CN110459844A - 一种h面介质可调波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种H面介质可调波导滤波器。其技术方案为：一种H面介质可调波导滤波器，包括矩形波导体；所述矩形波导体内设置有耦合结构，所述耦合结构将矩形波导体的内腔分隔成若干谐振腔；一个谐振腔内设置有至少一个可调元件，矩形波导体的H面上设置有若干通孔，可调元件的一端从通孔伸入矩形波导体内，另一端连接有驱动机构。为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种可调元件从H面设置的可调滤波器，使得在相同谐振腔尺寸下相比于E面设置可调元件时具有更大的介质运动行程、调谐范围更宽，在相同的调谐范围下可调元件的运动行程可以更大、具有更低的调谐敏感度。
Description
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种H面介质可调波导滤波器。
背景技术
可调滤波器是中心频率可在一定范围内调节的滤波器，是微波通信系统的重要组成部分，目前被广泛应用于跳频电台、电子对抗、动态频率分配系统等方面。与单频滤波器相比，可调滤波器具有很多优势，如单个可调滤波器即可覆盖很多频段，并且能够实现远程控制工作频率切换。因此可调滤波器可有效减少物料成本、运营成本，最大限度利用频谱资源，具有广阔的应用前景。
近年来，为满足通信系统发展需求，微波频段的可调滤波器技术逐渐成为微波通信领域中的热门之一，各大通讯设备供应商都进行了深入研究。
目前微波频段的可调滤波器主要通过在波导滤波器基础上外加调谐机构实现。其中主要的实现方法有以下几种：1、日本NEC公司的E面旋转介质片可调滤波器(专利号：WO2010150815A1)，通过在E面单膜片滤波器中设置可旋转介质片来实现调谐。2、华为技术有限公司的E面平推金属片可调滤波器(专利号：WO2016095165A1)，在E面单膜片滤波器中，通过一组与金属耦合膜片平行的金属片在波导长度方向进行平推，以改变谐振腔尺寸实现调谐。3、江苏贝孚德通讯科技股份有限公司的E面介质片加载可调滤波器，以感性窗滤波器为基础，通过从E面中心线向腔体内插入PCB基片实现调谐(专利号：CN107910624A)。
NEC和华为的专利采用E面膜片滤波器的方案，由于金属耦合膜片较薄，易产生变形或损坏，耦合膜片在传播方向上的宽度与耦合强度成反比。在中心频率一定的情况下，要增加滤波器带宽，耦合强度需要加大，必然需要减小所述耦合膜片宽度，而此宽度需要大到一定程度才能保证结构可靠性，因此这种滤波器的带宽不能做得很宽。此外，由于耦合强度调节是通过耦合膜片在传播方向上的宽度实现，因此相对于窗体厚度一定的感性窗滤波器而言，其长度更长。同时这种滤波器的装配也比感性窗滤波器更加复杂，易引入额外误差导致电性能恶化。其中NEC的专利中介质片只能在0～90度范围内旋转，调谐非常敏感，为满足调谐步进精度要求，驱动机构结构复杂，体积大，成本高。华为的专利未设置耦合补偿装置，可能造成调谐过程中带宽变化明显，以及调谐过程中带内回波、带内插损以及带外抑制等主要指标的明显波动。而贝孚德的专利采用从E面插入介质的方式实现调谐，其调谐范围与介质片的运动行程成正比，介质片的运动行程又受谐振腔高度的限制，而谐振腔高度太高会使得高次谐波靠近通带而影响带外抑制性能，因此其调谐范围将受到谐振腔高度的限制。在介质材料、尺寸不变的情况下，要增大调谐范围，需要增大谐振腔高度来增大介质运动行程，因此导致导致滤波器高度较高，结构不紧凑。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种可调元件从H面设置的可调滤波器，使得在相同谐振腔尺寸下相比于E面设置可调元件时具有更大的介质运动行程、调谐范围更宽，在相同的调谐范围下可调元件的运动行程可以更大、具有更低的调谐敏感度。
本发明所采用的技术方案为：
一种H面介质可调波导滤波器，包括矩形波导体；矩形波导体内设置有耦合结构，耦合结构将矩形波导体的内腔分隔成若干谐振腔；一个谐振腔内设置有至少一个可调元件，矩形波导体的一侧H面上设置有若干通孔，可调元件的一端连接有驱动机构，另一端从通孔伸入谐振腔。
优选地，所述可调元件的形状包括但不限于片状、圆棒状和矩形柱中的一种。
优选地，端部的谐振腔内插入有至少两个可调元件。
优选地，所述可调元件的材料为具有一定介电常数的介质，包括但不限于塑料、PCB基材、石英和陶瓷中的一种。
优选地，所述可调元件在每个谐振腔中的数量可以相同也可以不同。
优选地，所述可调元件在谐振腔中的插入深度可以不同
优选地，所述耦合机构为若干耦合隔墙，耦合隔墙固定于矩形波导体内。
优选地，所述矩形波导体包括底槽，底槽的E面设有开口，底槽的开口处连接有E面板，通孔设置于底槽的侧边上，耦合隔墙固定于底槽内。
优选地，所述耦合机构包括两块金属耦合膜片，两块金属耦合膜片套设于矩形波导体内，金属耦合膜片与矩形波导体的H面平行；金属耦合膜片上设置有若干金属耦合膜片，谐振腔由两块金属耦合膜片上的金属耦合膜片分隔而成。
优选地，所述矩形波导体包括两块H面槽，两块H面槽的两端之间均连接有E面板，通孔设置于其中一块H面槽上，两块金属耦合膜片套设于两块H面槽和两块E面板围成的空间内。
优选地，所述驱动机构为直线马达。
本发明的有益效果为：
1.波导滤波器的E面方向宽度大于H面宽度，则从H面插入可调元件后，可调元件具有更长的运动行程。在相同谐振腔尺寸下，相比E面设置可调元件的滤波器，本发明具有更大的介质运动行程，调谐范围更宽。在相同的调谐范围下，本发明可调元件的运动行程可以更大，具有更低的调谐敏感度，减小对驱动机构的精度要求，降低其复杂度和成本。此外，谐振腔高度不受调谐范围的限制，更小的谐振腔高度使其更加适合于高度空间有限的应用场景。
2.可调元件的形状包括但不限于片状、圆棒状和矩形柱状，保证可调元件具有一定的强度，不易产生变形，可靠性更高，可减小因振动而导致的电性恶化。
3.通过调节介质棒的位置、尺寸和形状，在满足电性能指标的情况下，可以将谐振腔中的介质棒数量减少到一根，结构更加简单、调试更方便、生产成本也更降低。
4、仅在矩形波导体的一侧设置通孔以使介质棒穿过，相比于两侧设置通孔的可调滤波器方案，减少了生产成本，介质棒的移动更容易控制。并且，仅在单侧设置通孔时，减小了矩形波导体的缝隙，相应减少了电磁泄露情况，从而减小插入损耗。
本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是可调元件为片状时本发明的结构示意图；
图2是可调元件为片状时本发明的剖视图；
图3是可调元件为圆柱状时本发明的结构示意图；
图4是可调元件为矩形柱时本发明的结构示意图；
图5是耦合结构包括两块金属耦合膜片时本发明的结构示意图；
图6是耦合结构包括两块金属耦合膜片时本发明的剖视图。
图中：1-矩形波导体；11-E面；12-H面；13-底槽；14-E面板；15-H面槽；2-耦合结构；21-耦合隔墙；22-金属片；221-金属耦合膜片；3-谐振腔；4-耦合窗口；5-可调元件；6-驱动机构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1～图4所示，本发明包括矩形波导体1，矩形波导体1的侧边包括E面11和H面12；矩形波导体1内设置有耦合结构2，耦合结构2将矩形波导体1的内腔分隔成若干谐振腔3，相邻谐振腔3之间设置有耦合窗口4；其特征在于：一个谐振腔3内插入有至少一个可调元件5，矩形波导体1的H面12上设置有若干通孔，可调元件5的一端从通孔伸出，可调元件5伸出通孔的一端连接有驱动机构6。
波导滤波器的E面11方向宽度大于H面12宽度，则从H面12插入可调元件5后，可调元件5具有更长的运动行程。在相同谐振腔尺寸下，相比E面11设置可调元件5的滤波器，本发明具有更大的介质运动行程，调谐范围更宽。在相同的调谐范围下，本发明可调元件5的运动行程可以更大，具有更低的调谐敏感度，减小对驱动机构6的精度要求，降低其复杂度和成本。
此外，谐振腔3高度可进一步压低以优化远端抑制，更小的谐振腔3高度使其更加适合于高度空间有限的应用场景。
通过巧妙调节介质棒5的可调元件的形状、尺寸、位置和数量，可以将每个谐振腔3中的介质棒5数量减少到一根，使结构简化、生产成本降低；同时保证调谐过程中各谐振腔频率的同步变化，以及归一化耦合系数基本不变，从而保证了调谐范围内带宽、回波损耗和带外抑制等电性能指标的稳定。由于首尾的谐振腔3需要同时补偿输入输出耦合和中间腔耦合，则端部的谐振腔3内插入有至少两个可调元件，保证本发明在调谐范围内具有稳定的电性能。
所述耦合结构2为若干耦合隔墙21，耦合隔墙21固定于矩形波导体1内。耦合隔墙21固定于矩形波导体1内，则矩形波导体1能被分隔成若干谐振腔3，方便通过调节可调元件5插入谐振腔的深度进行调谐。所述矩形波导体1包括底槽13，底槽13的E面开口，底槽13的开口处连接有E面板14，通孔设置于底槽13的侧边上，耦合隔墙21固定于底槽13内。
如图1所示，本实施例中，耦合隔墙21与矩形波导体1一体成型。本实施例中采用波导作为输入输出端口，而耦合隔墙21作为输入输出耦合装置。实际上输入输出端口形式可以根据实际需要而选取，如采用SMA接头，相应的输入输出耦合装置采用探针耦合装置。本实施例中底槽13和E面板14是矩形波导体1以腔体和盖板形式剖分而成，实际上可以根据具体情况垂直于E面11或垂直于H面12任意位置剖分，或者以不规则方式进行剖分，以便于加工和装配。但应注意在切断矩形波导体1表面电流的较大缝隙处以焊接等方式防止电磁泄露，减小滤波器插入损耗。
如图1、图3和图4所示，每个谐振腔3中设置至少一个可调元件5，各个谐振腔3中设置的可调元件5数目可以相同，也可以不同，根据实际需要而确定。可调元件5数目越多，设计变量越多，也越容易实现电性能指标，但是设计也更加复杂。矩形波导体1一侧H面12设置有至少一个狭缝或通孔，该狭缝或通孔横截面面积略大于贯穿其中的可调元件5横截面面积，使得可调元件5可以无摩擦地相对矩形波导体1运动。同时狭缝或通孔横截面面积不能过大，以减小夹缝或通孔处的电磁泄露，从而减小插入损耗。
可调元件5的材质为具有一定介电常数的介质，包括但不限于塑料、PCB基材、石英和陶瓷。可调元件5材质的选取还需要考虑其损耗角正切，介质损耗与其损耗角正切和体积呈正比，而介质损耗又与滤波器插入损耗呈正比。如图1、图3、图4所示，所述可调元件5的形状可以为片状、圆棒状和矩形柱中的一种。可调元件5的形状可以为片状、圆棒状和矩形柱中的一种，保证可调元件5具有一定的强度，不易产生变形，减小因振动而导致电性恶化。
将可调元件5插入矩形波导体1内部，使得相应谐振腔3局部的介电常数增大，从而改变谐振腔3内部的电磁能量分布，使得谐振腔3谐振频率降低，同时也改变相邻谐振腔3之间的耦合强度。其中频率变化量与插入谐振腔3内部的可调元件5体积和介电常数呈正比。当可调元件的位置远离谐振腔3中心时，对电磁能量的影响将变小，因此其相同插入体积带来的频率降低会更小。当可调元件5靠近耦合结构2时，耦合结构2处电磁能量分布会增强，同时由于可调元件5偏离谐振腔3中心，谐振腔3频率也会偏高，最终导致耦合增强。因此，通过调整可调元件5的位置、尺寸、形状和数量，可以在调节频率的同时，对耦合系数进行补偿，保证归一化耦合系数基本不变，使得调谐过程中带宽等电性能指标保持稳定。
所有可调元件5的一端固定于驱动机构6，使得驱动机构6可以带动可调元件5在矩形波导体1中运动，实现调谐。可调元件5伸入矩形波导体1越多，滤波器频率越低。
实施例2：
如图5和图6所示，本发明包括矩形波导体1，矩形波导体1的侧边包括E面11和H面12；矩形波导体1内设置有耦合结构2，耦合结构2将矩形波导体1的内腔分隔成若干谐振腔3，相邻谐振腔3之间设置有耦合窗口4；其特征在于：一个谐振腔3内插入有至少一个可调元件5，矩形波导体1的H面12上设置有若干通孔，可调元件5的一端从通孔伸出，可调元件5伸出通孔的一端连接有驱动机构6。
波导滤波器的E面11方向宽度大于H面12宽度，则从H面12插入可调元件5后，可调元件5具有更长的运动行程。在相同谐振腔尺寸下，相比E面11设置可调元件5的滤波器，本发明具有更大的介质运动行程，调谐范围更宽。在相同的调谐范围下，本发明可调元件5的运动行程可以更大，具有更低的调谐敏感度，减小对驱动机构6的精度要求，降低其复杂度和成本。
此外，谐振腔3高度可进一步压低以优化远端抑制，更小的谐振腔3高度使其更加适合于高度空间有限的应用场景。
通过巧妙调节介质棒5的可调元件的形状、尺寸、位置和数量，可以将每个谐振腔3中的介质棒5数量减少到一根，使结构简化、生产成本降低；同时保证调谐过程中各谐振腔频率的同步变化，以及归一化耦合系数基本不变，从而保证了调谐范围内带宽、回波损耗和带外抑制等电性能指标的稳定。由于首尾的谐振腔3需要同时补偿输入输出耦合和中间腔耦合，则端部的谐振腔3内插入有至少两个可调元件，保证本发明在调谐范围内具有稳定的电性能。。
可调元件5的材质为具有一定介电常数的介质，包括但不限于塑料、PCB基材、石英和陶瓷。可调元件5材质的选取还需要考虑其损耗角正切，介质损耗与其损耗角正切和体积呈正比，而介质损耗又与滤波器插入损耗呈正比。如图1、图3、图4所示，所述可调元件5的形状可以为片状、圆棒状和矩形柱中的一种。可调元件5的形状可以为片状、圆棒状和矩形柱中的一种，保证可调元件5具有一定的强度，不易产生变形，减小因振动而导致电性恶化。
所述耦合结构2包括两块金属片22，两块金属片22套设于矩形波导体1内，金属片22与矩形波导体1的H面12平行；金属片22由若干耦合膜片221和上下平行的金属连接部分构成，其中该金属连接部分是波导壁的一部分，谐振腔3由两块金属片22上的金属耦合膜片221分隔而成。所述矩形波导体1包括两块H面槽15，两块H面槽15的两端之间均连接有E面板14，通孔设置于其中一块H面槽15上，两块金属片22套设于两块H面槽15和两块E面板14围成的空间内。耦合结构2包括两块金属耦合膜片22时，矩形波导体1包括两块H面槽15，两块金属片22套设于两块H面槽15和两块E面板14围成的空间内，方便金属片22的安装。
本实施例中，谐振腔3由两块金属片22上的金属耦合膜片221分隔而成。两个谐振腔3之间的金属耦合膜片221用于控制谐振腔3之间耦合强度，端部的谐振腔3与金属耦合膜片221的端部用于控制输入输出耦合强度。平行的金属片22数量可以根据需要确定，金属片22越多，金属耦合膜片221越多，可调参数越多，电性能指标越易实现，但是设计也更加复杂。本实施例中采用矩形波导实现输入输出，相应的采用金属耦合膜片221实现输入输出耦合，而实际中还可以采用其他形式的输入输出端口，如采用SMA接头，相应的输入输出耦合结构可以采用探针耦合装置。本实施例中采用介质片形式可调元件5实现频率和耦合调节，而实际中可以采用类似于图3和图4中的圆柱状介质棒和矩形柱状介质块的形式。
所有可调元件5的一端固定于驱动机构6，使得驱动机构6可以带动可调元件5在矩形波导体1中运动，实现调谐。可调元件5伸入矩形波导体1越多，滤波器频率越低。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种H面介质可调波导滤波器，包括矩形波导体(1)；矩形波导体(1)内设置有耦合结构(2)，耦合结构(2)将矩形波导体(1)的内腔分隔成若干谐振腔(3)；其特征在于：一个谐振腔(3)内设置有至少一个可调元件(5)，矩形波导体(1)的一侧H面(12)上设置有若干通孔，可调元件(5)的一端连接有驱动机构(6)，另一端从通孔伸入谐振腔(3)。
2.根据权利要求1所述的一种H面介质可调波导滤波器，其特征在于：所述可调元件(5)的形状包括但不限于片状、圆棒状和矩形柱中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种H面介质可调波导滤波器，其特征在于：端部的谐振腔(3)内插入有至少两个可调元件(5)。
4.根据权利要求1所述的一种H面介质可调波导滤波器，其特征在于：所述可调元件(5)的材料包括但不限于塑料、PCB基材、石英和陶瓷中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种H面介质可调滤波器，其特征在于：所述耦合机构(2)为若干耦合隔墙(21)，耦合隔墙(21)固定于矩形波导体(1)内。
6.根据权利要求5所述的一种H面介质可调滤波器，其特征在于：所述矩形波导体(1)包括底槽(13)，底槽(13)的E面(11)设有开口，底槽(13)的开口处连接有E面板(14)，通孔设置于底槽(13)的侧边上，耦合隔墙(21)固定于底槽(13)内。
7.根据权利要求1所述的一种H面介质可调滤波器，其特征在于：所述耦合机构(2)包括两块金属耦合膜片(22)，两块金属耦合膜片(22)套设于矩形波导体(1)内，金属耦合膜片(22)与矩形波导体(1)的H面(12)平行；金属耦合膜片(22)上设置有若干金属耦合膜片(221)，谐振腔(3)由两块金属耦合膜片(22)上的金属耦合膜片(221)分隔而成。
8.根据权利要求7所述的一种H面介质可调滤波器，其特征在于：所述矩形波导体(1)包括两块H面槽(15)，两块H面槽(15)的两端之间均连接有E面板(14)，通孔设置于其中一块H面槽(15)上，两块金属耦合膜片(22)套设于两块H面槽(15)和两块E面板(14)围成的空间内。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的一种H面介质可调波导滤波器，其特征在于：所述驱动机构(6)为直线马达。
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