CN112072237B

CN112072237B - 一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器

Info

Publication number: CN112072237B
Application number: CN202010878429.6A
Authority: CN
Inventors: 杨恒耀; 傅文杰; 关晓通; 杨同斌; 陈驰; 韩梦; 张朝阳; 鲁钝; 杨东璇; 鄢扬
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: CN112072237A

Abstract

本发明公开了一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，属于滤波器技术领域。包括滤波器本体、金属固定板和调节金属柱。滤波器本体具有多个谐振腔，且每个谐振腔内设有谐振杆；在相邻的两个谐振腔之间设有用于耦合的连接部；滤波器本体的顶部开设有盲孔。金属固定板重叠在滤波器本体顶部，其上设有通孔，通孔与盲孔一一对应；调节金属柱穿过金属固定板的通孔置于盲孔内。通过改变调节金属柱和对应盲孔的相对位置，使其底部和盲孔底部之间产生的空气间隙发生改变，实现频率和耦合系数的调节。本发明克服了传统陶瓷介质滤波器只能单向调节的技术缺陷，能够反复调节，且体积小、调节方便、精确度高，能很好的满足未来滤波器的小型化的趋势。

Description

一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器。

背景技术

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分，利用滤波器的选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。腔体滤波器是属于微波滤波器中的一种，同时腔体滤波器按照其不同状态又可以分为同轴滤波器、介质滤波器、波导滤波器、螺旋滤波器。其中同轴滤波器为目前在射频、微波频段应用最广泛的滤波器。

传统的同轴腔体滤波器是由金属作为腔体结构，内部填充空气，这种方法制作的滤波器，拥有较高的Q值，但是体积较大，不利于安装和运输。随着无线通信相关领域特别是5G通信技术的发展，当今要求滤波器具有低损耗，高抑制，大功率，体积小等特点。陶瓷是一种高介电常数的材料，用于滤波器上，可以增大其介电常数，缩小滤波器体积，因此基于陶瓷介质的滤波器是目前小型化滤波器研究方向之一。

现有技术中基于陶瓷介质的滤波器在结构上陶瓷介质通常作为滤波器本体。由于陶瓷材料塑性和韧性很差，因而调节方式单一，在实际操作中效率低且精确度不足。如公开号为 CN106960994A的中国专利公开的一种便于调节频率与耦合带宽的介质滤波器，包括陶瓷滤波器本体，陶瓷滤波器本体上设有射频连接器；滤波器本体包括若干由硬质陶瓷介质材料制成的介质单腔和若干耦合窗口，相邻的介质单腔通过耦合窗口相连；介质单腔与耦合窗口上均设有盲孔。根据谐振腔微扰理论，通过改变介质单腔的盲孔尺寸来调节介质单腔的频率；通过改变耦合窗口的盲孔尺寸来调节介质单腔之间耦合量。这种结构的滤波器只能进行单向调节；又因结构本身对盲孔尺寸精度要求高，加工中常出现误差大情况，易导致滤波器频率和耦合系数的调节困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出了一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，以解决现有陶瓷滤波器盲孔误差带来的滤波耦合系数和单腔谐振频率调节困难的技术问题，具有耦合系数和单腔谐振频率反复可调、体积小、精确度高等多种优点，能很好的满足未来滤波器的小型化的趋势。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，包括滤波器本体、金属固定板和调节金属柱；

所述滤波器本体由硬质陶瓷作为介质材料，除盲孔的底部和孔壁外，滤波器本体的整个外表面设有金属屏蔽层；滤波器本体具有多个谐振腔，每个谐振腔内设有谐振杆；在相邻的两个谐振腔之间设有用于耦合的连接部；滤波器本体的顶部垂直向下开设有盲孔；所述盲孔包括调谐盲孔和耦合盲孔，调谐盲孔设置在谐振杆的上方，且与谐振杆不接触；耦合盲孔设于连接部的中间位置；

所述金属固定板重叠在滤波器本体顶面，用于固定调节金属柱，其上设有通孔，通孔与盲孔一一对应；

所述调节金属柱穿过金属固定板的通孔置于盲孔内，通过改变调节金属柱和对应盲孔的相对位置，使其底部和盲孔底部之间产生的空气间隙发生改变，实现滤波器的频率和耦合系数的调节。

进一步的，所述陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器还包括微调结构，微调结构能够实现对频率和耦合系数的微调，提升调节的精确度，微调结构是由调节金属柱轴向上开设的通孔以及放置在该通孔内的金属丝构成。

进一步的，所述相邻谐振腔间的耦合方式为耦合窗口。

进一步的，所述耦合盲孔的深度大于谐振盲孔的深度。

进一步的，所述调节金属柱为圆柱或正多边形棱柱。

本发明所提供的滤波器本体，采用的是硬质陶瓷介质。由于陶瓷的一体性，在加工中，若出现陶瓷介质的滤波器本体盲孔尺寸过大，则无法通过填补陶瓷来进行修改；利用不同介质替代法，可以将需要填补的陶瓷部分使用空气介质替代进行调节。这是因为空气与陶瓷的介电常数不同，因此能够采用调节空气填补的空间大小的方式，弥补加工滤波器本体带来的误差，将失配的滤波器，调整成正常状态。在本发明中，滤波器本体顶部垂直向下开设盲孔，其上设有金属固定板用于固定调节金属柱，金属固定板上设有与盲孔相匹配的通孔，调节金属柱通过通孔放置在对应的盲孔中，调控调节金属柱使盲孔与其底部之间空气间隙的大小发生改变，实现滤波器的频率和耦合系数的调节。从而克服了硬质陶瓷介质材料制成的介质滤波器调节困难的问题。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、相较于传统的空气介质材料，本发明滤波器主体采用的硬质陶瓷介质材料，其具有很高的介电常数和较低的介质损耗，同时具有良好的尺寸稳定性。因而采用硬质陶瓷介质材料制成的滤波器体积小，易实现小型化。

2、相较于传统的陶瓷介质材料，本发明通过调控调节金属柱使盲孔与其底部之间空气间隙的大小发生改变，克服了传统陶瓷介质滤波器只能单向调节的技术缺陷，能够对频率和耦合系数反复调节，且调节方便、误差更小。

3、通过调节金属柱轴向上设通孔，放置金属丝，形成微调装置，实现滤波器的微调。使滤波器的频率和耦合系数的调节更加精确，更易于对加工成品产生的误差进行调整，且在同一平面，进一步缩小误差的同时调整也相对简单。

附图说明

图1为实施例整体结构示意图；

图2为实施例整体结构俯视图；

图3为实施例滤波器本体结构示意图；

图4为金属固定板结构图；

图5实施例整体结构中单边侧面纵向剖视图；

图6为实施例的一种调节状态的图；

图7为实施例的一种调配结果显示的s21图；

图8为实施例的调配前结果显示的s21图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

本发明提供的一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，如图1、图2和图5所示，包括滤波器本体、盲孔、金属固定板2和调节金属柱4；

所述滤波器本体是由硬质陶瓷作为介质材料，除盲孔的底部和孔壁外，滤波器本体的整个外表面设有金属屏蔽层。如图3所示，滤波器本体由10个相同的谐振腔6依次连接构成；滤波器本体首端设输入接口和尾端设输出接口1。谐振腔6可以是长方体或者圆柱体等立体形状，本实施例优选长方体，其长为8.15mm，宽为8.15mm，高为5.87mm；各谐振腔6内均设有谐振杆11，谐振杆设置谐振腔的中间位置。相邻谐振腔6之间的连接部小于谐振腔的连接截面使得两者之间形成凹陷3，且在连接部的顶部中心位置设置耦合盲孔以实现相邻谐振腔 6之间的耦合。

滤波器本体的顶部垂直向下开设有盲孔，盲孔半径为1.3mm。盲孔包括调谐盲孔7和耦合盲孔8；调谐盲孔7与谐振杆11共轴，位于谐振杆11的上方，且与谐振杆11不接触，用于调节单个谐振腔的谐振频率；耦合盲孔用于调节耦合系数。由于盲孔的深度可以影响谐振频率和耦合系数，作为优选，本实施例中调谐盲孔深度为0.75mm。紧邻输入接口的第一个耦合盲孔和输出接口的第一个耦合盲孔均深度均为2.6mm，其余的耦合盲孔深度为1.4mm。

所述金属固定板2选用材料铝，其长宽尺寸最好与滤波器本体顶面长宽尺寸相同，重叠在滤波器本体顶部，以用于固定调节金属柱4。如图4所示，金属固定板上设有通孔9，通孔 9与盲孔一一对应。

所述调节金属柱4穿过金属固定板2的通孔9置于对应盲孔内，拉动调节金属柱，使其底部和盲孔底部之间产生的空气间隙10发生改变，实现滤波器的频率和耦合系数的调节。调节金属柱4材料为铝，其上设有螺纹，配合金属固定板2实现固定。调节金属柱4可以为圆柱、正六棱柱立方柱或其他柱状结构，本实施例优选为半径1.3mm的圆柱。

所述陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器还包括微调结构，微调结构是由调节金属柱4轴向上开设的通孔以及放置在该通孔内的金属丝5构成。金属丝5为半径0.1mm的铁丝，通过在通孔中上下拉动，实现微调，以提高滤波器的频率和耦合系数调节精确度。

在整个结构中，通孔、盲孔可以为圆形、方形或其他形状。谐振杆11半径与单腔长和宽尺寸可调，通过调节谐振杆11半径与单腔长和宽尺寸，实现特性阻抗匹配，减少插入损耗。为控制尺寸，本实施例最终确定的特性阻抗为16欧姆。此外，谐振杆11的高度与谐振腔腔高的比例会影响谐振频率，根据要求的中心频率可以确定谐振杆和腔高的相应高度。

本实施例所提供的一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，使用过程如下：微波信号从滤波器的输入接口馈入，从滤波器的输出接口输出，利用谐振腔微扰理论，通过在谐振腔盲孔中放置的调节金属柱4，使调节金属柱4底部与调谐盲孔产生空气间隙10，通过改变调节金属柱4和对应盲孔的相对位置调节谐振频率；随着空气间隙10的增加，谐振频率逐渐升高。耦合盲孔与调节金属柱4底部产生的空气间隙10同样会影响耦合系数，通过对耦合盲孔中调节金属柱4的相对位置进行调节，调节空气间隙10来调节耦合系数，找到合适的陷波点。金属丝5 用于对空气间隙10进行微调，提升精确度，配合调节金属柱4使用，最终达到参数要求。在本实施过程中需要注意以下几点：1、调节金属柱4的半径与金属固定板2上的通孔半径相同，且与通孔一一对应。2、在调节的过程中，如图6所示，可以同时对n个调节金属柱4进行拉动，但只能在盲孔内进行拉动；其中n为1-盲孔的总数。3、微调结构中，金属丝5同样只能在调节金属柱4的通孔内进行拉动。

本实施例滤波器频率为2515MHz-2675MHz，介电常数为9.4；通带纹波小于1.5db，采用上述方法进行调节。图8为本实施例调配前结果显示的s21图，图7为本实施例的一种调配方式结果显示的s21图。对比图7和图8可知，采用本发明提供的一种基于陶瓷介质的小型腔体滤波器，能够弥补加工滤波器本体带来的误差，将失配的滤波器，调整成正常状态。与此同时，空气间隙10越大，调节的速度也越快；在2484MHz～2500MHz和2700MHz～ 2745MHz时带外抑制大于30db。

Claims

1.一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，其特征在于：包括滤波器本体、金属固定板和调节金属柱；

所述滤波器本体是由硬质陶瓷作为介质材料，除盲孔的底部和孔壁外，滤波器本体的外表面设有金属屏蔽层；滤波器本体具有多个谐振腔，每个谐振腔内设有谐振杆；在相邻的两个谐振腔之间设有用于耦合的连接部；滤波器本体的顶部垂直向下开设有盲孔；所述盲孔包括调谐盲孔和耦合盲孔，调谐盲孔设置在谐振杆的上方，且与谐振杆不接触；耦合盲孔设于连接部的中间位置；

所述调节金属柱穿过金属固定板的通孔置于盲孔内，通过改变调节金属柱和对应盲孔的相对位置，使其底部和盲孔底部之间产生的空气间隙发生改变，实现滤波器的频率和耦合系数的调节；

所述陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，还包括微调结构，所述微调结构是由调节金属柱轴向上开设的通孔以及放置在该通孔内的金属丝构成。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，其特征在于：所述相邻谐振腔间的耦合方式为耦合窗口。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，其特征在于：所述耦合盲孔的深度大于调谐盲孔的深度。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷/空气复合介质可调腔体滤波器，其特征在于：所述调节金属柱为圆柱或正多边形棱柱。