CN112018472B - 双模波纹式波导腔滤波器 - Google Patents
双模波纹式波导腔滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
一种滤波器包括介质谐振器元件和具有波纹管结构的圆柱形波导腔,其中波纹管结构围绕介质谐振器元件,以使得介质谐振器元件的外环绕壁表面与波纹管结构的内侧壁接触。波纹管结构包括一个或多个被间隔的波纹,其被配置为提供弹簧式动作以可控地使波纹管结构扩展和收缩,以使得介质谐振器元件能够被可控地插入并夹持在圆柱形波导腔内。可选择被间隔的波纹的几何结构以限定旋转不对称的波纹管结构,其被配置为在滤波器内分裂多个基本电磁波模式。
Description
技术领域
本发明一般涉及波导滤波器,更特别地,涉及使用波纹管结构的双模波导腔滤波器。
背景技术
诸如无源射频(RF)滤波器的微波部件在无线通信中扮演重要的角色。例如,RF滤波器通常用于仅将期望频率从无线电传递到天线(并且从天线传递到无线电),同时阻止其他可使接收机饱和的杂散传输。给定设备在小区站点的密度和共同位置,部件尺寸已成为关键因素。例如,与诸如传统的空气同轴滤波器的其他滤波器相比,双模陶瓷波导滤波器由于它们的滤波性能(例如,易于并仅产生传输零点的能力)以及减小的部件尺寸而对于这种应用特别有用。
然而,减小传统的双模波导滤波器的尺寸会引起其他与性能折衷、成本、以及制造和部件组装问题有关的缺点。例如,滤波器组件可通过将电介质元件(例如,陶瓷“圆盘”)悬挂在滤波器腔内并且将电介质元件延伸到腔壁而更加紧凑。在这种布置中,电介质元件将需要扰动结构以“破坏”双模的简并度(例如,分裂其他简并双模的频率)并限定滤波器带宽(例如,模式被分裂得越多,滤波器的带宽越大等)。添加这种扰动结构可增加生产电介质元件的总成本。另外,这种滤波器组件增加了制造和组装的复杂性。例如,严格的容限(例如,孔和圆柱的直径、温度变化)使得在使用机械工艺(例如,液压压制)或温度控制工艺(例如,加热/冷却以影响刚性金属腔的扩展和收缩)时很难将陶瓷圆盘插入并固定在刚性腔内部而不会造成损坏。
发明内容
根据各种实施例,紧凑尺寸的波导滤波器使用波纹管结构,其允许电介质元件被可控地压制并夹持在波导腔内。波纹的分布提供了可被扩展和收缩的腔结构,而没有与遵守严格的容限(例如,孔径)和在加热/冷却过程中控制温度变化相关联的挑战。波纹管结构用作弹簧以易于电介质元件的插入,并且提供夹持力以将电介质元件保持在适当位置。管结构中的波纹的几何结构可提供旋转不对称性,以使用无激励电介质来分裂双模谐振频率,从而避免在波导腔内添加扰动结构的成本。
根据实施例,一种滤波器包括介质谐振器元件(例如,陶瓷谐振器)和具有波纹管结构的圆柱形波导腔,该波纹管结构围绕介质谐振器元件,以使得介质谐振器元件的外环绕壁表面与波纹管结构的内侧壁接触。波纹管结构包括一个或多个被间隔的波纹,其被配置为提供弹簧式动作以可控地使波纹管结构(例如,管的直径)扩展和收缩,以使得介质谐振器元件能够被可控地插入并夹持在圆柱形波导腔内。根据实施例,被间隔的波纹的几何结构限定了旋转不对称的波纹管结构,该旋转不对称的波纹管结构能够在滤波器内分裂多个电磁波模式,例如,双模滤波器配置中的第一谐振模式和第二基本简并谐振模式。根据另一个实施例,被间隔的波纹的几何结构限定了旋转对称的波纹管结构,并且介质谐振器元件包括一个或多个扰动元件(例如,陶瓷谐振器中的“通”孔)以用于在滤波器内分裂多个电磁波模式。在不同的实施例中,被间隔的波纹可采取半圆柱形、半正方形、三角形、矩形以及能够在波纹管结构上提供弹簧式动作的各种其他形状的形式。介质谐振器元件还可包括斜切边缘(例如,在顶面和/或底面上)以易于插入腔中。
附图说明
图1示出滤波器配置;
图2A示出根据说明性实施例的双模波导滤波器的透视图;
图2B示出来自图2A的双模波导滤波器的俯视图;
图3A和图3B示出根据说明性实施例的在双模波导滤波器中传播的两个分裂模式的正交极化电场。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述各种说明性实施例,在附图中示出了一些说明性实施例。然而,应当理解,无意将说明性实施例限制为所公开的特定形式,而是相反,说明性实施例旨在覆盖落入权利要求的范围内的所有修改、等同物、以及替代物。在适当的情况下,在附图的描述中,相同的附图标记指代相同的元件。将理解,虽然在本文中可使用术语“第一”、“第二”等描述各种元件,但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如,在不背离说明性实施例的范围的情况下,第一元件可被称为第二元件,并且类似地,第二元件可被称为第一元件。如在本文中使用的,术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和所有组合。
图1示出了滤波器组件100,其中,电介质元件120(例如,圆柱形陶瓷圆盘)被悬挂在腔101内。如图所示,电介质元件120延伸到腔101的壁。在这种布置中,电介质元件120可被机械地压制到腔101中,这将取决于金属允许电介质元件120的插入以及具有将电介质元件120保持在适当位置的必要的阻力和力的延展性。可能还需要观察例如关于孔径D的紧密度容限,以确保可实现恰当的插入和保持力。可替代地,电介质元件120可使用温度控制过程来被插入腔101中,该温度控制过程例如涉及施加热量以使金属腔101扩展、插入电介质元件120、然后进行冷却以使金属腔101收缩以夹持住电介质元件120(例如,“冷缩”过程)。然而,管理大范围的温度变化需要高精确度和控制,以确保在冷缩过程结束时可实现合适程度的保持力,同时避免在该过程中对电介质元件120造成任何损坏,这种损坏可能导致电介质元件120的性能下降。该布置的另一个缺点是滤波器组件100需要扰动结构以分裂简并双模频率。例如,需要在电介质元件120中添加“通”孔/槽或者在腔101中插入调整螺钉,这会增加制造和组装滤波器组件100的成本和复杂性。
图2A(透视图)和图2B(俯视图)示出了波导滤波器200的说明性实施例,波导滤波器200包括被插入(设置)在由波纹管结构201限定的圆柱形波导腔内的介质谐振器元件220。在该实施例中,波纹管结构201包括内(内部)侧壁205和围绕波纹管结构201的圆周分布的多个被间隔的波纹210A、210B、210C、210D、210E、210F、210G、210H、210I和210J(统称为210A-210J)。如图所示,波纹管结构201围绕介质谐振器元件220,以使得介质谐振器元件220的外环绕壁表面221与波纹管结构201的内侧壁205接触。
根据实施例,波纹管结构201是金属管(例如,铝、铝合金、镀银钢、铜、或其他合适的金属),并且介质谐振器元件220是无激励陶瓷谐振器(例如,没有用于“破坏”谐振模式的简并度的结构)。被间隔的波纹210A-210J允许波纹管结构201可变形地扩展和收缩,以允许介质谐振器元件220被插入其中。特别地,沿着波纹管结构201包括被间隔的波纹210A-210J在结构中提供了弹性以使得它像弹簧一样工作(例如,提供弹簧式动作),可控地使波纹管结构201扩展和收缩以使得介质谐振器元件220能够被可控地插入并夹持在圆柱形波导腔内。以这种方式,波纹管结构201的弹簧式动作使介质谐振器元件220的插入变得容易,并且还用作受控的夹持力以将介质谐振器元件220保持在适当位置。虽然未示出,但是介质谐振器元件220可沿着它的顶端面和/或底端面(未示出)的周边具有斜切边缘(或者甚至略微斜切的边缘),这可辅助介质谐振器元件220被插入波纹管结构201中。
通常,被间隔的波纹210A-210J围绕波纹管结构201的圆周限定了一系列交替的槽和脊(或肋状物)。根据实施例,被间隔的波纹210A-201J的几何形状(例如,横截面)可以是半圆柱形(如图2A和图2B中所示)。可替代地,被间隔的波纹210A-201J可采取半正方形、矩形、三角形、或者允许波纹管结构201的直径可控地扩展和收缩的任何形状的形式。每个被间隔的波纹210A-210J在远离圆柱形波导腔的中央部分的方向(或纵轴)上向外延伸。可使用众所周知的技术来形成各种几何形状和结构的具有被间隔的波纹210A-210J的波纹管结构201,例如,经由挤压、从较大的外部圆柱形腔中机械加工而成、等等。
沿着波纹管结构201的圆周被包括的被间隔的波纹201A-201J的数量和定位是设计选择的问题,并且可根据用于波导滤波器200的物理和/或功能性能要求来选择。如将显而易见地,较少的被间隔的波纹可提供较小的弹簧式动作,而较多的被间隔的波纹将增大弹簧式动作的范围(例如,更大的扩展和收缩范围)。虽然在本文中示出的说明性实施例包括十个(10)被间隔的波纹,但是即使单个波纹也可为波导滤波器100提供必需的功能。
根据实施例,波导滤波器200是旋转不对称的,因为一个或多个被间隔的波纹201A-201J的几何结构限定了旋转不对称的波纹管结构201,其被配置为分裂在波导滤波器200内传播的多个基本电磁波模式。如在本文中所使用的,术语“旋转不对称”应被理解为是指其中波纹沿着波纹管结构201的圆周至少部分地被非均匀地分布的结构。例如,在一个实施例中,波导滤波器200是分裂双模频率(例如,第一谐振模式和第二基本简并谐振模式)的双模滤波器。因为在圆柱形波导结构本身中经由波纹结构提供了旋转不对称性,所以介质谐振器元件220可以是无激励陶瓷,例如,在陶瓷圆盘中不需要扰动。
图3A和图3B演示了用来自图2A和图2B的波导滤波器200实现的旋转不对称。特别地,图3A和图3B示出了根据实施例的两个分裂模式的相应的电场。更具体地,图3A相对于波导滤波器200的俯视图示出了电场320,其中标记321指示电场320的“顶部”,标记322指示电场320的“底部”。类似地,图3B相对于波导滤波器200的俯视图示出了电场350,其中标记351指示电场350的“顶部”,标记352指示电场350的“底部”。在图3A和图3B所示的示例中,电场是使用35mm OD(外径)的电介质来产生的,其中,电介质的高度是12mm,并具有在870MHz(图3A)和890MHz(图3B)的基本模式的介电常数Er78。该示例仅仅是说明性的,并且不以任何方式进行限制。
当在针对波导滤波器200的俯视图的x-y轴视角中观看时,图3A示出了在垂直方向上(例如,从“顶部”位置321到“底部”位置322)被极化的电场320,而图3B示出了在水平方向上(例如,从“顶部”位置351到“底部”位置352)被极化的电场350。在该实施例中实现了旋转不对称,因为每个模式(图3A和图3B)“看见”的波导滤波器200的结构不同。例如,图3A中的谐振模式没有“看见”在电场320的位置321或322处的波纹“凸起”,而在图3B中,谐振模式“看见”在电场350的位置351处的波纹“凸起”210C和在电场350的位置352处的波纹“凸起”210H。由于每个模式“看见”的结构不同,因此,用于每个模式的电流路径长度将是不同的,并且因此,它们的谐振频率将是不同的。例如,用于图3A中的模式的电流必须从位置321行进到位置322,遍历在它们之间的每个“凸起”。相比之下,用于图3B中的模式的电流从位置351行进到位置352,遍历较少的凸起,因此具有较短的路径长度和较高的谐振频率。
被间隔的波纹210A-210J以在波纹管结构201中提供旋转不对称性的方式被并入,例如,被间隔的波纹210A-210J的数量和定位/间距。例如,当波纹以360/N度重复时,旋转不对称性不存在(即,模式保持简并),其中,N>2,并且N是表示波纹数量的整数。
如所描述的,沿着波纹管结构201的圆周被包括的被间隔的波纹201A-201J的数量和定位是设计选择的问题,并且可根据用于波导滤波器200的物理和/或功能性能要求来选择。例如,波纹数量也可影响波导滤波器200的模式分裂性能。如将显而易见地,较少数量的被间隔的波纹可增强波导滤波器200中的模式分裂性能,而较多数量的被间隔的波纹可降低波导滤波器200中的模式分裂性能。也就是说,存在的不对称性越多,则模式将被分裂得越多。
在另一个实施例中,波纹管结构201的几何结构也可以是旋转对称的,但在这种情况下,扰动将被并入介质谐振器元件220中(例如,“通”孔作为扰动元件)以有效地分裂在波导滤波器200内传播的基本电磁波模式,例如,用于双模滤波器的双模频率。
前述内容仅仅说明了本公开的原理。因此,将理解,本领域技术人员将能够设计出体现本公开的原理并且被包括在其精神和范围内的各种布置,虽然未在本文中明确描述或示出。此外,在本文中所述的所有示例和条件语言主要旨在仅用于教学目的,以帮助读者理解本公开的原理和发明人为促进本领域而贡献的概念,并且应被解释为不限制这种特定描述的示例和条件。此外,在本文中描述本公开的原理、方面和实施例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。另外,预期这种等同物包括当前已知的等同物以及在将来开发的等同物。
Claims (18)
1.一种滤波器,包括:
介质谐振器元件;以及
波纹管结构,其围绕所述介质谐振器元件,以使得所述介质谐振器元件的外壁表面与所述波纹管结构的内侧壁接触,所述波纹管结构包括一个或多个被间隔的波纹,所述一个或多个被间隔的波纹被配置为提供弹性以可控地使所述波纹管结构扩展和收缩,以使得所述介质谐振器元件能够被可控地插入并夹持在所述波纹管结构内。
2.根据权利要求1所述的滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹被非均匀地定位在所述波纹管结构上,并且被配置为在所述滤波器内分裂多个基本电磁波模式。
3.根据权利要求2所述的滤波器,其中,所述滤波器是双模滤波器,并且所述波纹管结构促进第一谐振模式与第二基本简并谐振模式的分裂。
4.根据权利要求1所述的滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹被均匀地定位在所述波纹管结构上,并且其中,所述介质谐振器元件还包括用于在所述滤波器内分裂多个基本电磁波模式的一个或多个扰动元件。
5.根据权利要求4所述的滤波器,其中,所述滤波器是双模滤波器,并且所述一个或多个扰动元件包括在所述介质谐振器元件内限定的一个或多个孔,以促进第一谐振模式与第二基本简并谐振模式的分裂。
6.根据权利要求1所述的滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹的每一个包括从所述波纹管结构的中央部分向外延伸的表面。
7.根据权利要求6所述的滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹具有包括以下中的一个的横截面:半圆柱形,半正方形,三角形,以及矩形。
8.根据权利要求1所述的滤波器,其中,所述介质谐振器元件包括顶面和底面,所述顶面和所述底面中的至少一个包括斜切边缘。
9.根据权利要求1所述的滤波器,其中,所述介质谐振器元件包括无激励陶瓷谐振器,并且所述波纹管结构包括金属管,其中所述金属是以下中的一个:铝,铝合金,镀银钢,以及铜。
10.一种滤波器,包括:
圆柱形波导结构,其包括由具有一个或多个被间隔的波纹的内侧壁限定的腔,所述一个或多个被间隔的波纹的每一个包括从所述圆柱形波导结构的中央部分向外延伸的表面;以及
介质谐振器元件,其被设置在所述圆柱形波导结构内,以使得所述介质谐振器元件的外壁表面保持与所述圆柱形波导结构的内侧壁接触,
其中,所述一个或多个被间隔的波纹被非均匀地定位在所述圆柱形波导结构上,并被配置为在所述滤波器内分裂多个基本电磁波模式。
11.根据权利要求10所述的滤波器,其中,所述滤波器是双模滤波器,并且所述圆柱形波导结构促进第一谐振模式与第二基本简并谐振模式的分裂。
12.根据权利要求10所述的滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹具有包括以下中的一个的横截面:半圆柱形,半正方形,三角形,以及矩形。
13.一种双模滤波器,包括:
波纹管结构,其包括一个或多个被非均匀地间隔的波纹;以及
介质谐振器元件,其被设置在所述波纹管结构中以使得所述介质谐振器元件的外壁表面被所述波纹管结构围绕并且与所述波纹管结构接触,
其中,所述一个或多个被间隔的波纹被配置为提供弹性以可控地使所述波纹管结构扩展和收缩,以使得所述介质谐振器元件能够被可控地插入并夹持在所述波纹管结构内。
14.根据权利要求13所述的双模滤波器,其中,所述波纹管结构被配置为分裂第一谐振模式和第二基本简并谐振模式。
15.根据权利要求13所述的双模滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹的每一个包括从所述波纹管结构的中央部分向外延伸的表面。
16.根据权利要求15所述的双模滤波器,其中,所述一个或多个被间隔的波纹具有包括以下中的一个的横截面:半圆柱形,半正方形,三角形,以及矩形。
17.根据权利要求13所述的双模滤波器,其中,所述介质谐振器元件包括顶面和底面,所述顶面和所述底面中的至少一个包括斜切边缘。
18.根据权利要求13所述的双模滤波器,其中,所述介质谐振器元件包括无激励陶瓷谐振器,并且所述波纹管结构包括金属管,其中所述金属是以下中的一个:铝,铝合金,镀银钢,以及铜。
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