CN111384544B - 一种滤波器及通信设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种滤波器及通信设备。该滤波器用于5G通信系统，该滤波器至少包括：N个谐振器，N个谐振器级联设置；第一交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第一交叉耦合元件连接；第二交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第二交叉耦合元件连接，与第一交叉耦接控制元件连接的谐振器和与第二交叉耦合元件连接的谐振器至少部分不同；其中，N为大于6，且小于11的自然数，滤波器的工作频带为3.5GHz‑3.72GHz。通过这种方式，能够实现高频频带，且能够提升该频带的带外抑制等性能，滤波器的腔体数量较少，有利于其小型化。

Description

一种滤波器及通信设备

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种应用于5G通信系统的滤波器及通信设备。

背景技术

在移动通信的基站系统中，通常通过发射天线发射特定频率范围内的承载通信数据的通信信号，并通过接收天线接收通信信号。由接收天线接收的通信信号中不仅包含上述特定频率范围内的承载通信数据的通信信号，而且还包括许多上述特定频率范围外的杂波或干扰信号。要从接收天线接收的信号中获取发射天线发射的特定频率范围内的承载通信数据的通信信号，通常需要将该接收天线接收的信号通过滤波器进行滤波，将该承载通信数据的通信信号特定频率外的杂波或干扰信号滤除。

本申请的发明人在长期的研发工作中发现，目前，基站系统中普遍采用腔体滤波器对天线的收发信号进行滤波。腔体滤波器可以实现带通滤波器、带阻滤波器、高通滤波器或低通滤波器等。但随着5G时代的到来，对滤波器提出更为苛刻技术要求，要求滤波器具有小型化、高性能等特点，现有频段的5G滤波器已经不能满足高频段的滤波功能。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种滤波器及通信设备，以解决上述问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种滤波器，用于5G通信系统，滤波器至少包括：N个上述谐振器，N个谐振器级联设置；第一交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第一交叉耦合元件连接；第二交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第二交叉耦合元件连接，与第一交叉耦接控制元件连接的谐振器和与第二交叉耦合元件连接的谐振器至少部分不同；其中，N为大于6，且小于11的自然数，滤波器的工作频带为3.5GHz-3.72GHz。

为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种通信设备，该通信设备包括上述的滤波器及天线，滤波器与天线耦接，滤波器用于对天线的收发信号进行过滤。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请实施例滤波器用于5G通信系统，该滤波器至少包括：N个谐振器，N个谐振器级联设置；第一交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第一交叉耦合元件连接；第二交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第二交叉耦合元件连接，与第一交叉耦接控制元件连接的谐振器和与第二交叉耦合元件连接的谐振器至少部分不同；其中，N为大于6，且小于11的自然数，滤波器的工作频带为3.5GHz-3.72GHz。通过这种方式，本申请实施例滤波器能够实现高频频带，且通过第一交叉耦合元件及第二交叉耦合元件能够提升该频带的带外抑制等性能，且滤波器的腔体数量较少，有利于其小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请谐振器一实施例的结构示意图；

图2是本申请滤波器一实施例的拓扑结构示意图；

图3是图2实施例滤波器的3D结构示意图；

图4是图2实施例滤波器的电路结构示意图；

图5是图2实施例滤波器的全腔仿真结果示意图；

图6是图2实施例滤波器的性能仿真结果示意图；

图7是本申请滤波器另一实施例的拓扑结构示意图；

图8是本申请通信设备一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请谐振器、滤波器及通信设备可以用于5G通信系统。

本申请首先提出一种谐振器，如图1所示，图1是本申请谐振器一实施例的结构示意图。本实施例谐振器101包括腔体102、谐振杆103及调谐杆104，谐振杆103容置于腔体102内，且谐振杆103设置有一中空内腔，调谐杆104的一端置于中空内腔内，调谐杆104用于调节谐振器101的谐振频率；其中，腔体102与谐振杆103一体成型。

本实施例的腔体102呈圆柱形，腔体102至少包括侧壁、底壁及顶壁，顶壁开设有一开孔，以通过该开孔将调谐杆104插入谐振杆103的容置空间中。该开孔的直径大于调谐杆104的直径，且小于谐振杆103的直径。在其它实施例中腔体还可以呈方形等结构。

本实施例的谐振杆103呈圆柱形，容置于腔体102内，且与腔体102的底壁垂直连接；谐振杆103形成有一圆柱形容置空间。在其它实施例中，谐振杆和/或容置空间还可以是阶梯圆柱形等结构。

本实施例的调谐杆104可以是螺钉，其形状与谐振杆103的中空内腔匹配，以使中空内腔能够容纳调谐杆104，且能避免腔体102中的电磁信号从开孔泄露。具体地，可以将调谐杆104的外表面与谐振杆103的内表面之间的缝隙小于该电磁信号波长的四分之一。

本实施例的腔体102、谐振杆103及调谐杆104同轴设置。且腔体102、谐振杆103及调谐杆104均可以采用金属材料，该金属材料可以为银、铜、铝、钛或金等。

区别于现有技术，本实施例谐振器的腔体与谐振杆一体成型，而无需采用特定的固定结构将谐振杆固定在腔体上，因此，能够简化谐振器的结构，且谐振器的一致性好，有利于由谐振器组成的滤波器的小型化及改善滤波性能，能够满足5G通信系统的滤波功能。

可选地，谐振器101的腔体102的直径范围可以为20mm-24mm，该直径具体可以为20mm、21mm、22mm、23mm及24mm等；腔体102的高度范围可以为16mm-20mm，该高度具体可以为16mm、17mm、18mm、19mm及20mm等。

可选地，谐振杆103的外直径范围可以为6mm-8mm，该外直径具体可以为6mm、6.5mm、7mm、7.3mm及8mm等；谐振杆103的内直径范围可以为4mm-8mm，该内直径具体可以为4mm、5mm、6mm、7mm及8mm等；谐振杆103的高度范围可以为8mm-10mm，该高度具体可以为8mm、8.5mm、9mm、9.3mm及10mm等。

可选地，调谐杆104的外直径范围可以为4mm-8mm，该外直径具体可以为4mm、5mm、6mm、7mm及8mm等。

本申请首先提出一种滤波器，如图2、图3，图2是本申请滤波器一实施例的拓扑结构示意图；图3是图2实施例滤波器的3D结构示意图。本实施例滤波器201至少包括：N个谐振器202、第一交叉耦合元件203及第二交叉耦合元件204，其中，N个谐振器202级联设置，N个谐振器202中的两个非级联的谐振器202通过第一交叉耦合元件203连接，N个谐振器202中的两个非级联的谐振器202通过第二交叉耦合元件204连接，与第一交叉耦接控制元件203连接的谐振器202和与第二交叉耦合元件204连接的谐振器202至少部分不同，即第一交叉耦接控制元件203与第二交叉耦合元件204实现不同谐振器202之间的交叉耦合。

其中，本实施例的N为大于6，且小于11的自然数，滤波器201的工作频带为3.5GHz-3.72GHz。

其中，本实施例的谐振器202为上述谐振器101，其结构及工作原理这里不赘述。

谐振器202是一种选频和抑制信号的通信设备，本实施例的谐振器202可以是石英晶体谐振器或陶瓷谐振器等。谐振器202主要起频率控制的作用，凡涉及频率的发射和接收的通信设备都需要谐振器202。

本实施例滤波器201在N个谐振器202共同作用下形成所需的频响曲线，以实现一定带宽的频带信号，且因第一交叉耦接控制元件203与第二交叉耦合元件204能够实现滤波器201的至少2个传输零点，能够获得较优的带外抑制等性能。

传输零点是滤波器传输函数等于零，即在传输零点对应的频点上电磁能量不能通过网络，因而起到完全隔离作用，对通带外的信号起到抑制作用，能更好的实现多个通带间的高度隔离。

区别于现有技术，本实施例滤波器能够实现高频频带，且通过第一交叉耦合元件及第二交叉耦合元件能够提升该频带的带外抑制等性能，且滤波器的腔体数量较少，有利于其小型化。

可选地，本实施例的第一交叉耦合元件203包括第一感性交叉耦合元件203，第二交叉耦合元件204包括第二感性交叉耦合元件204。本实施例通过在一对非级联的谐振器202之间设置第一感性交叉耦合元件203，能够实现一个高端传输零点，在另一对非级联的谐振器202之间设置第二感性交叉耦合元件204，能够实现另一个高端传输零点。

可选地，本实施例的第一感性交叉耦合元件203包括设置在第n个谐振器202的腔体与第n+2个谐振器202的腔体之间的第一窗口203；第二感性交叉耦合元件204包括设置在第n+3个谐振器202的腔体与第n+5个谐振器腔体202之间的第二窗口204。

其中，第一窗口203能够实现第n个谐振器202与第n+2个谐振器202之间的交叉耦合，以实现一个高端传输零点；第二窗口204能够实现第n+3个谐振器202与第n+5个谐振器202之间的交叉耦合，以实现另一个高端传输零点。

当然，在其它实施例中，感性交叉耦合元件还可以是感性飞杆等组件。

进一步地，为增加第n+3个谐振器202与第n+5个谐振器202之间的交叉耦合，可以在第二窗口204设置加强筋301。当然，在其它实施例中，也可以在第一窗口设置加强筋。

进一步地，级联的两个谐振器202的腔体之间设置有第三窗口302，第三窗口302用于实现级联的两个谐振器202之间的耦合。

其中，第一级谐振器202的腔体进一步设置有第四窗口(图未标)，第四窗口进一步设置有第一抽头，第一级谐振器202的谐振杆通过第一抽头与天线端205连接；最后一级谐振器202的腔体进一步设置有第五窗口(图未标)，第五窗口进一步设置有第二抽头，最后一级谐振器202的谐振杆通过第二抽头与收发端206连接。

通过这种结构，能够实现天线端205与收发端206之间的信号传输。在其它实施例中，天线端也可以与N个谐振器中的最一级谐振器连接，收发端与N个谐振器中的第一级谐振器连接。

进一步地，本实施例滤波器201包括多个调节杆207。第一窗口301设置有调节杆207，能够实现第n个谐振器202与第n+2个谐振器202之间的交叉耦合强度的调节；第二窗口302设置有调节杆207，能够实现第n+3个谐振器202与第n+5个谐振器202之间的交叉耦合强度的调节；第三窗口303设置有调节杆207，能够实现级联的两个谐振器202之间的耦合强度的调节。

其中调节杆207可以为金属螺杆。

当然，在其它实施例中，根据实际产品需要，可以选择性在第一窗口、第二窗口及多个第三窗口设置调节杆。

可选地，本实施例的N个谐振器202成W型排布。在其它实施例中，N个谐振器还可以成L型、Z型等排布。

具体地，本实施例的N为9，n为1，第1个谐振器202和第3个谐振器202通过第一感性交叉耦合元件203连接，第4个谐振器202和第6个谐振器202通第二感性交叉耦合元件203连接。

其中，滤波器201的高端传输零点强度的强弱顺序为：第4个谐振器202与第6个谐振器202间的传输零点强度较强，第1个谐振器202与第3个谐振器202间的传输零点的强度较弱。

本申请的感性交叉耦合元件的电特征等同于一个电感。

在一个应用场景中，本申请实施例为实现表1所示参数性能的滤波器201，首先根据表1中各参数建立如图2所示的拓扑结构，并在先进设计系统(Advanced Design System，ADS)中构建与该拓扑结构相应的电路模型(如图4所示)；然后对该电路模型进行电路仿真，使得电路仿真的结果满足工作频段为3.5GHz-3.72GHz，如图5所示，滤波器201的工作频带具有2个高端传输零点(虚线圆圈所示)。关于传输零点的获取方法、原理及强度分布这里不赘述。图中mij表示某一频点及其频率，dB(s(i，j))表示该频点的信号功率大小，mij可以反应频带某一频点的信号功率情况，可以进一步反映频带的带外抑制、插入损耗及回波损耗等参数(具体介绍如图6)，mij的选择可以根据用户实际需要确定，由图5可知，工作频段3.5GHz-3.72GHzMHZ带外抑制性能很好；进一步地，通过高频结构仿真(High FrequencyStructure Simulator，HFSS)对滤波器201进行单腔和全腔的仿真，以使滤波器201达到表1中所示的各种指标要求。

具体地，在单腔仿真中，腔体的直径为22mm，腔体的高度为18mm；谐振杆的外直径为7.3mm；谐振杆的内直径为6mm；调谐杆的直径为9.3mm；调谐杆的直径范围为6mm。

具体地，在全腔仿真中，如图6及表2所示，曲线S21为频带曲线，从频点a1及频点a2的测试数据可知，滤波器201的工作频带为3.5GHz-3.72GHz；从频点a3-a6的测试数据可知，该工作频带的带外抑制满足表1所示的要求；插入损耗指在传输系统中某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗，其可以通过曲线S21表现出来，从曲线S21上的频点a7的测试数据可知，该工作频带的插入损耗满足表1所示的要求；曲线S11及曲线S22均为回波损耗曲线，回波损耗是表示信号反射性能的参数，回波损耗说明入射功率的一部分被反射回信号源，从曲线S11及曲线S22可知，该工作频带的回波损耗满足表1所示的要求。

关于滤波器201的其它性能参数这里不一一对应介绍。

表1

其中，表1中所示功率值为功率绝对值。

在整个设计过程中，做到了使电路的模型精简，排腔合理等要求，从而使该设计利于实现且可靠性好，又节约了大量的成本，以至可批量生产。

表2滤波器的测试数据

a1	3.500GHz	-0.4748dB	a5	3.796GHz	-53.888dB
						a2	3.720GHz	-0.5792dB	a6	3.856GHz	-91.019dB
a3	3.406GHz	-49.527dB	a7	3.614GHz	-0.3740dB
						a4	3.736GHz	-28.415dB

本申请进一步提出第二实施例的滤波器，如图7所示，图7是本申请滤波器另一实施例的拓扑结构示意图。本实施例滤波器701与上述滤波器201的区别在于：本实施例的n为2，第2个谐振器702与第4个谐振器702之间设置第一感性交叉耦合元件703，以实现一个高端传输零点；第5个谐振器702与第7个谐振器702之间设置第一感性交叉耦合元件704，以实现另一个高端传输零点。

区别于现有技术，本实施例能够简化谐振器的结构，且谐振器的一致性好，有利于由谐振器组成的滤波器701的小型化及改善滤波性能，能够满足5G通信系统的滤波功能

本实施例滤波器201的工作频段为3.5GHz-3.7GHz。当然，在其它实施例中，可以调整滤波器中N个谐振器的数量、连接方式、拓扑结构、排腔方式、交叉耦合元件的数量及谐振器的大小等，以获取其它频段信号或其它性能参数。

本申请进一步提出一种通信设备，如图8所示，本实施例通信设备801包括滤波器802及天线803，其中，滤波器802与天线803耦接，滤波器802用于对天线803的收发信号进行过滤。其中，本实施例的滤波器801为上述实施例中滤波器，其结构及工作原理这里不赘述。

该通信设备801可以为用于5G通信的基站或者终端，该终端具体可以为手机、平板电脑、具有5G通信功能的可穿戴设备等。

区别于现有技术，本申请实施例滤波器用于5G通信系统，该滤波器至少包括：N个谐振器，N个谐振器级联设置；第一交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第一交叉耦合元件连接；第二交叉耦合元件，N个谐振器中的两个非级联的谐振器通过第二交叉耦合元件连接，与第一交叉耦接控制元件连接的谐振器和与第二交叉耦合元件连接的谐振器至少部分不同；其中，N为大于6，且小于11的自然数，滤波器的工作频带为3.5GHz-3.72GHz。通过这种方式，本申请实施例滤波器能够实现高频频带，且通过第一交叉耦合元件及第二交叉耦合元件能够提升该频带的带外抑制等性能，且滤波器的腔体数量较少，有利于其小型化。

此外，在本实施例滤波器的设计过程中，既考虑了指标性能规格要求，又考虑了生产过程中的工艺复杂程度以及成本方面的问题，使得滤波器的指标性能良好，且工艺流程精简，并使得调试顺利很多，大大提高了经济效益。

进一步地，滤波器整体的结构设计中，谐振器以及整个腔体，抽头，耦合等器件的加工精度和装配精度在现有的加工条件和生产环境都很容易实现，可以达到所需插入损耗及远近端的抑制效果，所需Q值，指标性能良好。整个产品结构简单，使得装配工艺简单化，提高生产效率。

与常规的带通滤波器结构设计相比较：本实施例滤波器以更简单的电路，更简单的结构，实现相同的指标性能。

需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。

以上对本申请实施例所提供的保护电路和控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种滤波器，其特征在于，用于5G通信系统，所述滤波器至少包括：第一感性交叉耦合元件、第二感性交叉耦合元件以及N个谐振器；

所述N个谐振器级联设置，所述谐振器包括：腔体、谐振杆和调谐杆，所述谐振杆容置于所述腔体内，且所述谐振杆设置有一中空内腔，所述调谐杆的一端置于所述中空内腔内，所述调谐杆用于调节所述谐振器的谐振频率，其中，所述腔体与所述谐振杆一体成型；

所述腔体、所述谐振杆以及所述调谐杆同轴设置，所述调谐杆的外表面与所述谐振杆的内表面之间的缝隙小于电磁信号波长的四分之一；

所述腔体的直径范围为20mm-24mm，所述腔体的高度范围为16mm-20mm，所述谐振杆的外直径范围为6mm-8mm；所述谐振杆的内直径范围为4mm-8mm，所述谐振杆的高度范围为8mm-10mm，所述调谐杆的直径范围为4mm-8mm；

其中，所述N个谐振器依次连接在天线端子及收发射端子之间，第1个所述谐振器和第3个所述谐振器通过所述第一感性交叉耦合元件连接，第4个所述谐振器和第6个所述谐振器通所述第二感性交叉耦合元件连接，第4个所述谐振器与第6个所述谐振器之间的传输零点的强度大于第1个所述谐振器与第3个所述谐振器之间的传输零点耦合强度；

所述N为九，所述滤波器的工作频带为3.5GHz-3.72GHz。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一感性交叉耦合元件包括设置在所述N个谐振器中第n个谐振器的腔体与第n+2个谐振器的腔体之间的第一窗口；所述第二感性交叉耦合元件包括设置在所述N个谐振器中第n+3个谐振器的腔体与第n+5个谐振器腔体之间的第二窗口。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器进一步包括加强筋，所述第二窗口设置有所述加强筋设置，以调节所述第n+3个谐振器与所述第n+5个谐振器之间的耦合强度。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，级联的两个所述谐振器的腔体之间设置有第三窗口，所述第三窗口用于实现所述级联的两个谐振器之间的耦合。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器进一步包括多个调节杆，所述第一窗口及所述第二窗口设置有所述调节杆，所述调节杆用于调节相邻两个所述谐振器之间的耦合强度。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述N个谐振器成W型排布。

7.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括权利要求1-6任一项所述的滤波器及天线，所述滤波器与所述天线耦接，所述滤波器用于对所述天线的收发信号进行过滤。

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