CN110429361B - 一种双模双频同轴腔体滤波器 - Google Patents

一种双模双频同轴腔体滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模双频同轴腔体滤波器，包括金属腔和输入输出端口；金属腔内结构呈线型分布，依次为第一同轴谐振腔、第一耦合谐振窗、第二同轴谐振腔、第二耦合谐振窗、第三同轴谐振腔，第一、二、三同轴谐振腔内均设有竖直金属圆柱和水平金属圆柱，第一、二耦合谐振窗均由耦合结和耦合窗口组成，输入输出端口有两个，均为同轴馈电线，分别延长插入至第一、三同轴谐振腔的竖直金属圆柱内。本发明在传统的同轴滤波器的基础上，增加一个水平方向的金属圆柱，则这两个金属圆柱可分别控制谐振腔的第一谐振频率与第二谐振频率，实现双频特性，具有结构简单紧凑、可小型化、易于调谐、带宽较宽、选择性好等优点。

Description

一种双模双频同轴腔体滤波器
技术领域
本发明涉及微波通信的技术领域，尤其是指一种双模双频同轴腔体滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展以及无线电媒体业务的持续增长,低费用、更有效、更高品质的无线通信系统需要高性能、小体积、低损耗的腔体滤波器。较之其他性质的微波滤波器而言，腔体滤波器结构牢周，性能稳定可靠，体积更小，Q值适中，高端寄生通带较远且其散热性好。因此，在各大通信基站中腔体滤波器应用十分普遍。
近些年来，学者们在腔体滤波器上的研究已不仅仅限于单频带高性能，而是在往多频带高性能的方向发展。诚然，随着无线通信业务的发展，频谱资源日益拥挤。目前5G技术发展火热，但由于其工作频率较高，从而使其通信范围受限，因此2G-4G通信仍会在未来的很长一段时间里继续使用。若每个频段都单独设计滤波器，势必会导致系统体积变大。多频带滤波器有助于系统缩小体积，优化系统结构。因此，本文提出了一种新型双频同轴腔体滤波器，在不增加其他额外的设计模块的情况下，例如增加腔体阶数，将两个频段一体化集成于一个滤波器上。本文设计双频带的方法简单可靠，馈电简单，电路结构紧凑，使系统的体积急剧缩小，且系统整体性能有所提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足(即同轴腔体滤波器难以具有双频特性，或需要采用较为复杂的其它设计结构来获得双频滤波器)，提出了一种结构简单紧凑、可小型化、易于调谐、带宽较宽、选择性好的双模双频同轴腔体滤波器。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种双模双频同轴腔体滤波器，包括一个封闭的金属腔和输入输出端口；所述金属腔内结构呈线型分布，依次为第一同轴谐振腔、第一耦合谐振窗、第二同轴谐振腔、第二耦合谐振窗、第三同轴谐振腔；所述第一同轴谐振腔内设有第一竖直金属圆柱和第一水平金属圆柱，所述第一水平金属圆柱位于第一同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第一竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第一同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第一竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第一同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第一同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第一竖直金属圆柱的高度和第一水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第一竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性，且第二谐振频率与高次谐振频率相距远，所以阻带特性好；所述第二同轴谐振腔内设有第二竖直金属圆柱和第二水平金属圆柱，所述第二水平金属圆柱位于第二同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第二竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第二同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第二竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第二同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第二同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第二竖直金属圆柱的高度和第二水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第二竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性；所述第三同轴谐振腔内设有第三竖直金属圆柱和第三水平金属圆柱，所述第三水平金属圆柱位于第三同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第三竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第三同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第三竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第三同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第三同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第三竖直金属圆柱的高度和第三水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第三竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性；所述第一耦合谐振窗由第一耦合结和第一耦合窗口组成，所述第一耦合结直接插入第一竖直金属圆柱和第二竖直金属圆柱中，且其圆心所在位置与第一竖直金属圆柱和第二竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，所述第一耦合窗口位于金属腔的一侧，并与第一水平金属圆柱、第二水平金属圆柱、第三水平金属圆柱的短路端处于同一侧，亦位于第一水平金属圆柱和第二水平金属圆柱之间，所述第一耦合结和第一耦合窗口共同控制第一同轴谐振腔与第二同轴谐振腔之间的耦合强度；所述第二耦合谐振窗由第二耦合结和第二耦合窗口组成，所述第二耦合结直接插入第二竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱中，且其圆心所在位置与第二竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，所述第二耦合窗口与第一耦合窗口处于同一侧，并位于第二水平金属圆柱和第三水平金属圆柱之间，所述第二耦合结与第二耦合窗口共同控制第二同轴谐振腔与第三同轴谐振腔之间的耦合强度；所述输入输出端口有两个，均为同轴馈电线，分别延长插入至第一同轴谐振腔的第一竖直金属圆柱和第三同轴谐振腔中的第三竖直金属圆柱内，同轴馈电线接头的圆心与第一竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，两端插入的高度也相同。
进一步，所述金属腔的两侧各有一个SMA端口，用于安装两个输入输出端口。
进一步，所述第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔和第三同轴谐振腔的前两个谐振频率相同。
进一步，所述第一耦合谐振窗与第二耦合谐振窗的两个部分位置和参数均相同，即其耦合窗口的长、宽、高相等。
进一步，所述第一、二、三竖直金属圆柱为中空结构或实心结构。
进一步，所述金属腔为方形金属腔。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在传统的同轴滤波器的基础上，增加一个水平方向的金属圆柱，则这两个金属圆柱可分别控制谐振腔的第一谐振频率与第二谐振频率，实现双频特性。
2、本发明有较好的通带内滤波特性，带外频率选择特性好。
3、本发明具有结构简单紧凑，设计容易，易加工的优点。
附图说明
图1是本发明提出的同轴腔体双频滤波器的整体结构示意图。
图2是本发明提出的同轴腔体双频滤波器的俯视剖面结构示意图。
图3是本发明实施例的仿真结果图(图中实线为S11、虚线为S21)。
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。
如图1和图2所示，本实施例所提供的同轴腔体双频滤波器，包括一个封闭的金属腔13和两个输入输出端口1、12；所述金属腔1为矩形金属腔，其腔内结构呈线型分布，依次为第一同轴谐振腔、第一耦合谐振窗、第二同轴谐振腔、第二耦合谐振窗、第三同轴谐振腔；所述第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔和第三同轴谐振腔的前两个谐振频率相同，且高次谐振频率相隔较远，能够得到阻带较宽、性能较好的双频滤波器；所述第一耦合谐振窗与第二耦合谐振窗的两个部分位置和参数均相同，即其耦合窗口的长、宽、高相等。
所述第一同轴谐振腔内设有第一竖直金属圆柱2和第一水平金属圆柱3，所述第一水平金属圆柱3位于第一同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第一竖直金属圆柱2的中间，另一端固定在第一同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第一竖直金属圆柱2两端开路，且其两端与第一同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第一同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第一竖直金属圆柱2的高度和第一水平金属圆柱3的长度共同控制，第二谐振频率仅由第一竖直金属圆柱3的高度控制，可得到相对独立控制的双频特性，且第二谐振频率与高次谐振频率相距较远，所以阻带特性好。
所述第二同轴谐振腔内设有第二竖直金属圆柱6和第二水平金属圆柱7，其放置方式与第一同轴谐振腔内的第一竖直金属圆柱2和第一水平金属圆柱3的放置方式一致，具体是：所述第二水平金属圆柱7位于第二同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第二竖直金属圆柱6的中间，另一端固定在第二同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第二竖直金属圆柱6两端开路，且其两端与第二同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第二同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第二竖直金属圆柱6的高度和第二水平金属圆柱7的长度共同控制，第二谐振频率仅由第二竖直金属圆柱6的高度控制，可得到相对独立控制的双频特性。
所述第三同轴谐振腔内设有第三竖直金属圆柱10和第三水平金属圆柱11，其放置方式与第一同轴谐振腔内的第一竖直金属圆柱2和第一水平金属圆柱3的放置方式一致，具体是：所述第三水平金属圆柱11位于第三同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第三竖直金属圆柱10的中间，另一端固定在第三同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第三竖直金属圆柱10两端开路，且其两端与第三同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第三同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第三竖直金属圆柱10的高度和第三水平金属圆柱11的长度共同控制，第二谐振频率仅由第三竖直金属圆柱10的高度控制，可得到相对独立控制的双频特性。
所述第一耦合谐振窗由第一耦合结4和第一耦合窗口5组成，所述第一耦合结4直接插入第一竖直金属圆柱2和第二竖直金属圆柱6中，且其圆心所在位置与第一竖直金属圆柱2和第二竖直金属圆柱6的圆心在一条直线上，所述第一耦合窗口5位于金属腔的一侧，并与第一水平金属圆柱3、第二水平金属圆柱7、第三水平金属圆柱11的短路端处于同一侧，亦位于第一水平金属圆柱3和第二水平金属圆柱7之间，所述第一耦合结4和第一耦合窗口5共同控制第一同轴谐振腔与第二同轴谐振腔之间的耦合强度。
所述第二耦合谐振窗由第二耦合结8和第二耦合窗口9组成，所述第二耦合结8直接插入第二竖直金属圆柱6和第三竖直金属圆柱10中，且其圆心所在位置与第二竖直金属圆柱6和第三竖直金属圆柱10的圆心在一条直线上，所述第二耦合窗口9与第一耦合窗口5处于同一侧，并位于第二水平金属圆柱7和第三水平金属圆柱11之间，所述第二耦合结8与第二耦合窗口9共同控制第二同轴谐振腔与第三同轴谐振腔之间的耦合强度。
第一、第二和第三同轴谐振腔中的竖直金属圆柱可中空亦可实心。
金属腔13的两侧各有一个SMA端口，用于安装两个输入输出端口1、12，该两个输入输出端口1、12均为同轴馈电线，分别延长插入至第一同轴谐振腔的第一竖直金属圆柱2和第三同轴谐振腔中的第三竖直金属圆柱10内，同轴馈电线接头的圆心与第一竖直金属圆柱2和第三竖直金属圆柱10的圆心在一条直线上，两端插入的高度也相同。
设计的双模双频同轴腔体滤波器的中心频率为900MHZ和1800MHZ。使用三维仿真软件HFSS对同轴双频滤波器进行仿真与优化，优化后的主要结构参数为：L2＝L10＝60mm,L3＝L7＝L11＝25mm,L4＝L8＝22.1mm,L5＝L9＝6mm,L6＝56.1mm,H4＝H8＝52mm,H1＝H12＝59mm。
如图3所示，显示了实施例双模双频同轴腔体滤波器的散射仿真结果，横轴表示输入信号频率，范围从0.5GHz到3.0GHz，纵轴表示幅度，包括回波损耗S11的幅度(实线)和插入损耗S21的幅度(虚线)。该滤波器的中心工作频率为900MHZ和1800MHZ，3dB相对带宽分别是29.86％和15.12％，插入损耗分别是0.0007dB,0.0013dB，回波损耗均降至20dB以下，且在两通带之间，有一个传输零点。由图可见，该双模双频同轴腔体滤波器具有带宽较宽、高选择性、高带外抑制性等优点。
综上所述，本发明提出的双模双频同轴腔体滤波器，它与传统的同轴滤波器相比，多了一个水平方向的金属圆柱，因此引入了一个相对独立的新的模式。由这两个谐振模式获得双频特性，每个通带特性均独立可调。总之，本发明滤波器结构对称简单，体积小，双频带通带损耗低，选择性好，阻带宽，且抑制程度高，具有实际推广价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双模双频同轴腔体滤波器，其特征在于：包括一个封闭的金属腔和输入输出端口；所述金属腔内结构呈线型分布，依次为第一同轴谐振腔、第一耦合谐振窗、第二同轴谐振腔、第二耦合谐振窗、第三同轴谐振腔；所述第一同轴谐振腔内设有第一竖直金属圆柱和第一水平金属圆柱，所述第一水平金属圆柱位于第一同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第一竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第一同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第一竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第一同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第一同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第一竖直金属圆柱的高度和第一水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第一竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性，且第二谐振频率与高次谐振频率相距远，所以阻带特性好；所述第二同轴谐振腔内设有第二竖直金属圆柱和第二水平金属圆柱，所述第二水平金属圆柱位于第二同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第二竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第二同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第二竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第二同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第二同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第二竖直金属圆柱的高度和第二水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第二竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性；所述第三同轴谐振腔内设有第三竖直金属圆柱和第三水平金属圆柱，所述第三水平金属圆柱位于第三同轴谐振腔的中间，其一端嵌入第三竖直金属圆柱的中间，另一端固定在第三同轴谐振腔的内壁上，视为短路端，所述第三竖直金属圆柱两端开路，且其两端与第三同轴谐振腔的顶部和底部的距离相等，该第三同轴谐振腔产生的第一谐振频率由第三竖直金属圆柱的高度和第三水平金属圆柱的长度共同控制，第二谐振频率仅由第三竖直金属圆柱的高度控制，从而得到相对独立控制的双频特性；所述第一耦合谐振窗由第一耦合结和第一耦合窗口组成，所述第一耦合结直接插入第一竖直金属圆柱和第二竖直金属圆柱中，且其圆心所在位置与第一竖直金属圆柱和第二竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，所述第一耦合窗口位于金属腔的一侧，并与第一水平金属圆柱、第二水平金属圆柱、第三水平金属圆柱的短路端处于同一侧，亦位于第一水平金属圆柱和第二水平金属圆柱之间，所述第一耦合结和第一耦合窗口共同控制第一同轴谐振腔与第二同轴谐振腔之间的耦合强度；所述第二耦合谐振窗由第二耦合结和第二耦合窗口组成，所述第二耦合结直接插入第二竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱中，且其圆心所在位置与第二竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，所述第二耦合窗口与第一耦合窗口处于同一侧，并位于第二水平金属圆柱和第三水平金属圆柱之间，所述第二耦合结与第二耦合窗口共同控制第二同轴谐振腔与第三同轴谐振腔之间的耦合强度；所述输入输出端口有两个，均为同轴馈电线，分别延长插入至第一同轴谐振腔的第一竖直金属圆柱和第三同轴谐振腔中的第三竖直金属圆柱内，同轴馈电线接头的圆心与第一竖直金属圆柱和第三竖直金属圆柱的圆心在一条直线上，两端插入的高度也相同；所述金属腔的两侧各有一个SMA端口，用于安装两个输入输出端口；所述第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔和第三同轴谐振腔的第一谐振频率和第二谐振频率相同。
2.根据权利要求1所述的一种双模双频同轴腔体滤波器，其特征在于：所述第一耦合谐振窗与第二耦合谐振窗的两个部分位置和参数均相同，即其耦合窗口的长、宽、高相等。
3.根据权利要求1所述的一种双模双频同轴腔体滤波器，其特征在于：所述第一、二、三竖直金属圆柱为中空结构或实心结构。
4.根据权利要求1所述的一种双模双频同轴腔体滤波器，其特征在于：所述金属腔为方形金属腔。
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