CN109873243B - 一种高q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，包括矩形的金属底板、位于金属底板上的多个金属立柱、用于支撑结构的金属方柱和金属顶板，金属立柱和金属顶板之间留有空气缝隙，与金属立柱以及金属底板、金属顶板一起构成电磁带隙结构，金属立柱与金属底板、金属顶板一起构成五个长方体空腔，形成五个谐振腔，且相邻谐振腔之间设有两排金属立柱用于相邻谐振腔之间能量耦合，金属底板在第一腔、第二腔、第三腔、及第五腔中心分别设置金属圆柱，金属顶板在第一腔和第五腔的正上方开有两个金属圆孔设为两个馈电端口用于该滤波器利用同轴探针从顶侧馈电，该滤波器具有较高的无载品质因数，同时该滤波器具有选择性更强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导谐振腔滤波器，特别涉及一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器。
背景技术
随着无线通信的快速发展，频谱资源变得非常紧张，因此对微波滤波器性能提出了更高的要求。高选择性，低插损等特性微波滤波器开始广泛受到关注。此外，通信系统的频率向更高频段扩展。在毫米波波段及更高频率的通信系统中，微带结构滤波器由于辐射损耗和插入损耗大、色散效应严重等缺点不再适用。同轴结构的滤波器由于其结构的复杂性，对加工工艺和成本提出较高的要求。矩形波导结构的滤波器由于其品质因数高的特点，更适合应用于毫米波波段。但是，实际加工中，由于矩形波导结构的滤波器存在缝隙，且由于加工工艺带来的金属表面粗糙问题，矩形波导滤波器实际可实现的品质因数会大大降低。金属的氧化也会进一步降低波导结构滤波器的品质因数。近年来，缝隙波导技术引起了普遍关注。该技术解决了传统矩形波导滤波器的能量经由缝隙泄露的问题，且金属表面粗糙度和金属氧化等因素对缝隙波导结构滤波器的品质因数影响较小。该技术良好的解决了传统矩形波导滤波器应用中存在的问题。但是由于该结构的色散特性，缝隙波导滤波器过渡带尤其是上边带的选择性较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，具有高品质因数和选择性更强的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，包括矩形的金属底板1和金属顶板3，所述金属底板1与金属顶板3之间设有用作支撑的四个金属方柱2，四个金属方柱2位于金属底板1的四角，金属底板1上设有多个金属立柱6，金属立柱6和金属顶板3之间留有空气缝隙，空气缝隙和金属立柱6以及金属底板1、金属顶板3共同构成电磁带隙结构，所述金属立柱6与金属底板1、金属顶板3共同构成五个长方体空腔，形成滤波器的五个谐振腔，依次为第一腔11、第二腔12、第三腔13、第四腔14及第五腔15，五个谐振腔内填充空气，且相邻谐振腔之间设有用于能量耦合的两排金属立柱6，所述第一腔11、第二腔12、第三腔13、及第五腔15的中心的金属底板1上分别设置有用于谐振腔调谐的第一金属圆柱7、第二金属圆柱8、第三金属圆柱9及第四金属圆柱10，所述金属顶板3在第一腔11和第五腔15的正上方开有两个金属圆孔，作为用于该滤波器利用同轴探针从顶侧馈电的第一馈电端口5.1和第二馈电端口5.2。
所述金属底板1和金属顶板3均为长方形，材质采用铝或铜，所述金属顶板3四角处各开有直径为2mm的螺孔4，下侧四角上有四个长方体切角，切角的尺寸为4mm×4mm×3mm。
所述四个金属方柱2为截面4mm×4mm的正方形，高度为10mm，且四个金属方柱2上分别开有四个直径为2mm的螺孔4。
所述金属立柱6为三排，为截面1mm×1mm的正方形，高度为6mm，相邻金属立柱6的间距为1mm；所述第一腔11和第四腔14的金属立柱6的间距为d14＝1.2mm，金属立柱6的高度为5.3mm。
所述空气缝隙的高度为1mm。
所述第三腔13与第四腔14相邻，第四腔14与第五腔15相邻，且三者构成第一排，第三腔13与第二腔12相邻，第二腔12与第一腔11相邻，第一腔11与第二腔12构成第二排，两排平行设置，五个谐振腔的宽度均为W＝14.7mm，第一腔11和第五腔15的长度为L1＝L5＝12mm，第二腔12、第三腔13、第四腔14的长度为L2＝L3＝L4＝11.6mm。
所述相邻谐振腔之间能量耦合的方式为电耦合，相邻谐振腔之间的两排金属立柱6的间距为1mm。
所述第一腔11和第二腔12间耦合窗的宽度为d12＝8.06mm，第二腔12和第三腔13之间耦合窗的宽度为d23＝8.44mm，第三腔13和第四腔14之间耦合窗的宽度为d34＝7.82mm，第四腔14和第五腔15之间的耦合窗的宽度为d45＝8.06mm。
所述第一金属圆柱7高度为0.6mm，直径为1mm，第二金属圆柱8高度为0.3mm，直径为1mm，第三金属圆柱9高度为0.6mm，直径为2mm，第五金属圆柱10高度为0.6mm，直径为1mm。
所述第一馈电端口5.1和第二馈电端口5.2的圆孔直径均为4.1mm，同轴探针探入的深度为2mm，且同轴探针在谐振腔宽度方向偏离谐振腔中心的距离为1mm。
由于本发明的谐振腔利用缝隙波导技术实现，谐振腔内填充空气，具有较高的无载品质因数(4500)，相对于传统的矩形波导滤波器，该滤波器有较高的实际可实现的品质因数，且该滤波器通过第一腔和第四腔间的交叉耦合，在滤波器边带引入两个传输零点，使得该滤波器有更强选择性的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是本发明去掉金属顶板3的内部结构示意图。
图4是本发明去掉金属顶板3的俯视图。
图5是本发明回波损耗与插入损耗的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，包括矩形的金属底板1和金属顶板3，所述金属底板1和金属顶板3均为长方形，材质采用铝或铜，所述金属顶板3四角处各开有直径为2mm的螺孔4，下侧四角上有四个长方体切角，切角的尺寸为4mm×4mm×3mm。
所述金属底板1与金属顶板3之间设有四个金属方柱2，是用于金属顶板3的支撑结构，四个金属方柱2位于金属底板1的四角，所述四个金属方柱2为截面4mm×4mm的正方形，高度为10mm，且四个金属方柱2上分别开有四个直径为2mm的螺孔4。该结构和金属顶板3锲合，一起用于同轴探针激励位置的定位和结构加固。
所述金属底板1上设有多个金属立柱6，所述金属立柱6为三排，为截面1mm×1mm的正方形，高度为6mm，相邻金属立柱6的间距为1mm。金属立柱6和金属顶板3之间留有空气缝隙，所述空气缝隙的高度为1mm。空气缝隙和金属立柱6以及金属底板1、金属顶板3共同构成电磁带隙结构，所述金属立柱6与金属底板1、金属顶板3共同构成五个长方体空腔，形成滤波器的五个谐振腔，依次为第一腔11、第二腔12、第三腔13、第四腔14及第五腔15，五个谐振腔内填充空气，腔内电磁能量经过三个周期的电磁带隙结构后有超过50dB衰减，因此，可以忽略能量泄露，且为了保持该电磁带隙结构周期性及满足谐振腔间耦合系数的要求，局部金属立柱的截面尺寸和间距有适当调整。
参见图3和图4，所述第三腔13与第四腔14相邻，第四腔14与第五腔15相邻，且三者构成第一排，第三腔13与第二腔12相邻，第二腔12与第一腔11相邻，第一腔11与第二腔12构成第二排，两排平行设置。由三排金属立柱6构成的五个谐振腔的宽度均为W＝14.7mm，第一腔11和第五腔15的长度为L1＝L5＝12mm，第二腔12、第三腔13、第四腔14的长度为L2＝L3＝L4＝11.6mm。
所述相邻谐振腔之间能量耦合的方式为电耦合，相邻谐振腔之间有两排金属立柱6，相邻谐振腔之间的两排金属立柱6的间距为1mm。通过改变两排金属立柱6的间距、金属立柱6的高度和挖掉中间部分金属立柱6形成耦合窗来调节谐振腔间的耦合系数，且两排金属立柱间距越小、金属立柱高度越低、耦合窗宽度越宽，腔间的耦合系数越大。所述滤波器第一腔11和第四腔14间的交叉耦合系数通过调节腔间两排金属立柱6间的尺寸和金属立柱6的高度实现，所述第一腔11和第四腔14的金属立柱6的间距为d14＝1.2mm，金属立柱6的高度为5.3mm。
所述滤波器为了增大各谐振腔间直接耦合的耦合系数，采用了挖掉中间部分金属立柱扩宽耦合窗的方式，且第一腔11和第二腔12间耦合窗的宽度为d12＝8.06mm，第二腔12和第三腔13之间耦合窗的宽度为d23＝8.44mm,第三腔13和第四腔14之间耦合窗的宽度为d34＝7.82mm,第四腔14和第五腔15之间的耦合窗的宽度为d45＝8.06mm。
所述滤波器为了实现五个腔同步调谐并保持金属立柱6的周期性，维持腔间两排金属柱6间隔为1mm，分别在第一腔11、第二腔12、第三腔13、第四腔14及第五腔15内引入调谐金属圆柱，该调谐金属圆柱分别位于金属底板1上各腔中心，所述位于金属底板1上谐振腔中心的调谐金属圆柱，第一腔的第一金属圆柱7高度为0.6mm，直径为1mm，第二腔的第二金属圆柱8高度为0.3mm，直径为1mm，第三腔的第三金属圆柱9高度为0.6mm，直径为2mm，第五腔的第五金属圆柱10高度为0.6mm，直径为1mm。。
所述金属顶板3在第一腔11和第五腔15的正上方开有两个金属圆孔，作为用于该滤波器利用同轴探针从顶侧馈电的第一馈电端口5.1和第二馈电端口5.2，用于对该滤波器进行激励，参见图2。通过改变同轴探针探入深度和激励相对于腔中心位置偏移调节外部品质因数，且同轴探针探入深度越大，与腔中心偏移越小，外部品质因数越小。所述第一馈电端口5.1和第二馈电端口5.2的圆孔直径均为4.1mm，同轴探针探入的深度为2mm，且同轴探针在谐振腔宽度方向偏离谐振腔中心的距离为1mm。
本发明所述高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器的工作原理如下：
本发明所述高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，原理上利用了电磁带隙结构，金属底板1、金属顶板3提供地，并与金属立柱6以及金属立柱6和金属顶板3间的空气缝隙一起构成电磁带隙结构。当频率处于电磁带隙的阻带内，电磁波不能传播，利用该电磁带隙结构的阻带设计滤波器，该滤波器具有较高的品质因数。并通过第一腔11和第四腔14的交叉耦合在通带两侧引入两个传输零点，使得该滤波器具有更强的选择性。
图5是本发明所述高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器回波损耗和插入损耗的仿真结果，该滤波器中心频率为15.07GHz，相对带宽为4％，回波损耗小于-15dB，通带内损耗为0.4dB，小于传统矩形波导滤波器的插入损耗，在通带左右各有一个传输零点，使得该滤波器的过渡带陡降特性更好，选择性更强。
Claims (9)
1.一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，包括矩形的金属底板(1)和金属顶板(3)，所述金属底板(1)与金属顶板(3)之间设有用作支撑的四个金属方柱(2)，四个金属方柱(2)位于金属底板(1)的四角，金属底板(1)上设有多个金属立柱(6)，金属立柱(6)和金属顶板(3)之间留有空气缝隙，空气缝隙和金属立柱(6)以及金属底板(1)、金属顶板(3)共同构成电磁带隙结构，所述金属立柱(6)与金属底板(1)、金属顶板(3)共同构成五个长方体空腔，形成滤波器的五个谐振腔，依次为第一腔(11)、第二腔(12)、第三腔(13)、第四腔(14)及第五腔(15)，五个谐振腔内填充空气，且相邻谐振腔之间设有用于能量耦合的两排金属立柱(6)，所述第一腔(11)、第二腔(12)、第三腔(13)、及第五腔(15)的中心的金属底板(1)上分别设置有用于谐振腔调谐的第一金属圆柱(7)、第二金属圆柱(8)、第三金属圆柱(9)及第四金属圆柱(10)，所述金属顶板(3)在第一腔(11)和第五腔(15)的正上方开有两个金属圆孔，作为用于该滤波器利用同轴探针从顶侧馈电的第一馈电端口(5.1)和第二馈电端口(5.2)；
所述第一金属圆柱(7)高度为0.6mm，直径为1mm，第二金属圆柱(8)高度为0.3mm，直径为1mm，第三金属圆柱(9)高度为0.6mm，直径为2mm，第四金属圆柱(10)高度为0.6mm，直径为1mm。
2.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述金属底板(1)和金属顶板(3)均为长方形，材质采用铝或铜，所述金属顶板(3)四角处各开有直径为2mm的螺孔(4)，下侧四角上有四个长方体切角，切角的尺寸为4mm×4mm×3mm。
3.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述四个金属方柱(2)为截面4mm×4mm的正方形，高度为10mm，且四个金属方柱(2)上分别开有四个直径为2mm的螺孔(4)。
4.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述金属立柱(6)为三排，为截面1mm×1mm的正方形，高度为6mm，相邻金属立柱(6)的间距为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述空气缝隙的高度为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述第三腔(13)与第四腔(14)相邻，第四腔(14)与第五腔(15)相邻，且三者构成第一排，第三腔(13)与第二腔(12)相邻，第二腔(12)与第一腔(11)相邻，第一腔(11)与第二腔(12)构成第二排，两排平行设置，五个谐振腔的宽度均为W＝14.7mm，第一腔(11)和第五腔(15)的长度为L1＝L5＝12mm，第二腔(12)、第三腔(13)、第四腔(14)的长度为L2＝L3＝L4＝11.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述相邻谐振腔之间能量耦合的方式为电耦合，相邻谐振腔之间的两排金属立柱(6)的间距为1mm。
8.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述第一腔(11)和第二腔(12)间耦合窗的宽度为d12＝8.06mm，第二腔(12)和第三腔(13)之间耦合窗的宽度为d23＝8.44mm，第三腔(13)和第四腔(14)之间耦合窗的宽度为d34＝7.82mm，第四腔(14)和第五腔(15)之间的耦合窗的宽度为d45＝8.06mm。
9.根据权利要求1所述的一种高Q交叉耦合的缝隙波导微波滤波器，其特征在于，所述第一馈电端口(5.1)和第二馈电端口(5.2)的圆孔直径均为4.1mm，同轴探针探入的深度为2mm，且同轴探针在谐振腔宽度方向偏离谐振腔中心的距离为1mm。
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