CN111883887A - 基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器 - Google Patents

基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器 Download PDF

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李贺
徐文娇
夏志鹏
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Abstract

本发明公开了一种基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，该滤波器包括：接地板，以及设置于该接地板上方的第一谐振器和两个第二谐振器，其中，第一谐振器用于传输差模信号，两个第二谐振器分别用于输入、输出差模信号；所述谐振器均为横截面为等腰直角三角形的三棱柱结构，下表面均与接地板相接，上表面为金属面；两个第二谐振器关于第一谐振器的垂直平分线对称设置，且第一谐振器的两个直角边分别与两个第二谐振器的斜边平行。本发明基于底面为等腰直角三角形的三棱柱谐振器的滤波器，在保证高性能、小型化的前提下实现了对滤波器共模的抑制以及对高次谐波的抑制，非常适用于现代无线通信系统。

Description

基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别涉及一种基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器。
背景技术
随着先进的现代通信系统的飞速发展，各种微波平衡电路由于其不受环境影响而越来越受到人们的欢迎。滤波器在是微波毫米波系统中实现信号选择的重要的无源器件。平衡带通滤波器可以根据不同的谐振器类型分为两个主要类别。
第一种是由几种类型的传输线谐振器构造的平衡带通滤波器，利用该方法提出了几种平衡带通滤波器，例如文献1(C.H.Wu,C.H.Wang,and C.H.Chen,“Stopband-extendedbalanced bandpass filter using coupled stepped-impedance resonators,”IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.17,no.7,pp.507–509,Jul.2007)采用平面微带线、文献2(J.Shi et al.,“A compact differential filtering quasi-Yagi antenna withhigh frequency selectivity and low cross-polarization levels,”IEEE AntennasWireless Propag.Lett.,vol.14,pp.1573–1576,2015)采用双面带线、文献3(A.Fernández-Prieto,J.Martel,F.Medina,F.Mesa,and R.R.Boix,“Compact balanced FSIRbandpass filter modified for enhancing common-mode suppression,”IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.25,no.3,pp.154–156,Mar.2015)采用折叠阶梯阻抗谐振器。然而，这些滤波器导体损耗大且功率处理能力低。
为了克服这些缺点，提出了第二种类型平衡带通滤波器，如文献4(P.Chu et al.,“Balanced substrate integrated waveguide filter,”IEEE Trans.Microw.TheoryTechn.,vol.62,no.4,pp.824–831,Apr.2014)所述，基于衬底集成(SIW)谐振器的平衡带通滤波器，平面SIW腔由于其低损耗和高功率处理能力在滤波器设计中变得非常有吸引力。与SIW腔相比，陶瓷介质加载的平衡带通滤波器体积更小。尽管方形贴片谐振器已被应用于平衡带通滤波器，但其谐振特性没有良好的差分模式滤波选择性和高共模抑制抑制特性。与方形和圆形贴片谐振器相比，三角形谐振器介绍较少，特别是等腰直角三角形谐器。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有体积小、共模抑制效果好等优点的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，所述滤波器包括：接地板，以及设置于该接地板上方的第一谐振器和两个第二谐振器，其中，第一谐振器用于传输差模信号，两个第二谐振器分别用于输入、输出差模信号；所述谐振器均为横截面为等腰直角三角形的三棱柱结构，下表面均与接地板相接，上表面为金属面；两个第二谐振器关于第一谐振器的垂直平分线对称设置，且第一谐振器的两个直角边分别与两个第二谐振器的斜边平行。
进一步地，所述用于输入差模信号的第二谐振器包括设置于金属面上的两个避位孔、两个输入端口，以及分别设置于两个输入端口内的两个铜柱探针；所述两个避位孔关于第二谐振器的垂直平分线即TM10模零电位分布线对称分布，两个输入端口分别位于两个避位孔处，所述两个铜柱探针分别穿过金属面深入第二谐振器中设置的两个孔槽中；两个输入端口输入等幅反相信号激励起TM10模，第一谐振器工作于TM11模式。
进一步地，所述用于输出差模信号的第二谐振器包括设置于金属面上的两个避位孔、两个输出端口，以及分别设置于两个输出端口内的两个铜柱探针；所述两个避位孔关于第二谐振器的垂直平分线即TM10模零电位分布线对称分布，两个输出端口分别位于两个避位孔处，所述两个铜柱探针分别穿过金属面深入第二谐振器中设置的两个孔槽中。
进一步地，所述第二谐振器的斜边与第一谐振器的直角边的距离可调，用于改变通带的带宽。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1)在选用高介电常数陶瓷介质的条件下，该平衡滤波器的尺寸较小；2)可实现良好的共模抑制；3)具有很好的谐波抑制效果，提高了带外选择性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器的立体结构示意图。
图2为一个实施例中第一谐振器TM11模的电场强度分布图。
图3为一个实施例中第二谐振器TM10模的电场强度分布图。
图4为一个实施例中基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器结构俯视图。
图5为一个实施例中基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器结构侧视图。
图6为一个实施例中输入差模信号时S参数仿真图。
图7为一个实施例中输入共模信号时S参数仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，所述滤波器包括：接地板22，以及设置于该接地板22上方的第一谐振器17和两个第二谐振器16，其中，第一谐振器17用于传输差模信号，两个第二谐振器16分别用于输入、输出差模信号；所述谐振器均为横截面为等腰直角三角形的三棱柱结构，下表面均与接地板22相接，上表面为金属面；两个第二谐振器16关于第一谐振器17的垂直平分线对称设置，且第一谐振器17的两个直角边分别与两个第二谐振器16的斜边平行，形成耦合效果。
这里，两个第二谐振器16关于第一谐振器17的垂直平分线呈轴线设置，使得第二谐振器16形成半切的等腰直角三角形，第一谐振器17通过等腰直角三角形的两个直角边与第二谐振器16的斜边形成空间耦合。由于半切的等腰直角三角形在本发明中相当于将切割前的等腰直角三角形沿垂直平分线切割，故其电场分布正好与切割前的等腰直角三角形的一半相对应，半切的等腰直角三角形结构进一步减小了本发明滤波器的整体尺寸，同时也增加了滤波器的阶数。
进一步地，在其中一个实施例中，所述用于输入差模信号的第二谐振器16包括设置于金属面上的两个避位孔9、10、两个输入端口1、2，以及分别设置于两个输入端口内的两个铜柱探针5、6；所述两个避位孔9、10关于第二谐振器16的垂直平分线即TM10模零电位分布线如图3所示对称分布，两个输入端口1、2分别位于两个避位孔9、10处，所述两个铜柱探针5、6又称铜柱分别穿过金属面深入第二谐振器16中设置的两个孔槽20、21中；两个输入端口1、2输入等幅反相信号激励起TM10模，第一谐振器17工作于TM11模式，磁壁的位置恰好是第一谐振器17的垂直平分线位置，如图2所示。
这里，所述避位孔、输入端口的直径均相同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述用于输出差模信号的第二谐振器16包括设置于金属面上的两个避位孔11、12、两个输出端口3、4，以及分别设置于两个输出端口内的两个铜柱探针7、8；所述两个避位孔11、12关于第二谐振器16的垂直平分线即TM10模零电位分布线对称分布，两个输出端口3、4分别位于两个避位孔11、12处，所述两个铜柱探针7、8分别穿过金属面深入第二谐振器16中设置的两个孔槽18、19中。
这里，两输出端口对称分布可保证两个端口输出的能量一致，从而进一步抑制高次谐波。
优选地，所述输入端口、输出端口均采用SAM连接头。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第二谐振器16的斜边与第一谐振器17的直角边的距离可调，用于改变通带的带宽。间隙越小，第一谐振器17与第二谐振器16之间的耦合强度越大，通带的带宽越大。
进一步地，在其中一个实施例中，所述接地板22的相对介电常数为36.5，损耗角正切为0.00015，厚度为8mm。
本发明基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器的工作原理为：信号经两输入端口流入，右侧的第二谐振器(用于输入差模信号的第二谐振器)工作于TM10模式，等腰直角三角形中TM10模式电场关于垂直平分线对称，垂直平分线上电场为0，垂直平分线左右两侧电场等幅反相，故右侧第二谐振器激励起的是等幅反相的差模信号，共模信号无法被激励，信号通过空间耦合实现了右侧第二谐振器与第一谐振器差模信号的传输，两第二谐振器工作于TM10模式，第一谐振器工作于TM11模式，差模信号再次通过空间耦合传输到左侧第二谐振器(用于输出差模信号的第二谐振器)，经过两输出端口输出差模信号。其中，两输入端口为一对平衡端口，两输出端口为一对平衡端口。
根据图3所示TM10模电场分布图，两输入端口输入等幅反相信号从而激励起TM10模，第一谐振器工作于TM11模式，电场分布关于等腰直角三角形的垂直平分线对称，此垂直平分线即磁壁两侧电场对称分布，根据图2所示TM11模电场分布图，信号经过第一谐振器仍然是差模信号，经过空间耦合信号差模输出，实现了共模抑制的功能，同时带外高次谐波抑制效果好，具有高选择性。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器的结构如图1所示，有关尺寸规格如图4所示。所采用的接地板相对介电常数为36.5，厚度为8mm，损耗角正切为0.00015。结合图4、图5，滤波器的各尺寸参数如下：A1＝64.5mm，A2＝64.8mm，D1＝4.1mm，D2＝1.3mm，W＝13.45mm，L＝36mm，X1＝Y1＝169.7mm，H0＝2mm，H1＝8mm，H2＝6.1mm，H3＝6.3mm，H4＝6mm，H5＝6mm。其中，A1为第一谐振器17的直角边长，A2为两个第二谐振器16的斜边长，D1为同轴馈电SMA连接头1至4的直径，D2为铜柱5至8的直径，W为第一谐振器与第二谐振器直接的间距，L为两输入端口输出端口间距，X1为接地板22的长度，Y1为接地板22的宽度，H0为接地板的厚度，H1为三个谐振器的厚度，H2为铜柱5的深度，H3为铜柱6的深度，H4为铜柱7的深度，H5为铜柱8的深度。
本实例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。图6为本实例输入差模信号时的S参数仿真图，输入端口1、2构成差分端口A，输出端口3、4构成差分端口B，从图6可以看出，该滤波器的中心频率为0.67GHz，相对带宽为10.4％，通带内插入损耗小于1.5dB，损耗较低。
图7为本实例输入共模信号时的S参数仿真图，从图中可以看出，在0.63-0.7GHz通带范围内共模抑制达到了72dB以下,共模抑制效果很好，带外高次谐波均被抑制在20dB以下，具有高选择性。
综上所述，本发明基于底面为等腰直角三角形的三棱柱谐振器的滤波器，在保证高性能、小型化的前提下实现了对滤波器共模的抑制以及对高次谐波的抑制，非常适用于现代无线通信系统。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：接地板(22)，以及设置于该接地板(22)上方的第一谐振器(17)和两个第二谐振器(16)，其中，第一谐振器(17)用于传输差模信号，两个第二谐振器(16)分别用于输入、输出差模信号；所述谐振器均为横截面为等腰直角三角形的三棱柱结构，下表面均与接地板(22)相接，上表面为金属面；两个第二谐振器(16)关于第一谐振器(17)的垂直平分线对称设置，且第一谐振器(17)的两个直角边分别与两个第二谐振器(16)的斜边平行。
2.根据权利要求1所述的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述用于输入差模信号的第二谐振器(16)包括设置于金属面上的两个避位孔(9、10)、两个输入端口(1、2)，以及分别设置于两个输入端口内的两个铜柱探针(5、6)；所述两个避位孔(9、10)关于第二谐振器(16)的垂直平分线即TM10模零电位分布线对称分布，两个输入端口(1、2)分别位于两个避位孔(9、10)处，所述两个铜柱探针(5、6)分别穿过金属面深入第二谐振器(16)中设置的两个孔槽(20、21)中；两个输入端口(1、2)输入等幅反相信号激励起TM10模，第一谐振器(17)工作于TM11模式。
3.根据权利要求1所述的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述用于输出差模信号的第二谐振器(16)包括设置于金属面上的两个避位孔(11、12)、两个输出端口(3、4)，以及分别设置于两个输出端口内的两个铜柱探针(7、8)；所述两个避位孔(11、12)关于第二谐振器(16)的垂直平分线即TM10模零电位分布线对称分布，两个输出端口(3、4)分别位于两个避位孔(11、12)处，所述两个铜柱探针(7、8)分别穿过金属面深入第二谐振器(16)中设置的两个孔槽(18、19)中。
4.根据权利要求2或3所述的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述输入端口、输出端口均采用SAM连接头。
5.根据权利要求1所述的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述第二谐振器(16)的斜边与第一谐振器(17)的直角边的距离可调，用于改变通带的带宽。
6.根据权利要求1所述的基于陶瓷介质加载的高选择性平衡滤波器，其特征在于，所述接地板(22)的相对介电常数为36.5，损耗角正切为0.00015，厚度为8mm。
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