阵列、滤波功放、滤波功分器等。其中开关在射频前端中的重要器件，开关和滤波器的融合设计有着重要意义。

滤波开关在印刷电路板、低温共烧陶瓷技术、基片集成波导技术等加工技术上都已经实现，但是频带选择性和端口隔离受到技术本身限制，品质因素低、插损大等缺点一直存在。而品质因素高的腔体谐振器因为模式众多，不易控制，且体积大质量重，因此基于腔体谐振器的滤波开关研究甚少。

综上所述现有的小型化滤波开关的技术在实际中受到各方面的限制。

发明内容

本发明针对现有滤波开关技术中的不足，提供一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关。本发明的小型化滤波开关基于腔体谐振器的技术，利用探针馈电和腔体中的多个谐振模式，通过控制两者之间的耦合量大小，实现了小型化的滤波开关要求。

为解决上述技术问题，本发明至少采用如下技术方案之一。

一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其包括腔体谐振器、探针馈电线结构、薄介质块，所述腔体谐振器的中部放置了所述薄介质块，所述薄介质块四周与所述腔体谐振器内部的四壁连接，所述探针馈电线结构包括输入探针馈电线结构和输出探针馈电线结构，所述输入探针馈电线结构和所述输出探针馈电线结构均由一根探针主馈电线一根探针支馈电线、控制电路组成，且所述支馈电线的一端连接控制电路，另一端直接连接所述腔体谐振器内部的金属块。本发明的滤波开关通过改变所述控制电路中二极管PIN的导通和截止，从而实现基于腔体谐振器的滤波开关的ON和OFF的状态。

进一步地，所述的控制电路被集成在PCB上，然后将PCB固定在所述腔体谐振器内部的金属块上，所述的控制电路包括输入控制电路和输出控制电路，所述的输入控制电路和所述的输出控制电路均由电容C、二极管PIN以及电阻R构成，所述控制电路的电容C一端与所述探针支馈电线连接，另一端连接电阻R和二极管PIN正极，电阻R的另一端与直流电源相连，二极管的负极通过接地通孔直接接地。

进一步地，所述输入探针馈电线结构中输入探针主馈电线和输入探针支馈电线相互垂直，且所述输入探针主馈电线位于所述输入探针支馈电线中部，所述的输入探针支馈电线与水平负方向成夹角θ倾斜，且所述的输入探针支馈电线一端连接所述控制电路的电容C，另一端直接连接所述腔体谐振器内部的金属块。

进一步地，所述输出探针馈电线结构中输出探针主馈电线和输出探针支馈电线相互垂直，且所述输出探针主馈电线位于所述输出探针支馈电线中部，所述的输出探针支馈电线与水平正方向成夹角θ倾斜，且所述的输出探针支馈电线一端连接所述的输出控制电路（6）的电容C，另一端直接连接所述腔体谐振器内部的金属块。

进一步地，当电路处于ON状态时，所述控制电路的二极管PIN处于截至状态，所述腔体谐振器的三个基膜，TE₁₀₁ 、TE₀₁₁和TM₁₁₀都可以被激励和接收。但是所述的薄介质块的微扰可以降低TE₁₀₁ 、TE₀₁₁两个模式的谐振频率，减小了2/3的电路尺寸，而同时保持TM₁₁₀模式频率不变，通过调节所述探针支馈电线结构的长度和倾斜角度θ，改变所述探支馈电线与所述腔体谐振器之间的耦合量，可以得到滤波性能好的双模通带；当电路处于OFF状态时，所述的控制电路的二极管PIN处于导通状态，所述腔体谐振器的只有TM₁₁₀模式被激励和接收，TM₁₁₀模式谐振频率因所述薄介质块的微扰，而距离ON状态的通带很远，因此在通带周围形成了较宽的高隔离。

进一步地，集成所述控制电路的PCB的介质基板的介电常数为3，介质损耗角为0.0013,介质厚度为0.762mm的PCB上，所述薄介质块的介电常数9.9，截至损耗叫为0.00015，所述腔体谐振器材质为镀银铝基板，所述控制电路中二极管PIN的型号为SMP1302-085LF。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明利用了腔体谐振器中TE₁₀₁ 、TE₀₁₁两个模式的电磁场分布特点，结合探针馈电的电磁场分布特点，通过改变探针倾斜角度直接调节两者之间耦合量的大小，形成较好的双模通带，通带左右的零点增强了滤波特性。

本发明中薄介质块降低了TE₁₀₁ 、TE₀₁₁两个模式的谐振频率，而不改变其电磁场分布，使得整个体积减小了2/3。

本发明利用损耗较大的二极管控制电路ON和OFF状态的切换，但是当电路处于ON状态时二极管是截至状态，二极管的损耗不会带入通带，保证了ON状态时通带内好的滤波性能。

附图说明

图1是实例中基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关的整体结构示意图。

图2是实例中基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关的整体尺寸示意图。

图3是实例中基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关的左视图。

图4是实例中滤波开关实施例仿真的ON 和OFF两个状态的S参数的对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之部件或符号，均是本领域技术人员可以根据本申请和现有技术理解或实现的，例如图2中关于尺寸的举例，相应的符号代表的尺寸含义是可以根据实施例其他图中得出的。

如图1到图4所示，一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，包括腔体谐振器、探针馈电线结构和薄介质块，所述腔体谐振器3的中部放置了所述薄介质块4，所述薄介质块4四周与所述腔体谐振器3内部的四壁连接；所述探针馈电线结构包括输入探针馈电线结构1和输出探针馈电线结构6，所述输入探针馈电线结构1和所述输出探针馈电线结构6均各自包括一根探针主馈电线（11，61）、一根探针支馈电线（12、62）、控制电路（2、5）组成，且所述支馈电线（12、62）的一端连接控制电路（2、5），另一端直接连接所述腔体谐振器（3）内部的金属块。本发明的滤波开关通过改变所述控制电路中二极管PIN的导通和截止，从而实现基于腔体谐振器的滤波开关的ON和OFF的状态。

如图2所示，所述的控制电路（2、5）被集成在PCB上，然后将PCB固定在所述腔体谐振器5内部的金属块上（靠近图1中左右两侧的对角处的虚线框部分），所述的控制电路（2、5）包括输入控制电路2和输出控制电路5，所述的输入控制电路2和所述的输出控制电路5均各自由电容C、二极管PIN以及电阻R构成，所述控制电路（2、5）的电容（C）一端与所述探针支馈电线（12，62）连接，另一端连接电阻（R）和二极管（PIN）正极，电阻（R）的另一端与直流电源相连，二极管的负极通过接地通孔直接接地。

如图2和图3所示，所述输入探针馈电线结构1中输入探针主馈电线11和输入探针支馈电线21相互垂直，且所述输入探针主馈电线11位于所述输入探针支馈电线12中部，所述的输入探针支馈电线12与水平负方向成夹角θ倾斜，且所述的输入探针支馈电线12一端连接所述控制电路2的电容C，另一端直接连接所述腔体谐振器3内部的金属块。

如图2和图3所示所述输出探针馈电线结构6中输出探针主馈电线61和输出探针支馈电线62相互垂直，且所述输出探针主馈电线61位于所述输出探针支馈电线62中部，所述的输出探针支馈电线62与水平正方向成夹角θ倾斜，且所述的输出探针支馈电线62一端连接所述的输出控制电路6的电容，另一端直接连接所述腔体谐振器3内部的金属块。

如图2和图3所示，当电路处于ON状态时，所述的控制电路中二极管PIN处于截至状态，所述的输入探针支馈电线和所述的输出探针支馈电线与控制电路连接的一端处于开路，与所述腔体谐振器内部的金属块连接的一端直接接地，因此所述的输入探针支馈电线和所述的输出探针支馈电线左右不等长，所述腔体谐振器的三个基膜，TE₁₀₁ 、TE₀₁₁和TM₁₁₀都可以被激励和接收。但是所述的薄介质块可以降低TE₁₀₁ 、TE₀₁₁两个模式的谐振频率，减小了电路2/3的尺寸，而同时保持TM₁₁₀模式频率不变，通过调节所述探针支馈电线结构的长度和倾斜角度θ，改变所述探针支馈电线与所述腔体谐振器之间的耦合量，可以得到滤波性能好的双模通带。

如图2所示，当电路处于OFF状态时，所述的控制电路中二极管PIN处于导通状态，所述的输入探针支馈线和所述的输出探针支馈电线与控制电路连接的一端相当于直接接地，因此所述的输入探针支馈线和所述的输出探针支馈电线左右平衡，所述腔体谐振器的只有TM₁₁₀模式被激励和接收，TM₁₁₀模式谐振频率因所述薄介质块的微扰，而距离ON状态的通带很远，因此在通带周围形成了较宽的高隔离。

本实施例中，通带中心频率由腔体谐振器和薄介质块的尺寸决定，通带耦合量由探针馈电线结构的旋转角度θ决定，通过调节上述所指出的腔体谐振器和薄介质块的尺寸，探针的倾斜角，本实施例获得了所需的小型化滤波特性，通过控制二极管的导通和截至状态，本实施例获得了所需的ON和OFF的开关特性。

作为举例，如图2~图4所示，L1为63mm，L2为3mm，L3为48mm，金属块长度L4为12.5mm， W1为63.1mm，金属块宽度W2为12.5mm， H1为70mm，金属块高度（厚度）H2为1.8mm，θ为40°，D为4mm， G为2mm，C为10pF，所述腔体谐振器和中间金属板的材质均为镀银铝基板，集成所述控制电路的PCB的介质基板的介电常数为3，介质损耗角为0.0013,介质厚度为0.762mm，所述薄介质块的介电常数9.9，截至损耗叫为0.00015，所述控制电路中二极管的型号为SMP 1302-085LF。测试结果如图4所示，图中包含三条曲线，分别是ON状态时的S11和S21，OFF状态时的S21。当该小型化滤波开关在ON状态下，工作于2.84GHz，拥有约为1.7%的3dB相对带宽，最小插入损耗为0.62，通带内回波损耗约19.5，且通带左右均有零点，增强了滤波效果。当该小型化滤波开关在OFF状态下，通带内S21的值均低于-40dB，且在2.6GHz到3.4GHz的宽带范围内由低于-30dB的隔离带。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于包括腔体谐振器、探针馈电线结构和薄介质块，所述腔体谐振器（3）的中部放置了所述薄介质块（4），所述薄介质块（4）四周与所述腔体谐振器（3）内部的四壁连接；所述探针馈电线结构包括输入探针馈电线结构（1）和输出探针馈电线结构（6），所述输入探针馈电线结构（1）和所述输出探针馈电线结构（6）均各自包括一根探针主馈电线（11，61）、一根探针支馈电线（12、62）、控制电路（2、5）组成，且所述支馈电线（12、62）的一端连接控制电路（2、5），另一端直接连接所述腔体谐振器（3）内部的金属块；当电路处于ON状态时，所述控制电路（2、5）的二极管PIN处于截至状态，所述腔体谐振器（3）的三个基模，TE₁₀₁ 、TE₀₁₁和TM₁₁₀都能被激励和接收；所述的薄介质块（4）的微扰能降低TE₁₀₁ 、TE₀₁₁两个模式的谐振频率，减小2/3的电路尺寸，而同时保持TM₁₁₀模式频率不变，通过调节所述探针支馈电线结构（12、62）的长度和倾斜角度θ，改变所述探针馈电线（12、62）与所述腔体谐振器（3）之间的耦合量，得到滤波性能好的双模通带；当电路处于OFF状态时，所述的控制电路（2、5）的二极管PIN处于导通状态，所述腔体谐振器（3）的只有TM₁₁₀模式被激励和接收，TM₁₁₀模式谐振频率因所述薄介质块（4）的微扰，而距离ON状态的通带很远，因此在通带周围形成了较宽的高隔离。

2.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，通过改变所述控制电路（2、5）中二极管PIN的导通和截止，实现基于腔体谐振器的滤波开关的开（ON）和关（OFF）的状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，所述的控制电路（2、5）被集成在PCB上，然后将PCB固定在所述腔体谐振器（3）内部的金属块上，所述的控制电路（2、5）包括输入控制电路（2）和输出控制电路（5），所述的输入控制电路（2）和所述的输出控制电路（5）均各自由电容（C）、二极管（PIN）以及电阻（R）构成，所述控制电路（2、5）的电容（C）一端与所述探针支馈电线（12，62）连接，另一端连接电阻（R）和二极管（PIN）正极，电阻（R）的另一端与直流电源相连，二极管的负极通过接地通孔直接接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，所述输入探针馈电线结构（1）中输入探针主馈电线（11）和输入探针支馈电线（21）相互垂直，且所述输入探针主馈电线（11）位于所述输入探针支馈电线（12）中部，所述的输入探针支馈电线（12）与水平负方向成夹角θ倾斜，且所述的输入探针支馈电线（12）一端连接所述控制电路（2）的电容（C），另一端直接连接所述腔体谐振器（3）内部的金属块。

5.根据权利要求3所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，所述输出探针馈电线结构（6）中输出探针主馈电线（61）和输出探针支馈电线（62）相互垂直，且所述输出探针主馈电线（61）位于所述输出探针支馈电线（62）中部，所述的输出探针支馈电线（62）与水平正方向成夹角θ倾斜，且所述的输出探针支馈电线（62）一端连接所述的输出控制电路（5）的电容，另一端直接连接所述腔体谐振器（3）内部的金属块。

6.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，集成所述控制电路（2、5）的PCB的介质基板的介电常数为3，介质损耗角为0.0013,介质厚度为0.762mm的PCB上；所述薄介质块（4）的介电常数9.9，介质损耗角为0.00015。

7.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，所述腔体谐振器（3）材质为镀银铝基板。

8.根据权利要求1所述的一种基于腔体谐振器的小型化多模滤波开关，其特征在于，所述控制电路中（2、5）二极管的型号为SMP 1302-085LF。