CN110148821A - 一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器 - Google Patents

一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，包括：腔体，第一实心内导体，第二实心内导体，SMA射频连接输入端口，SMA射频连接输出端口，输入端十字形馈线主枝节，输出端十字形馈线主枝节，输入端十字形馈线外耦合枝节，输出端十字形馈线外耦合枝节，输入端十字形馈线内耦合枝节，输出端十字形馈线内耦合枝节，整个滤波器结构为关于对称面A‑A’的对称结构。本发明在小尺寸的电路结构中，该滤波器实现了四模宽频通带特性、宽阻带范围、通带两边都有传输零点带来较高的通带选择性、以及设计和加工简单等特性，能够满足小型宽频通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、卫星等微波通信系统中。

Description

一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器
技术领域
本发明涉及一种腔体宽带滤波器，尤其涉及一种采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器。
背景技术
近年来，随着无线通信技术、导航技术和电子对抗的发展，系统之间占用的频段越来越近，同时通讯器件做的越来越小，因此系统对射频收发前端的重要器件—微波滤波器的设计提出了越来越高的标准和要求。腔体滤波器具有高功率容量，高品质因数、高稳定性、低损耗、良好的温度特性等特点，因此常被用于通信基站、航空、航天、雷达、电子对抗、广播电视等电子设备中。同时，由于滤波器的谐振器尺寸与工作频率存在着一定的反比例关系，在频率较低时，滤波器的尺寸就会比较大，这制约了大尺寸滤波器的应用，因此在提高性能的基础上进行滤波器的小型化设计成为是微波滤波器研究者面临的主要挑战。但是腔体滤波器最大的缺点是体积和加工成本比其他形式的滤波器大得多。腔体多模滤波器是一种小型化的腔体滤波器，在腔体多模滤波器中，一个腔能实现多个单腔单模谐振器才能实现的滤波效果，因此减小了整个滤波器的尺寸，从而实现了腔体滤波器的小尺寸和低成本。为了减小滤波器的尺寸和降低加工成本，腔体多模滤波器的研究逐渐成为国内外的研究热点。
腔体多模滤波器的绝大多数都是窄带滤波器，随着通信速率的提升，高速率通信必须以宽带宽为前提，因此带宽的需求也因此增大。目前腔体多模滤波器在宽带的实现上只有两种方法：在一个腔里面隔离出多个小腔，形式上是一个腔体内的多个模式，实际上是将隔离出来的小腔体当成新的谐振器进行分析。这种方法类似与多个谐振器的级联，控制性较好，但是尺寸相对较大。第二种方法是找寻一个腔内存在宽带可能性的多个模式的这样的腔，通过引入一个结构，用该结构某个或某几个参数控制模式的谐振频率以及之间的模式耦合。这种方法的优点在于体积相对小，但是控制性不如第一种方法。
因此在目前的腔体多模宽带滤波器的研究中，有两个关键问题还没有解决：1、目前腔体多模宽带滤波器所有文献中，腔体四模宽带滤波器的FBW(相对带宽)最大只能做到31％，而市场有更宽带宽的需求，比如使得FBW大于45％，因此如何突破目前的带宽上限是一个急需解决的关键问题；2、腔体滤波器的寄生模式所产生的谐波严重影响滤波器的阻带特性，如何抑制谐波或者使谐波远离通带，从而实现宽阻带特性则是另一个急需解决的关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种结构紧凑、体积小、成本低、高Q值，高功率容量的采用十字形馈线的腔体四模宽带滤波器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，包括：腔体，第一实心内导体，第二实心内导体，SMA射频连接输入端口，SMA射频连接输出端口，输入端十字形馈线主枝节，输出端十字形馈线主枝节，输入端十字形馈线外耦合枝节，输出端十字形馈线外耦合枝节，输入端十字形馈线内耦合枝节，输出端十字形馈线内耦合枝节，所述采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器关于对称面A-A’对称；
所述腔体的直径影响TE+模和TE-模的谐振频率；所述输入十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输入端口的信号线相连；所述输出十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输出端口的信号线相连，所述SMA射频连接输入端口和所述SMA射频连接输出端口固定在所述腔体的外壁的设定高度上；所述第一实心内导体和所述第二实心内导体为实心圆柱体，分别连接至所述腔体的下底面，所述第一实心内导体的高度决定TM01模的谐振频率。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述腔体的高度高于所述第一实心内导体的高度和所述第二实心内导体的高度；所述设定高度控制两个TE简并模的分离并影响四个模式的外部Q值。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述第一实心内导体和所述第二实心内导体为等高度且高度远大于直径的实心圆柱体，所述腔体为圆柱腔体，所述第一实心内导体和所述第二实心内导体分别通过焊接垂直连接至所述圆柱腔体的下圆底面，两个连接点关于所述下圆底面中心对称。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述SMA射频连接输入端口和所述SMA射频连接输出端口通过周边的4个螺钉正交固定在所述圆柱腔体的外壁上。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述输入十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输入端口的信号线通过焊接相连；所述输出十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输出端口的信号线通过焊接相连。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述输入端十字形馈线主枝节长度控制与所述第一实心内导体的耦合；所述输出端十字形馈线主枝节长度控制与所述第二实心内导体的耦合；所述输入端十字形馈线主枝节和所述输出端十字形馈线主枝节长度决定TM01模和TM11模的外部Q值。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述输入端十字形馈线外耦合枝节和所述输入端十字形馈线内耦合枝节与所述输入端十字形馈线主枝节垂直，所述输出端十字形馈线外耦合枝节和所述输出端十字形馈线内耦合枝节与所述输出端十字形馈线主枝节垂直，所述输入端十字形馈线外耦合枝节、所述输入端十字形馈线内耦合枝节、所述输出端十字形馈线外耦合枝节和所述输出端十字形馈线内耦合枝节的长度共同控制TE+模和TE-模的外部Q值。
在本发明所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器中，所述输入端十字形馈线和所述输出端十字形馈线存在源负载耦合，所述耦合产生并控制通带两边的传输零点。
本发明的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器实现了四模宽频通带特性、宽阻带范围、通带两边都有传输零点带来较高的通带选择性，此外，还具有低色散、设计和加工简单等特性，能够满足小型宽频通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、卫星等微波电子系统中。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为根据本发明提出的采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器结构3维视图；
图2为根据本发明提出的采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器结构俯视图；
图3为根据本发明提出的采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器结构侧视图；
图4(a)是TM01模磁场图；
图4(b)是TM11模磁场图；
图4(c)是TE-模电场图；
图4(d)是TE+模电场图；
图5为随馈电高度变化，4个谐振模式外部Q值(Qe)的仿真结果变化图；
图6为根据本发明提出的滤波器的传输响应仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用限定于本发明。
为找出拓宽通带带宽和实现宽阻带特性的关键技术，本发明提出了一种在腔内采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器的具体设计原理如下：
1、四模实现原理。
本发明提出的采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器结构图如图1、图2和图3所示。图4为该三个谐振模式的电磁场分布图，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)分别表示金属腔内的TM01模磁场图，TM11模磁场图，TE-模电场图和TE+模电场图，A-A’表示对称面，其中TM01模和TM11模为金属腔中由两根实心内导体长度和其间隔所激励的两个模式，TE+模和TE-模则是由腔体半径决定谐振频率的一对简并模式，通过十字形馈线的高度控制这对简并模式分离以及四个模式的外部Q值也能受馈电高度影响。
2、宽通带实现原理
宽通带的实现是通过控制十字形馈线尺寸，将TE+模和TE-模的谐振频率调节到TM01模和TM11模谐振频率附近。在确定四个模式的谐振频率之后，再调节十字形馈线尺寸控制每个模式的Q值，从而实现稳定的通带波纹，如图5所示，随着十字形馈线的高度的变化，四个模式的外部Q值也会变化，而且十字形馈线的主枝节、内枝节和外枝节都可以控制Q值，因此设计自由度较高。
3、宽阻带实现原理
金属腔的实心内导体一端开路，一端与金属腔相连，相当于短路谐振器，而短路谐振器只有基模，三次模，五次模等奇次模，而没有二次模、四次模等偶次模，因此具有天然的宽阻带特性。而且通过调节十字形馈电结构的参数，在一定程度上也能使基模频率和三次模频率拉远，从而实现滤波器的宽阻带特性。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决了腔体四模宽带滤波器研究中的两个关键问题：1、突破目前腔体四模宽带滤波器的带宽上限；2、实现宽阻带特性。提供一种结构紧凑、体积小、成本低、高Q值，高功率容量的采用十字形馈线的腔体四模宽带滤波器，提出的单腔四模宽带滤波器还具有小型化、高选择性、设计和加工简单等特点。该滤波器能够满足小型、高选择性，通带带宽较宽并且宽阻带的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。
为了清晰描述本发明，图1、图2和图3分别是本发明的三维视图、俯视图和侧视图，一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，包括：腔体1，第一实心内导体2，第二实心内导体3，SMA射频连接输入端口4，SMA射频连接输出端口5，输入端十字形馈线主枝节6，输出端十字形馈线主枝节7，输入端十字形馈线外耦合枝节8，输出端十字形馈线外耦合枝节9，输入端十字形馈线内耦合枝节10，输出端十字形馈线内耦合枝节11。
所述腔体1为一个空心圆柱腔体，腔体高度大于第一实心内导体2和第二实心内导体3的高度，腔体直径决定一对TE简并模的谐振频率，所述SMA射频连接输入端口4和输出端口5通过周边的4个螺钉正交固定在一定高度的腔体外壁上，该高度控制这对TE简并模的分离；所述第一实心内导体和第二实心内导体为等高度且高度远大于直径的实心圆柱体，分别通过焊接垂直连接至圆柱腔体的下圆底面，两个连接点关于下圆底面中心对称，所述第一实心内导体的高度决定TM01模的谐振频率。
进一步地，所述输入十字形馈线主枝节6与SMA射频连接输入端口4的信号线通过焊接相连；所述输出十字形馈线主枝节7与SMA射频连接输出端口5的信号线通过焊接相连，所述输入端十字形馈线主枝节6长度主要控制与所述第一实心内导体2的耦合；所述输出端十字形馈线主枝节7长度主要控制与所述第一实心内导体3的耦合；所述输入端十字形馈线主枝节6和输出端十字形馈线主枝节7的长度决定TM01模和TM11模的外部Q值。
进一步地，所述输入端十字形馈线外耦合枝节8和内耦合枝节10相连都与输入端十字形馈线主枝节6垂直，所述输出端十字形馈线外耦合枝节9和内耦合枝节11相连都与输出端十字形馈线主枝节7垂直，十字形馈线外耦合枝节8，9和内耦合枝节10，11的长度共同控制TE+模和TE-模的外部Q值，整个滤波器结构始终关于对称面A-A’对称。
进一步地，所述输入端十字形馈线和输出端十字形馈线存在源负载耦合，该耦合产生并控制通带两边的传输零点。
根据上述实施方式，在本实施例中给定的通带频率指标为通带中心频率为2.2GHz，通带带宽为1GHz。圆柱腔体尺寸的高为22.6mm，直径为36.4mm，两根实心内导体长度都为21.2mm，两根实心内导体之间间隙9.4mm。该滤波器由金属制成，在该实施例中采用金属铝制作，并在表层镀银，以减小损耗。
采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器的仿真结果图如图6所示。该滤波器的中心频率为2.2GHz，上通带频率为1.7GHz，下通带频率为2.7GHz，相对带宽为45％，整个通带的S11都低于25dB，通带波纹为0.01dB，上阻带有一个传输零点(1.33GHz)，下阻带有三个传输零点(3.1GHz、3.45GHz和6.53GHz)，阻带范围为2.9GHz-6.4GHz。
本发明实施例的采用十字形馈线的宽阻带单腔四模宽带滤波器，具有较宽的宽频通带特性、较高的通带选择性、较宽的阻带范围、以及较小的尺寸，能够满足小型宽频通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、遥感等微波电子系统中，值得推广。本发明包括并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，在不脱离本发明原理的前提下，可作出不同的变形和替换，例如令十字形馈线某段或某几段枝节馈线长度为0，则变成其他形状(如L形，T形)，改变馈线的耦合位置，将圆柱形腔体改为其他形状，使用其他金属进行加工或电镀(如金、银、铜、铝、铁)等，这些变形和替换也属于本专利保护范围。
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 (8)

1.一种采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，包括：腔体，第一实心内导体，第二实心内导体，SMA射频连接输入端口，SMA射频连接输出端口，输入端十字形馈线主枝节，输出端十字形馈线主枝节，输入端十字形馈线外耦合枝节，输出端十字形馈线外耦合枝节，输入端十字形馈线内耦合枝节，输出端十字形馈线内耦合枝节，所述采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器关于对称面A-A’对称；
所述腔体的直径影响TE+模和TE-模的谐振频率；所述输入十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输入端口的信号线相连；所述输出十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输出端口的信号线相连，所述SMA射频连接输入端口和所述SMA射频连接输出端口固定在所述腔体的外壁的设定高度上；所述第一实心内导体和所述第二实心内导体为实心圆柱体，分别连接至所述腔体的下底面，所述第一实心内导体的高度决定TM01模的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述腔体的高度高于所述第一实心内导体的高度和所述第二实心内导体的高度；所述设定高度控制两个TE简并模的分离并影响四个模式的外部Q值。
3.根据权利要求2所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述第一实心内导体和所述第二实心内导体为等高度且高度远大于直径的实心圆柱体，所述腔体为圆柱腔体，所述第一实心内导体和所述第二实心内导体分别通过焊接垂直连接至所述圆柱腔体的下圆底面，两个连接点关于所述下圆底面中心对称。
4.根据权利要求3所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述SMA射频连接输入端口和所述SMA射频连接输出端口通过周边的4个螺钉正交固定在所述圆柱腔体的外壁上。
5.根据权利要求4所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述输入十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输入端口的信号线通过焊接相连；所述输出十字形馈线主枝节与所述SMA射频连接输出端口的信号线通过焊接相连。
6.根据权利要求1所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述输入端十字形馈线主枝节长度控制与所述第一实心内导体的耦合；所述输出端十字形馈线主枝节长度控制与所述第二实心内导体的耦合；所述输入端十字形馈线主枝节和所述输出端十字形馈线主枝节长度决定TM01模和TM11模的外部Q值。
7.根据权利要求6所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述输入端十字形馈线外耦合枝节和所述输入端十字形馈线内耦合枝节与所述输入端十字形馈线主枝节垂直，所述输出端十字形馈线外耦合枝节和所述输出端十字形馈线内耦合枝节与所述输出端十字形馈线主枝节垂直，所述输入端十字形馈线外耦合枝节、所述输入端十字形馈线内耦合枝节、所述输出端十字形馈线外耦合枝节和所述输出端十字形馈线内耦合枝节的长度共同控制TE+模和TE-模的外部Q值。
8.根据权利要求6所述的采用十字形馈线实现宽阻带单腔四模宽带滤波器，其特征在于，所述输入端十字形馈线和所述输出端十字形馈线存在源负载耦合，所述耦合产生并控制通带两边的传输零点。
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