CN111740194A - 无外壳的小型介质双模滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种无外壳的小型介质双模滤波器，属于通信技术领域。该滤波器包括：通过金属杆串联的n个谐振腔，且每相邻两个谐振腔之间间隔一个金属片；n个谐振腔中的第一个和最后一个谐振腔为金属谐振腔；n个谐振腔中的剩余n‑2个谐振腔为介质双模谐振腔，介质双模谐振腔为对称多边形结构，且介质双模谐振腔的表面实现金属化；n个谐振腔通过金属片上的耦合窗口进行耦合。本发明实施例提供的滤波器无需在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，具有体积紧凑，损耗小，功率容量大，带外抑制高，谐波性能好的特点，从而可以有效提高5G通信系统的抗干扰能力和频谱利用率，降低5G通信系统的功耗，提高5G通信系统的覆盖范围。

Description

无外壳的小型介质双模滤波器

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，特别涉及一种无外壳的小型介质双模滤波器。

背景技术

5G（5th Generation）通信中的Sub 6GHz采用MIMO（Multi-Input Multi-Output，多输入多输出）技术，需要在天线内部集成大量的滤波器，因此，对滤波器的损耗、带外抑制、功率容量、体积、重量等都有更高的要求。

若选用传统的金属滤波器，由于传统的金属滤波器的体积和重量太大，无法集成在天线内部。若选用小型介质波导滤波器，虽然小型介质波导滤波器的尺寸较小，但是其插损大，功率容量低。

发明内容

本发明实施例提供了一种无外壳的小型介质双模滤波器，用于解决现有技术中的问题。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种无外壳的小型介质双模滤波器，所述滤波器包括：通过金属杆串联的n个谐振腔，且每相邻两个谐振腔之间间隔一个金属片，n≥3；

所述n个谐振腔中的第一个和最后一个谐振腔为金属谐振腔；

所述n个谐振腔中的剩余n-2个谐振腔为介质双模谐振腔，所述介质双模谐振腔为对称多边形结构，且所述介质双模谐振腔的表面实现金属化；

所述n个谐振腔通过所述金属片上的耦合窗口进行耦合。

在一种可能的实现方式中，所述介质双模谐振腔的顶部和底部分别向内凹陷形成多边形环状结构，所述多边形环状结构与相邻的金属片连接。

在一种可能的实现方式中，所述介质双模谐振腔的侧面和所述多边形环状结构的顶部进行金属化处理。

在一种可能的实现方式中，所述介质双模谐振腔上设有对称的两个耦合孔，所述两个耦合孔用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合，且所述耦合孔的直径的大小与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。

在一种可能的实现方式中，两个相邻的介质双模谐振腔上的耦合孔交错分布，且所述两个相邻的介质双模谐振腔包含的四个谐振频率产生负的交叉耦合，并在所述滤波器的通带两端产生对称的两个传输零点。

在一种可能的实现方式中，位于第i个和第i+1个介质双模谐振腔之间的金属片上设有十字形耦合窗口，i为正整数；

所述十字形耦合窗口中的长边用于产生所述滤波器主路的耦合，短边用于产生所述交叉耦合。

在一种可能的实现方式中，所述耦合窗口的大小与所述介质双模谐振腔之间的耦合系数的大小呈正相关关系。

在一种可能的实现方式中，所述介质双模谐振腔包括金属壳体和位于所述金属壳体内部的介质块，所述两个耦合孔位于所述介质块上。

在一种可能的实现方式中，所述金属片和所述金属谐振腔上设有通孔，所述金属杆贯穿所述通孔串联所述金属谐振腔和所述金属片，且每根金属杆分别与两个金属谐振腔固定。

在一种可能的实现方式中，所述介质双模谐振腔采用微波陶瓷材料制成。

在一种可能的实现方式中，所述滤波器应用于sub 6GHz频段。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

由于滤波器包括通过金属杆串联的n个谐振腔，这n个谐振腔中的第一个和最后一个谐振腔为金属谐振腔，剩余n-2个谐振腔为介质双模谐振腔。这样，可以通过两个金属谐振腔实现抽头耦合，且利用金属谐振腔的二次谐振频率距离工作谐振频率较远的特性来抑制滤波器的远端谐波；还可以利用介质双模谐振腔中介质的高介电常数特性和低损耗特性来降低滤波器的体积和带内插损。另外，介质双模谐振腔的表面实现了金属化，可以形成金属边界条件，从而可以避免在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，解决了介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙较大，会导致滤波器的频率偏高严重，且高低温条件下的温漂较大，从而影响滤波器的性能的问题，也解决了介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙较小则无法将介质双模谐振腔压入金属外壳内，即使能够压入金属外壳内，介质双模谐振腔也可能会刮掉金属外壳表面的金属层，且高低温时金属外壳会将介质双模谐振腔挤裂的问题。概括来说，由于无需在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，所以，既可以克服由介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙引起的问题，降低了滤波器的生产难度，且使得滤波器的可靠性更高；也可以减小滤波器的体积和重量，使得滤波器具有体积紧凑，损耗小，功率容量大，带外抑制高，谐波性能好的特点，从而可以有效提高5G系统的抗干扰能力和频谱利用率，降低5G通信系统的功耗，提高5G通信系统的覆盖范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1是本发明一个实施例中的一种无外壳的小型介质双模滤波器的示意图；

图2是本发明一个实施例中的一种无外壳的小型介质双模滤波器的示意图；

图3是本发明一个实施例中的一种无外壳的小型介质双模滤波器的示意图；

图4是本发明一个实施例中的一种无外壳的小型介质双模滤波器的示意图；

图5是本发明一个实施例中的一种介质双模谐振腔的示意图；

图6是本发明一个实施例中的一种介质双模谐振腔的示意图；

图7是本发明一个实施例中的一种滤波器的近端频率响应曲线的示意图；

图8是本发明一个实施例中的一种金属片的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，其示出了本发明实施例提供的一种无外壳的小型介质双模滤波器，该滤波器包括：通过金属杆110串联的n个谐振腔120，且每相邻两个谐振腔120之间间隔一个金属片130，n≥3。

其中，若谐振腔120的数量为n，则金属片130的数量为n-1，且n的数量可以根据实际的滤波器指标确定，本实施例不作限定。

图1中以n为6进行举例说明，则图1所示的是一个十阶四零点的小型介质双模滤波器。该滤波器依次包括第一个谐振腔120、第一个金属片130、第二个谐振腔120、第二个金属片130、第三个谐振腔120、第三个金属片130、第四个谐振腔120、第四个金属片130、第五个谐振腔120、第五个金属片130、第六个谐振腔120。

本实施例中采用金属谐振腔和介质双模谐振腔实现滤波器。在一种实现方式中，n个谐振腔120中的第一个和最后一个谐振腔120为金属谐振腔，n个谐振腔120中的剩余n-2个谐振腔120为介质双模谐振腔。仍然以图1中的滤波器为例进行说明，则第一个谐振腔120（图1中最左侧的谐振腔120）和第六个谐振腔120（图1中最右侧的谐振腔120）为金属谐振腔，中间的第二至四个谐振腔120为介质双模谐振腔。为了便于区别，图1中以120-1表示金属谐振腔，以120-2表示介质双模谐振腔。其中，金属谐振腔需要接地，以解决雷击问题。

由于第一个谐振腔120为滤波器的输入端，最后一个谐振腔120为滤波器的输出端，这两个金属谐振腔都是金属同轴谐振腔，采用金属谐振柱加载，所以，可以利用金属谐振腔的二次谐振频率距离工作谐振频率较远的特性来抑制滤波器的远端谐波，即可以抑制滤波器的远端寄生通带。

采用高介电常数的介质双模谐振腔作为中间级谐振腔，从而可以利用高介电常数特性和双模的特点来减小滤波器中谐振腔120尺寸。其中，每个介质双模谐振腔都有两个正交的谐振频率。在一种实现方式中，介质双模谐振腔可以采用微波陶瓷材料制成，则可以利用微波陶瓷材料的低损耗特性来提高滤波器的损耗特性。

本实施例中，介质双模谐振腔为对称多边形结构。比如，介质双模谐振腔可以是六边形结构、八边形结构等等，图1中以六边形结构进行举例说明。

在一种实现方式中，需要在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，从而形成金属边界条件。在这种实现方式中，介质双模谐振腔与金属外壳之间会存在间隙。若该间隙太大，则会导致滤波器的频率偏高严重，且高低温条件下的温漂较大，从而影响滤波器的性能；若该间隙较小，则无法将介质双模谐振腔压入金属外壳内，即使能够将介质双模谐振腔压入金属外壳内，介质双模谐振腔也可能会刮掉金属外壳表面的金属层，且可能会导致高低温时金属外壳会将介质双模谐振腔挤裂的问题。为了解决上述问题，本实施例中在介质双模谐振腔的表面实现金属化，通过金属化完全取代金属外壳，也就可以克服由金属外壳而引发的问题。其中，金属化可以采用镀银或烧银技术实现，本实施例不作限定。

本实施例中，每个金属片130上都设置有耦合窗口131，这样，n个谐振腔120可以通过金属片130上的耦合窗口131进行耦合。

其中，谐振腔120可以作为一个独立部件单独制造，金属片130也可以作为一个独立部件单独制造，然后，再通过金属杆110对该谐振腔120和金属片130进行串联来得到滤波器，从而降低滤波器的生产难度，便于滤波器的生产。

请参考图2-4，图2是图1中的滤波器的侧视图，图3是图1中的滤波器逆时针旋转90°后的示意图，图4是图2中的滤波器的侧视图。

综上所述，本实施例提供的无外壳的小型介质双模滤波器，由于滤波器包括通过金属杆串联的n个谐振腔，这n个谐振腔中的第一个和最后一个谐振腔为金属谐振腔，剩余n-2个谐振腔为介质双模谐振腔。这样，可以通过两个金属谐振腔实现抽头耦合，且利用金属谐振腔的二次谐振频率距离工作谐振频率较远的特性来抑制滤波器的远端谐波；还可以利用介质双模谐振腔中介质的高介电常数特性和低损耗特性来降低滤波器的体积和带内插损。另外，介质双模谐振腔的表面实现了金属化，可以形成金属边界条件，从而可以避免在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，解决了介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙较大，会导致滤波器的频率偏高严重，且高低温条件下的温漂较大，从而影响滤波器的性能的问题，也解决了介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙较小则无法将介质双模谐振腔压入金属外壳内，即使能够压入金属外壳内，介质双模谐振腔也可能会刮掉金属外壳表面的金属层，且高低温时金属外壳会将介质双模谐振腔挤裂的问题。概括来说，由于无需在介质双模谐振腔的外部设置金属外壳，所以，既可以克服由介质双模谐振腔与金属外壳之间的间隙引起的问题，降低了滤波器的生产难度，且使得滤波器的可靠性更高；也可以减小滤波器的体积和重量，使得滤波器具有体积紧凑，损耗小，功率容量大，带外抑制高，谐波性能好的特点，从而可以有效提高5G系统的抗干扰能力和频谱利用率，降低5G通信系统的功耗，提高5G通信系统的覆盖范围。

请参考图5所示的单个介质双模谐振腔的结构图，本实施例中的介质双模谐振腔的顶部和底部分别向内凹陷形成多边形环状结构121，且多边形环状结构121可以作为支撑的隔墙与相邻的金属片130连接。仍然以图1中的滤波器为例，则第一个介质双模谐振腔的顶部的多边形环状结构121与第一个金属片130连接，第一个介质双模谐振腔的底部的多边形环状结构121与第二个金属片130连接；第二个介质双模谐振腔的顶部的多边形环状结构121与第二个金属片130连接，第二个介质双模谐振腔的底部的多边形环状结构121与第三个金属片130连接，依此类推。

另外，介质双模谐振腔上设有对称的两个耦合孔122，两个耦合孔122用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合。请参考图6，图6中的滤波器中包括4个介质双模谐振腔，由于每个介质双模谐振腔产生两个正交的谐振频率，所以，这4个介质双模谐振腔构成8个谐振频率。

其中，耦合孔122的直径的大小与谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。即，耦合孔122的直径越大，谐振频率之间的耦合系数越大；耦合孔122的直径越小，谐振频率之间的耦合系数越小。这样，可以通过调节耦合孔122的直径的大小来调节谐振频率之间的耦合系数。

本实施例中，介质双模谐振腔的侧面123和多边形环状结构121的顶部进行金属化处理。即，对介质双模谐振器的外表面四周进行了金属化处理，且对隔墙的顶部也进行了金属化处理，作为该介质双模谐振器的金属边界条件。

本实施例中，两个相邻的介质双模谐振腔上的耦合孔122交错分布，且两个相邻的介质双模谐振腔包含的四个谐振频率产生负的交叉耦合，并在滤波器的通带两端产生对称的两个传输零点。

其中，两个相邻的介质双模谐振腔之间按照一定角度交叉安装，其所包含的四个谐振频率作为一个子集，产生负的交叉耦合，从而在滤波器的通带两端产生对称的两个传输零点。同理，如果有多个这样的子集就可以产生多个对称的传输零点，从而可以利用对称的传输零点来获得陡峭的带外抑制度。

请参考图7所示的滤波器的近端频率响应曲线，从该响应曲线中可以看出，本实施例中所示的十阶四零点的混合模滤波器在通带的左右两边具有四个传输零点。

请参考图8所示的金属片130的示意图，本实施例中的每个金属片130上都设有耦合窗口131，且耦合窗口131的大小与介质双模谐振腔之间的耦合系数的大小呈正相关关系。即，耦合窗口131越大，耦合系数越大；耦合窗口131越小，耦合系数越小。所以，可以根据谐振腔120之间的耦合系数要求来调节耦合窗口131的大小。

比如，金属谐振腔和介质双模谐振腔的耦合系数要求较大，所以，金属谐振腔和介质双模谐振腔之间的金属片130的耦合窗口131较大。

本实施例中，位于第i个和第i+1个介质双模谐振腔之间的金属片130上设有十字形耦合窗口，i为正整数；十字形耦合窗口中的长边用于产生滤波器主路的耦合，短边用于产生交叉耦合。

比如，第一个介质双模谐振腔和第二个介质双模谐振腔之间的金属片130（即图8中右侧的金属片130）、第三个介质双模谐振腔和第四个介质双模谐振腔之间的金属片130（即图8中右侧的金属片130）中，耦合窗口131是十字形耦合窗口。十字形耦合窗口结构和其相邻的两个介质双模谐振腔耦合一个四个谐振频率的子集，通过交叉放置介质双模谐振腔以及该十字形耦合窗口结构，可以在滤波器通带两边各形成一个传输零点。第二个介质双模谐振腔和第三个介质双模谐振腔之间的金属片130（即图8中左侧的金属片130）中，耦合窗口131是一字形耦合窗口。即，在有交叉耦合处的为十字形耦合窗口，在没有交叉耦合处的为一字型耦合窗口。

下面对谐振腔120和金属片130的串联方式进行说明。本实施例中，可以利用较长的金属杆110来串联金属谐振腔120和金属片130，从而得到组装的滤波器。

请参考图1，本实施例中，金属片130和金属谐振腔上设有通孔132，金属杆110贯穿通孔132串联金属谐振腔120和金属片130，且每根金属杆110分别与两个金属谐振腔固定。

本实施例中，可以按照顺序在金属杆110上依次串联金属谐振腔120和金属片130，再在金属杆110的尾部用一个螺母140锁紧，从而避免双模介质谐振腔转动。

本实施例提供的滤波器可以应用于sub 6GHz频段，当然，也可以应用在其他频段，本实施例不作限定。需要说明的是，本实施例中的滤波器的尺寸可以根据实际的滤波器指标，通过HFSS（High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真器）等电磁仿真软件优化确定。

以上所述并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：通过金属杆串联的n个谐振腔，且每相邻两个谐振腔之间间隔一个金属片，n≥3；

所述n个谐振腔中的第一个和最后一个谐振腔为金属谐振腔；

所述n个谐振腔中的剩余n-2个谐振腔为介质双模谐振腔，所述介质双模谐振腔为对称多边形结构，且所述介质双模谐振腔的表面实现金属化；

所述n个谐振腔通过所述金属片上的耦合窗口进行耦合。

2.根据权利要求1所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述介质双模谐振腔的顶部和底部分别向内凹陷形成多边形环状结构，所述多边形环状结构与相邻的金属片连接。

3.根据权利要求2所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述介质双模谐振腔的侧面和所述多边形环状结构的顶部进行金属化处理。

4.根据权利要求1所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述介质双模谐振腔上设有对称的两个耦合孔，所述两个耦合孔用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合，且所述耦合孔的直径的大小与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。

5.根据权利要求1所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，两个相邻的介质双模谐振腔上的耦合孔交错分布，且所述两个相邻的介质双模谐振腔包含的四个谐振频率产生负的交叉耦合，并在所述滤波器的通带两端产生对称的两个传输零点。

6.根据权利要求5所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，位于第i个和第i+1个介质双模谐振腔之间的金属片上设有十字形耦合窗口，i为正整数；

所述十字形耦合窗口中的长边用于产生所述滤波器主路的耦合，短边用于产生所述交叉耦合。

7.根据权利要求6所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述耦合窗口的大小与所述介质双模谐振腔之间的耦合系数的大小呈正相关关系。

8.根据权利要求1所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述金属片和所述金属谐振腔上设有通孔，所述金属杆贯穿所述通孔串联所述金属谐振腔和所述金属片，且每根金属杆与两个金属谐振腔固定。

9.根据权利要求1所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述介质双模谐振腔采用微波陶瓷材料制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的无外壳的小型介质双模滤波器，其特征在于，所述滤波器应用于sub 6GHz频段。

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