CN110190368A - 一种小型同轴腔三频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型同轴腔三频滤波器，包括：第一同轴腔，第二同轴腔，输入端口，输出端口，第一王字形三枝节加载的耦合片，第二王字形三枝节加载的耦合片，第一同轴三饼片加载谐振器，第二同轴三饼片加载谐振器，耦合窗，整个滤波器结构为关于耦合窗中心面的对称结构。本发明不仅实现三个通带频率可控的腔体三频滤波器，还实现了滤波器的小型化，而且高功率容量，大频率比、宽阻带、以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，能够满足小型三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。

Description

一种小型同轴腔三频滤波器

技术领域

本发明涉及一种腔体滤波器，尤其涉及一种小型同轴腔三频滤波器。属于微波技术领域。

背景技术

随着无线通信的迅猛发展，频谱资源显得日益紧张。为了降低通信成本和提高频谱利用率，三频滤波器作为仅次于双频滤波器的常用多频滤波器，因其能兼容三种不同制式的三频通信系统前端的关键器件而成为研究热点。同轴腔三频滤波器由于具有低插损、高Q值(品质因数)、高功率容量和高稳定性等优势，在高选择性的窄带通信中获得了广泛应用，尤其是以同轴腔为主的射频滤波器仍是移动通信基站、卫星通信系统和军用通信系统中的关键设备之一。

2018年，Raafat R.Mansour研究团队在本方向权威期刊IEEE MTT上提出了一种椭圆腔体三频滤波器。通过利用三模椭圆谐振腔的3个谐振模式：TE_{111_V}，TE_{111_H}，以及TM₀₁₀模式实现三频特性。如图1所示，该滤波器具有良好的三个频率的通带特性，但是存在3个问题：1、尺寸较大，整个腔内冗余空间太多；2、通带的频率比太小，其中3个通带的中心频率分别是3.65GHz，3.8GHz和4GHz；3、阻带特性较差，第一个谐波出现在4.5GHz位置，阻带太窄影响实用。

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，提供一种三个通带中心频率可控的小型化、高功率容量且设计和加工简单的小型同轴腔三频滤波器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种小型同轴腔三频滤波器，包括：第一同轴腔，第二同轴腔，输入端口，输出端口，第一王字形三枝节加载的耦合片，第二王字形三枝节加载的耦合片，第一同轴三饼片加载谐振器，第二同轴三饼片加载谐振器，耦合窗，所述小型同轴腔三频滤波器关于所述耦合窗的中心面对称；所述第一同轴腔和所述第二同轴腔均为空心立方体；所述输入端口将输入信号发送给所述第一王字形三枝节加载的耦合片；所述输出端口接收由所述第二王字形三枝节加载的耦合片发送的输出信号；所述第一王字形三枝节加载的耦合片和第二王字形三枝节加载的耦合片为所述小型同轴腔三频滤波器的馈电结构，用于控制三个通带的Q值；所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器为所述小型同轴腔三频滤波器的三模谐振结构，用于产生形成三个通带的三个谐振模式；所述耦合窗为所述小型同轴腔三频滤波器的耦合结构，用于控制三个通带的K值。

在本发明所述的小型同轴腔三频滤波器中，所述第一王字形三枝节加载的耦合片和所述第二王字形三枝节加载的耦合片通过接口内导体延长线分别与所述输入端口和所述输出端口相连，所述第一王字形三枝节加载的耦合片和所述第二王字形三枝节加载的耦合片的上枝节的尺寸控制第一个谐振模式产生的第一通带Q值、中枝节的尺寸控制第二个谐振模式产生的第二通带Q值、下枝节的尺寸控制第一个谐振模式产生的第三通带Q值，所述上枝节、所述中枝节和所述下枝节分别与所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器的上饼片、中饼片和下饼片耦合。

在本发明所述的小型同轴腔三频滤波器中，所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器都是由三片圆饼片加载在同一同轴内导体而成，所述同轴内导体的底端焊接在所述第一同轴腔和第二同轴腔的底面中心，所述三片圆饼片中的上圆饼片、中圆饼片和下圆饼片的尺寸分别控制第一谐振模式、第二谐振模式和第三谐振模式的谐振频率，进而分别控制第一通带、第二通带和第三通带的中心频率。

在本发明所述的小型同轴腔三频滤波器中，所述耦合窗为包括上窗口和下窗口的双窗口结构，所述下窗口用于提供第一通带、第二通带和第三通带的主耦合，所述上窗口用于微调所述第一通带、所述第二通带和所述第三通带的耦合系数。

在本发明所述的小型同轴腔三频滤波器中，所述下窗口的尺寸大于所述上窗口的尺寸。

在本发明所述的小型同轴腔三频滤波器中，所述第一同轴腔和第二同轴腔由六金属面围成。本发明不仅实现了三个通带中心频率可控的同轴腔三频滤波器，而且还实现了整个滤波器结构小型化。与此同时，高功率容量，以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，总之，该滤波器能够满足小型三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为文献中的椭圆腔体三频滤波器的频率响应图；

图2为根据本发明提出的小型同轴腔三频滤波器结构3维视图；

图3为根据本发明提出的小型同轴腔三频滤波器结构侧视图；

图4为本发明提出的滤波器的输入端馈电结构—第一王字形三枝节加载的耦合片；

图5为本发明提出的滤波器的谐振结构—第一同轴三饼片加载谐振器；

图6为本发明提出的滤波器的耦合结构—双窗口耦合窗；

图7为根据本发明提出的较窄带宽滤波器的传输响应仿真结果图；

图8为根据本发明提出的较宽带宽滤波器的传输响应仿真结果图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现小型同轴腔三频滤波器，本发明通过采用三饼片加载技术，实现了三个通带中心频率可控的腔体三频滤波器；而且紧凑的馈电结构、谐振结构、以及耦合结构导致了整个滤波器尺寸小型化，其具体设计原理如下：

1、三频带实现原理

本发明提出的小型同轴腔三频滤波器结构图如图2-3所示，图4为馈电结构，图5为三饼片加载谐振器，图6为耦合结构。利用三饼片加载谐振器的前三个模式，其中上饼片控制第一个谐振模式，中饼片控制第二个谐振模式，下饼片控制第三个谐振模式，通过这三个谐振模式实现三频特性。通过观察三个模式的电场图发现前三个谐振模式各模式电场最强处分别集中在上、中、下三个饼片上，因此上、中、下三个饼片的尺寸分别控制第一、第二、第三谐振模式的谐振频率，而且由于利用了作为高次模的第二个谐振模式和第三个谐振模式，变废为宝，使得阻带得到有效拓宽。

2、小型化实现原理

本发明提出的小型同轴腔三频滤波器的馈电结构、三饼片加载谐振器、耦合结构都采用了紧凑结构。其中，馈电结构采用的是三枝节加载的王字形紧凑结构，上、中、下三种加载枝节分别与上、中、下三个饼片耦合，因此三个通带的Q值可以独立控制；三饼片加载谐振器是一种设计自由度较高的三模谐振器，三模谐振器本身就是一种小型化结构；耦合结构采用了双窗口结构，虽然不能独立控制三通带的K值，但能在紧凑的空间能实现较好的磁耦合。

本发明的目的在于克服现有技术的不足—难以实现三个通带频率可控、大频率比且阻带特性良好的小型腔体三频滤波器。通过采用三饼片加载技术，提出了一种结构紧凑、体积小、成本低、高功率容量、大频率比、宽阻带的同轴腔三频滤波器。该滤波器能够满足小型化，以及高功率容量的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：采用三饼片加载技术实现三饼片加载谐振器，王字形三枝节加载的馈电结构，以及双窗口耦合结构。

本发明不仅实现了三个通带中心频率可控的同轴腔三频滤波器，而且还实现了整个滤波器结构小型化。与此同时，高功率容量，以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，总之，该滤波器能够满足小型三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。

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。

为了清晰描述本发明，图2-3分别是本发明的三维视图和侧视图，一种小型同轴腔三频滤波器，包括：第一同轴腔1，第二同轴腔2，输入端口3，输出端口4，第一王字形三枝节加载的耦合片5，第二王字形三枝节加载的耦合片6，第一同轴三饼片加载谐振器7，第二同轴三饼片加载谐振器8，耦合窗9。

所述第一同轴腔1和第二同轴腔2都为六金属面围成的空心立方体，第一同轴腔1和第二同轴腔2有一个金属面共面为耦合窗9，输入端口3和输出端口4分别开在第一同轴腔1的输入侧和第二同轴腔2的输出侧上，第一同轴三饼片加载谐振器7和第二同轴三饼片加载谐振器8分别焊接在第一同轴腔1的底面中心和第二同轴腔2的底面中心。

进一步地，所述输入端口3和输出端口4通过接口内导体延长线分别与第一王字形三枝节加载的耦合片5和第二王字形三枝节加载的耦合片6相连。图4为第一王字形三枝节加载的耦合片结构图，图中第一王字形三枝节加载的耦合片上枝节5a的尺寸主要控制第一个谐振模式产生的第一通带Q值(Q1)，而中枝节5b的尺寸主要控制第二个谐振模式产生的第二通带Q值(Q2)，下枝节5c的尺寸主要控制第一个谐振模式产生的第三通带Q值(Q3)，上、中、下三种加载枝节分别与所述同轴三饼片加载谐振器的上、中、下三个饼片耦合。接口内导体延长线5d用于连接输入端口与第一王字形三枝节加载耦合片。

进一步地，所述第一同轴三饼片加载谐振器7和第二同轴三饼片加载谐振器8也是对称结构。图5为第一同轴三饼片加载谐振器结构图，它由上饼片7a，中饼片7b，下饼片7c这三片圆饼片以同轴的方式加载在同一同轴内导体7d上，同轴内导体7d的底端焊接在第一同轴腔1底面中心，饼片7a，中饼片7b，下饼片7c这三个饼片的尺寸分别控制第一、第二、第三谐振模式的谐振频率，进而分别控制第一、第二、第三通带的中心频率。

进一步地，所述耦合窗9为双窗口结构。图6为双窗口耦合窗结构图，下窗口8b尺寸较大，提供主耦合(磁耦合)，而上窗口8a尺寸较小，主要对耦合系数进行微调，上下两个窗口共同控制三个通带的K值。

根据上述实施方式，在本实施例一中的腔体尺寸为长12mm，宽12mm，高40mm，耦合窗位于靠近下方的短路点位置，三个通带的耦合强度较小从而带宽较窄。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。小型同轴腔较窄带宽的三频滤波器的仿真结果图如图7所示。第一通带中心频率为1.53GHz，通带带宽为50MHz，第二通带中心频率为5.25GHz，通带带宽为90MHz，第三通带中心频率为8.52GHz，通带带宽为100MHz，3个通带的回波损耗分别为17dB，26dB，23dB。

根据上述实施方式，在本实施例二中的腔体尺寸为长12mm，宽12mm，高40mm，耦合窗位于靠近上方的开路位置，三个通带的耦合强度较大从而带宽较宽。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。小型同轴腔较宽带宽的三频滤波器的仿真结果图如图8所示。第一通带中心频率为1.34GHz，通带带宽为100MHz，第二通带中心频率为4.83GHz，通带带宽为90MHz，第三通带中心频率为8.52GHz，通带带宽为340MHz，3个通带的回波损耗分别为21dB，15dB，17dB。与此同时传输零点的增加也导致通带选择性更好。

本发明两个实施例中的小型同轴腔三频滤波器，在实现三个通带频率可控的同时，还实现了滤波器的小型化、大频率比、以及宽阻带特性。它能够满足小型三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，例如令耦合窗变成其他形状(三窗口，四窗口)，改变馈线的耦合位置，将立方体形的同轴腔改为其他形状，使用其他金属进行加工或电镀，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 (6)

1.一种小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，包括：第一同轴腔，第二同轴腔，输入端口，输出端口，第一王字形三枝节加载的耦合片，第二王字形三枝节加载的耦合片，第一同轴三饼片加载谐振器，第二同轴三饼片加载谐振器，耦合窗，所述小型同轴腔三频滤波器关于所述耦合窗的中心面对称；所述第一同轴腔和所述第二同轴腔均为空心立方体；所述输入端口将输入信号发送给所述第一王字形三枝节加载的耦合片；所述输出端口接收由所述第二王字形三枝节加载的耦合片发送的输出信号；所述第一王字形三枝节加载的耦合片和所述第二王字形三枝节加载的耦合片为所述小型同轴腔三频滤波器的馈电结构，用于控制三个通带的Q值；所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器为所述小型同轴腔三频滤波器的三模谐振结构，用于产生形成三个通带的三个谐振模式；所述耦合窗为所述小型同轴腔三频滤波器的耦合结构，用于控制三个通带的K值。

2.根据权利要求1所述的小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，所述第一王字形三枝节加载的耦合片和所述第二王字形三枝节加载的耦合片通过接口内导体延长线分别与所述输入端口和所述输出端口相连，所述第一王字形三枝节加载的耦合片和所述第二王字形三枝节加载的耦合片的上枝节的尺寸控制第一个谐振模式产生的第一通带Q值、中枝节的尺寸控制第二个谐振模式产生的第二通带Q值、下枝节的尺寸控制第一个谐振模式产生的第三通带Q值，所述上枝节、所述中枝节和所述下枝节分别与所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器的上饼片、中饼片和下饼片耦合。

3.根据权利要求1所述的小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，所述第一同轴三饼片加载谐振器和所述第二同轴三饼片加载谐振器都是由三片圆饼片加载在同一同轴内导体而成，所述同轴内导体的底端焊接在所述第一同轴腔和第二同轴腔的底面中心，所述三片圆饼片中的上圆饼片、中圆饼片和下圆饼片的尺寸分别控制第一谐振模式、第二谐振模式和第三谐振模式的谐振频率，进而分别控制第一通带、第二通带和第三通带的中心频率。

4.根据权利要求1所述的小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，所述耦合窗为包括上窗口和下窗口的双窗口结构，所述下窗口用于提供第一通带、第二通带和第三通带的主耦合，所述上窗口用于微调所述第一通带、所述第二通带和所述第三通带的耦合系数。

5.根据权利要求4所述的小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，所述下窗口的尺寸大于所述上窗口的尺寸。

6.根据权利要求1所述的小型同轴腔三频滤波器，其特征在于，所述第一同轴腔和第二同轴腔由六金属面围成。