CN110994114A - 一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器 - Google Patents

一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其包括介质谐振器、导体屏蔽腔、金属环、一对贴片、共形金属带、输入/输出端口以及位于所述介质谐振器上且位于所述导体屏蔽腔内的介质调谐盘；其中，所述金属环呈四边结构，所述一对贴片位于所述金属环内且位于所述金属环的对角方向上。本发明为一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，结合具有双模特征的介质谐振器和平面金属环，大大降低了介质谐振器主模的频率，使谐振器尺寸大幅度减小；通过调节介质调谐盘和介质谐振器之间的间隙和介质调谐盘的电参数，本发明的双模滤波器通带中心频率可控；通过共形金属带进行馈电，易于实现电路紧凑化和阻抗匹配，同时易于加工和装配。

Description

一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器
技术领域
本发明属于微波谐振器的技术领域，尤其涉及一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器。
背景技术
随着无线通信系统的发展，要求射频电路和微波电路具有更高的性能，更小的体积，更低的成本，还需要有效利用频谱。介质谐振器(Dielectric Resonator,DR)在无线系统的应用中受到广泛关注，因为这类谐振器具有低损耗，小尺寸，低成本，重量轻，易于激励和高度设计灵活性等优良特性。许多常见的介质谐振器结构具有双模特征，例如矩形、圆柱形和十字形介质谐振器。双模的谐振频率由介质谐振器的尺寸大小和介电常数及其边界决定。已有报道的研究在计算介质谐振器的谐振频率方面已经做了很多努力；另一方面，平面双模谐振器，特别是微带双模谐振器也已经被广泛研究并应用于滤波器的设计。然而，除了应用厚金属盘加载的介质谐振器之外，集合这两种双模结构优点的研究还有待进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型介质谐振器和基于该介质谐振器实现通带工作频率可控的双模滤波器。
本发明提供一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其包括接地的介质谐振器以及承载所述介质谐振器的导体屏蔽腔，还包括位于所述介质谐振器的上表面且呈折叠平面状的金属环、位于所述介质谐振器的上表面的一对贴片、位于所述介质谐振器的侧面的共形金属带、连接所述共形金属带的输入/输出端口以及位于所述介质谐振器上且位于所述导体屏蔽腔内的介质调谐盘；其中，所述金属环呈四边结构，所述一对贴片位于所述金属环内且位于所述金属环的对角方向上。
优选地，所述介质谐振器长方体状或正方体状，其具有正方形横截面。
优选地，所述金属环包括依序连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边；所述金属环还包括与所述第一侧边的中间连接呈弯折状的多个第一矩形环线、与所述第二侧边的中间连接呈弯折状的多个第二矩形环线、与所述第三侧边的中间连接呈弯折状的多个第三矩形环线以及与所述第四侧边的中间连接呈弯折状的多个第四矩形环线；所述多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线都位于由第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边围设形成的框图内部；多个第一矩形环线和多个第三矩形环线对称设置，多个第二矩形环线和多个第四矩形环线对称设置。
优选地，多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线均包括并列设置且依序连接的多个矩形，多个矩形的首个矩形与对应的侧边的中间一端连接，多个矩形的最后一个矩形与对应的侧边的中间另一端连接。
优选地，其中一个贴片位于第一侧边和第二侧边的交界处，另一个贴片位于第三侧边和第四侧边的交界处；或者其中一个贴片位于第二侧边和第三侧边的交界处，另一个贴片位于第一侧边和第四侧边的交界处；
优选地，一对贴片与多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线之间具有距离。
优选地，共形金属带设有呈90°设置的2个，2个共形金属带分别位于介质谐振器的相对侧面上；所述共形金属带包括位于对应的多个矩形环线下方的第一金属带以及与所述第一金属带垂直连接的第二金属带；所述输入/输出端口也设有2个。
优选地，共形金属带设有呈90°设置的4个，每个共形金属带位于介质谐振器的其中一个侧面上；所述输入/输出端口也设有4个。
优选地，还包括设于所述导体屏蔽腔的底面的同轴通孔，所述共形金属带与对应的同轴通孔对应设置，所述输入/输出端口通过对应的同轴通孔插入对应的共形金属带内。
优选地，所述介质调谐盘呈扁平状，其包括杆体，所述杆体的一端与介质调谐盘连接，杆体的另一端穿过所述导体屏蔽腔的顶部且与导体屏蔽腔通过螺纹连接。
本发明为一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，结合具有双模特征的介质谐振器和平面金属环，大大降低了介质谐振器主模的频率，使谐振器尺寸大幅度减小；通过调节介质调谐盘和介质谐振器之间的间隙和介质调谐盘的电参数，本发明的双模滤波器通带中心频率可控；通过共形金属带进行馈电，易于实现电路紧凑化和阻抗匹配，同时易于加工和装配。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。
图1为本发明基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器的结构示意图；
图2为图1所示紧凑型介质谐振器的俯视图；
图3为图1所示双模滤波器的侧视图；
图4为图1所示双模滤波器的介质调谐盘与介质谐振器的距离对通带控制效果的示意图；
图5为图1所示双模滤波器的介质谐振器的厚度对工作频率和通带可控范围影响的示意图；
图6为图1所示双模滤波器的介质调谐盘的厚度对双模滤波器的工作频率的可控能力影响的示意图；
图7为图1所示双模滤波器的介质调谐盘的介电常数对双模滤波器的工作频率的可控能力影响的示意图；
图8为图1所示双模滤波器的介质调谐盘的介电常数不同时的双模滤波器的模拟和测量S参数的示意图；
图9所示为本发明介质谐振器与现有的介质谐振器对比列表。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。
本发明一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，图1为双模滤波器的结构示意图，双模滤波器包括接地的介质谐振器10、承载介质谐振器10的导体屏蔽腔20、位于介质谐振器10的上表面且呈折叠平面状的金属环30、位于介质谐振器10的上表面且位于金属环30的对角方向上的一对贴片40、位于介质谐振器10侧面的至少一个共形金属带50、与共形金属带50连接的输入/输出端口60输入/输出端口60、位于介质谐振器10上的介质调谐盘70以及与介质调谐盘70的顶面连接的杆体80；其中，金属环30、贴片40、共形金属带50和介质调谐盘70均位于导体屏蔽腔20内，共形金属带50附着在介质谐振器10的侧面，输入/输出端口60由外部伸入导体屏蔽腔20内；介质谐振器10的底面与导体屏蔽腔20的底面接触且介质谐振器10的中心线与导体屏蔽腔20的中心线重叠，导体屏蔽腔20内具有空气，导体屏蔽腔20的高度为hs,其长度为ls，hs和ls的值可调整以方便装配。
其中，介质谐振器10为长方体状或正方体状，其具有方形横截面；金属环30和贴片40设于介质谐振器10的上表面。
金属环的尺寸越大，其频率越低，也就是说尺寸减小能力越大。由于介质谐振器10的上表面的横截面的尺寸有限，为了加载更大的金属环30，本发明对金属环30进行了弯折处理。如图2所示，金属环30呈四边形，其包括依序连接的第一侧边31、第二侧边32、第三侧边33和第四侧边34。金属环30还包括与第一侧边31的中间连接呈弯折状的多个第一矩形环线35、与第二侧边32的中间连接呈弯折状的多个第二矩形环线36、与第三侧边33的中间连接呈弯折状的多个第三矩形环线37以及与第四侧边34的中间连接呈弯折状的多个第四矩形环线38。其中，多个第一矩形环线35、多个第二矩形环线36、多个第三矩形环线37和多个第四矩形环线38都位于由第一侧边31、第二侧边32、第三侧边33和第四侧边34围设形成的框图内部；多个第一矩形环线35和多个第三矩形环线37对称设置，多个第二矩形环线36和多个第四矩形环线38对称设置。
多个第一矩形环线35、多个第二矩形环线36、多个第三矩形环线37和多个第四矩形环线38均包括并列设置且依序连接的多个矩形，多个矩形的首个矩形与对应的侧边的中间一端连接，多个矩形的最后一个矩形与对应的侧边的中间另一端连接。
在本实施例中，第一矩形环线35、第二矩形环线36、第三矩形环线37和第四矩形环线38均设有依序连接的3个矩形线。
贴片40呈矩形，在本实施例中，一对贴片40位于金属环30的内部且相对的对角方向上，一对贴片40与多个第一矩形环线35、多个第二矩形环线36、多个第三矩形环线37和多个第四矩形环线38之间具有距离。
具体地，其中一个贴片40位于第一侧边31和第二侧边32的交界处，另一个贴片位于第三侧边33和第四侧边34的交界处；或者其中一个贴片40位于第二侧边32和第三侧边33的交界处，另一个贴片位于第一侧边31和第四侧边34的交界处。
也就是说，金属环30的每个侧边的中心对称地向内多次弯折，以延长环线。
在其他实施例中，金属环呈圆环结构，每隔90°向内多次弯折环线，以延长环线。
在本实施例中，共形金属带50设有呈90°设置的2个，2个共形金属带分别位于介质谐振器10的相对侧面上；共形金属带50呈T型，其包括位于对应的多个矩形环线下方的第一金属带51以及与第一金属带51垂直连接的第二金属带52，其中，第一金属带51的长度小于介质谐振器10的侧边长度，第一金属带51的两端均超过对应的多个矩形环线的两端的位置；此时发明为单端可控通带双模滤波器。
基于紧凑型介质谐振器的单端可控通带双模滤波器还包括2个输入/输出端口60和设于导体屏蔽腔20的底面的2个同轴通孔21，第二金属带52与对应的同轴通孔21对应设置，输入/输出端口60通过对应的同轴通孔21插入共形金属带50的第二金属带52内，即输入/输出端口60通过对应的同轴通孔21与对应的共形金属带50的第二金属带52相连接，也就是通过共形金属带50实现给介质谐振器10进行馈电，也就是共形金属带50连接介质谐振器10和导体屏蔽腔20。
在其他实施例中，共形金属带设有呈90°设置的4个，每个共形金属带50位于介质谐振器10的其中一个侧面上；每个共形金属带50呈直线状，所述输入/输出端口也设有4个，此时发明为差分可控通带双模滤波器，相对的两个侧面对应的端口为一对差分端口。
基于紧凑型介质谐振器的差分可控通带双模滤波器还包括4个输入/输出端口60和设于导体屏蔽腔20的底面的4个同轴通孔21，共形金属带50与对应的同轴通孔21对应设置，输入/输出端口60通过对应的同轴通孔21插入共形金属带50，即输入/输出端口60通过对应的同轴通孔21与对应的共形金属带50相连接，也就是通过共形金属带50实现给介质谐振器10进行馈电，也就是共形金属带50连接介质谐振器10和导体屏蔽腔20。
介质调谐盘70呈扁平状，其包括杆体80，杆体80的表面设有螺纹，杆体80的一端与介质调谐盘70通过螺纹或胶水粘黏连接，杆体80的另一端穿过导体屏蔽腔20的顶部且与导体屏蔽腔20通过螺纹连接。
介质谐振器10是一种腔体谐振器，能够以不同模式谐振于不同频率下，安装在导体屏蔽腔20上时，两个主要的简并正交模式(简并是指两个模原来频率相同；正交是指两个模相互垂直)是TE1x11和TE1y11模式。在金属环30覆盖下，介质谐振器10的内部的电场分布根据边界条件而变化，降低这对简并模式的谐振频率，由于降低频率相当于尺寸缩小，故所需介质谐振器10的尺寸随之减小。
无论对介质谐振器10的扰动，还是对金属环30的扰动，都会耦合引起简并模谐振频率的分裂。为了减轻制造难度，本发明设置两个尺寸为d×d的金属贴片40沿一个对角线附着到金属环30的内角上，贴片40对能够分离两个正交简并模，实现双模性能。
在本实施例中，金属环30总长度lloop为222mm(误差为10％)，金属环30的宽度wloop为0.5mm(误差为5％)。
介质谐振器10的介电常数εr＝150，损耗角正切为2.5×10-4，尺寸为a＝20mm,hDR＝7mm。
未覆盖的接地介质谐振器10的主模谐振频率为1.21GHz，金属环30覆盖的介质谐振器10的谐振频率为0.30GHz，下降了75％。
发明基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器的性能和调谐盘对滤波器工作频率的控制效果如图4所示，其中，εr1为介质调谐盘70的介电常数，hd为介质调谐盘70的厚度，gap为介质谐振器10和介质调谐盘70之间的间隙。
其中，介质调谐盘70根据需要选择介质材料的介电常数εr1。
从图4可以看出，介质谐振器10的尺寸大大减小，仅为0.2*0.2*0.07λ0 3(λ0为最高工作频率的对应的波长)，一对简并模式被对角加载的贴片40微扰实现了双模滤波功能。同时，当介电常数εr1＝150，厚度hd＝2mm的介质调谐盘70完全接触介质谐振器10时，即gap＝0mm时，发明双模滤波器的工作频率降低到0.253GHz，此刻滤波器工作于另一个通带。图4还给出了介质调谐盘70和介质谐振器10之间的不同间隙gap下滤波器的通带，可以看出，介质调谐盘70在不接触介质谐振器10的情况下几乎对通带没有影响。
介质调谐盘70对通带的调谐能力受介质谐振器10的厚度hDR的影响如图5所示，可见介质谐振器10的厚度hDR达到一定值时，介质调谐盘70的调谐能力达到饱和。因此根据初始频率确定介质谐振器10的厚度hDR时，无需选择过高的厚度。
介质调谐盘70对滤波器的通带控制能力还能通过其厚度和介电常数来实现。当介质谐振器10的尺寸如图1所示时，介质调谐盘70的厚度hd对滤波器通带的影响如图6所示，介质调谐盘70的介电常数εr1对滤波器通带的影响如图7所示。可见当介质调谐盘70紧贴介质谐振器10时，选用不同的介质调谐盘70可以达到滤波器通带的更多变化。
图8为在不同介电常数的介质调谐盘下的S参数，在介质调谐盘70不与介质谐振器10接触时的测量中心频率为300MHz，3dB带宽为15.0％。当介电常数εr1＝70的介质调谐盘70完全接触介质谐振器10时，通带中心频率为275MHz,3dB带宽为14％。当介电常数εr1＝150的介质调谐盘70完全接触介质谐振器10时，通带中心频率为253MHz,3dB带宽为13％。同时，三种情况下通带的测量最小损耗均小于0.4dB。
图9所示为本发明介质谐振器与现有的介质谐振器对比列表，序号1-4为现有的介质谐振器，序号5为现有的厚导电盘加载的介质谐振器，本发明序号6，对比表现出显著的尺寸减小。
本发明为一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，结合具有双模特征的介质谐振器和平面金属环，大大降低了介质谐振器主模的频率，使谐振器尺寸大幅度减小；通过调节介质调谐盘和介质谐振器之间的间隙和介质调谐盘的电参数，本发明的双模滤波器通带中心频率可控；通过共形金属带进行馈电，易于实现电路紧凑化和阻抗匹配，同时易于加工和装配。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的技术构思范围内，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些改进、润饰和等同变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其包括接地的介质谐振器以及承载所述介质谐振器的导体屏蔽腔，其特征在于，还包括位于所述介质谐振器的上表面且呈折叠平面状的金属环、位于所述介质谐振器的上表面的一对贴片、位于所述介质谐振器的侧面的共形金属带、连接所述共形金属带的输入/输出端口以及位于所述介质谐振器上且位于所述导体屏蔽腔内的介质调谐盘；其中，所述金属环呈四边结构，所述一对贴片位于所述金属环内且位于所述金属环的对角方向上。
2.根据权利要求1所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：所述介质谐振器长方体状或正方体状，其具有正方形横截面。
3.根据权利要求1所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：所述金属环包括依序连接的第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边；所述金属环还包括与所述第一侧边的中间连接呈弯折状的多个第一矩形环线、与所述第二侧边的中间连接呈弯折状的多个第二矩形环线、与所述第三侧边的中间连接呈弯折状的多个第三矩形环线以及与所述第四侧边的中间连接呈弯折状的多个第四矩形环线；所述多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线都位于由第一侧边、第二侧边、第三侧边和第四侧边围设形成的框图内部；多个第一矩形环线和多个第三矩形环线对称设置，多个第二矩形环线和多个第四矩形环线对称设置。
4.根据权利要求3所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线均包括并列设置且依序连接的多个矩形，多个矩形的首个矩形与对应的侧边的中间一端连接，多个矩形的最后一个矩形与对应的侧边的中间另一端连接。
5.根据权利要求3或4所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：其中一个贴片位于第一侧边和第二侧边的交界处，另一个贴片位于第三侧边和第四侧边的交界处；或者其中一个贴片位于第二侧边和第三侧边的交界处，另一个贴片位于第一侧边和第四侧边的交界处。
6.根据权利要求5所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：一对贴片与多个第一矩形环线、多个第二矩形环线、多个第三矩形环线和多个第四矩形环线之间具有距离。
7.根据权利要求4所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：共形金属带设有呈90°设置的2个，2个共形金属带分别位于介质谐振器的相对侧面上；所述共形金属带包括位于对应的多个矩形环线下方的第一金属带以及与所述第一金属带垂直连接的第二金属带。
8.根据权利要求4所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：共形金属带设有呈90°设置的4个，每个共形金属带位于介质谐振器的其中一个侧面上；所述输入/输出端口也设有4个。
9.根据权利要求7或8所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：还包括设于所述导体屏蔽腔的底面的同轴通孔，所述共形金属带与对应的同轴通孔对应设置，所述输入/输出端口通过对应的同轴通孔插入对应的共形金属带内。
10.根据权利要求1所述的基于紧凑型介质谐振器的可控通带双模滤波器，其特征在于：所述介质调谐盘呈扁平状，其包括杆体，所述杆体的一端与介质调谐盘连接，杆体的另一端穿过所述导体屏蔽腔的顶部且与导体屏蔽腔通过螺纹连接。
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Assignor: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A controllable passband dual-mode filter based on compact dielectric resonators

Granted publication date: 20210504

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