CN112688041A - 多通路交叉耦合毫米波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通路交叉耦合毫米波滤波器，包括，底座、中间层结构和顶层结构，所述底座上设有至少两个第一谐振腔，所述底座上位于两个第一谐振腔之间设有脊，所述两个第一谐振腔通过所述的脊耦合；所述中间层结构上设有至少两个第二谐振腔，所述第二谐振腔与所述第一谐振腔分别上下正对设置、且通过所述中间层结构厚度方向的通孔耦合；所述中间层结构上位于两个第二谐振腔之间设有耦合窗，所述两个第二谐振腔通过所述的耦合窗耦合；顶层结构，所述顶层结构位于所述中间层结构上方层叠设置。本发明的多通路交叉耦合毫米波滤波器，工作于E波段，通频带为70.4GHz～76.3GHz，频带内插入损耗小于0.3dB，回波损耗大于15dB，低频带抑制度大于50dB，高频带抑制度大于25dB。

Description

多通路交叉耦合毫米波滤波器

技术领域

本发明涉及通信器件技术领域，具体涉及一种多通路交叉耦合毫米波滤波器。

背景技术

随着4G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断升级和发展，低频段频谱资源极度紧缺，同时无线业务的爆发式增长又带来对能够媲美光纤的超高速无线传输速率的巨大需求，现有的通信频段和技术越来越难以满足日益增长的业务需求。而在毫米波和太赫兹频段，目前仍然存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率服务成为可能。

滤波器是太赫兹通信系统的关键器件，其可决定信道所用带宽。而国家对于射频干扰的相关规定，使得滤波器需要具有较高的带外抑制，减少对其他射频信号的干扰。基于此问题，具有高带外抑制特性的滤波器就显得尤为重要。

目前能够实现高抑制度的滤波器主要是以单通路直接耦合滤波器以及多通路的交叉耦合滤波器为主，其中单通路直接耦合滤波器主要分为巴特沃斯型滤波器、切比雪夫型滤波器和椭圆结构滤波器等。巴特沃斯滤波器是一种通频带的频率响应曲线很平坦的信号处理滤波器。它也被称作最大平坦滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。在对数波特图上，从某一边界角频率开始，幅度随着角频率的增加而线性减少至负无穷。切比雪夫型滤波器是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器”。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。椭圆型滤波器是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器。传统交叉耦合滤波器主要有三种常见结构，CT结构、CQ结构和CT、CQ混合结构。其中CT结构由三个谐振腔组成，可分为电容耦合CT结构和电感耦合CT结构，两中结构都能够产生一个传输零点。而CQ结构由四个谐振腔组成，可分为电容耦合CQ结构和电感耦合CQ结构，但只有电容耦合CQ结构可以产生传输零点，电感耦合CQ结构无法产生传输零点。CT、CQ混合结构由四个谐振腔组成，可分为电容耦合CT、CQ混合和电感耦合CT、CQ混合结构，都能在同一阻带产生两个传输零点。

对比现有的两种高抑制度滤波器实现方式，单通路直接耦合结构相对简单，损耗小，但在带外抑制要求较高时，需要较多阶数的谐振腔来实现，导致滤波器较难调节，且滤波器长度较大；对于多通路交叉耦合滤波器而言，先阶段多以平面结构为主，当耦合结构变复杂时，其截面面积较大，变相增大滤波器体积。而在通信系统中，不仅要求滤波器有较高的带外抑制度，而且要求滤波器具有小型化的特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多通路交叉耦合毫米波滤波器，工作于E波段，通频带为70.4GHz～76.3GHz，频带内插入损耗小于0.3dB，回波损耗大于15dB，低频带抑制度大于50dB，高频带抑制度大于25dB。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多通路交叉耦合毫米波滤波器，包括，

底座，所述底座上设有至少两个第一谐振腔，所述底座上位于两个第一谐振腔之间设有脊，所述两个第一谐振腔通过所述的脊耦合；

中间层结构，所述中间层结构位于所述底座上方层叠设置，所述中间层结构上设有至少两个第二谐振腔，所述第二谐振腔与所述第一谐振腔分别上下正对设置、且通过所述中间层结构厚度方向的通孔耦合；所述中间层结构上位于两个第二谐振腔之间设有耦合窗，所述两个第二谐振腔通过所述的耦合窗耦合；

顶层结构，所述顶层结构位于所述中间层结构上方层叠设置。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括，还包括第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口均设置在所述底座上，所述底座上围绕所述第一端口、第二端口设有间隙波导结构，所述第一端口通过间隙波导结构与其中一个所述第一谐振腔耦合；所述第二端口通过间隙波导结构与另一个所述第一谐振腔耦合。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述底座上围绕所述第一谐振腔设有间隙波导结构。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述中间层结构上围绕所述第二谐振腔设有间隙波导结构。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述间隙波导结构包括阵列排布的多组柱体，所述柱体沿滤波器的厚度方向延伸。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述底座上的间隙波导结构的所述柱体与所述底座一体连接，所述底座上的所述柱体与所述中间层结构之间具有空气间隙。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述中间层结构上的间隙波导结构的所述柱体与所述中间层结构一体连接，所述中间层结构上的所述柱体与所述顶层结构之间具有空气间隙。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述柱体在平行于所述底座所在平面的截面为圆形、方形、椭圆形中的任意一种。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述柱体的高度为1.2mm。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述底座、中间层结构和顶层结构均为金属块状结构，所述金属块状结构的表面镀金。

本发明的有益效果：

本发明的多通路交叉耦合毫米波滤波器，工作于E波段，通频带为70.4GHz～76.3GHz，频带内插入损耗小于0.3dB，回波损耗大于15dB，低频带抑制度大于50dB，高频带抑制度大于25dB；同时，在传统平面型多通路交叉耦合滤波器基础上做创新性改进，设计层叠结构的多通路交叉耦合滤波器，减小滤波器截面面积，进而减小滤波器整体体积，使其能够应用在更多的场景中。

附图说明

图1为本发明优选实施例中多通路交叉耦合毫米波滤波器的立体结构示意图；

图2为图1所示多通路交叉耦合毫米波滤波器的爆炸示意图；

图3为图1所示多通路交叉耦合毫米波滤波器中底座的结构示意图；

图4为图1所示多通路交叉耦合毫米波滤波器中中间层结构的结构示意图；

图5为本发明优选实施例中多通路交叉耦合毫米波滤波器的原理框图；

图6为图5所示多通路交叉耦合毫米波滤波器的仿真特性图。

图中标号说明：

11，12-第一谐振腔，13，14-第二谐振腔；8，9-耦合孔；

1-封装结构，2-底座，4-脊，6-中间层结构，10-耦合窗，16-顶层结构，18-第一端口，20-第二端口，22-柱体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例

本明实施例公开一种多通路交叉耦合毫米波滤波器，需要说明的有：毫米波是波长在1mm～10mm、频率在30GHz～300GHz范围内的电磁波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围。参照图1～2所示，该多通路交叉耦合毫米波滤波器包括上下依次层叠设置的顶层结构、中间层结构和底座，所述顶层结构、中间层结构和底座均为相同金属材料制成的块状结构，金属材料包括铝、铜、银等；且制成的金属块状结构的表面镀金。本实施例技术方案中，所述顶层结构、中间层结构和底座均成型为长方体块状结构。所述顶层结构、中间层结构和底座上下依次层叠设置后通过螺杆固定组装，并设置于封装结构内。在传统平面型多通路交叉耦合滤波器基础上做创新性改进，设计层叠结构的多通路交叉耦合滤波器，减小滤波器截面面积，进而减小滤波器整体体积。

参照图3所示，所述底座上设有至少两个第一谐振腔11，12，所述底座上位于两个第一谐振腔11，12之间设有脊，所述两个第一谐振腔11，12通过所述的脊耦合；所述底座上围绕所述第一谐振腔11，12设有间隙波导结构。

参照图4所示，所述中间层结构位于所述底座上方层叠设置，所述中间层结构上设有至少两个第二谐振腔13，14，所述第二谐振腔13与所述第一谐振腔11分别上下正对设置、且通过所述中间层结构厚度方向的通孔(也就是耦合孔9)耦合；所述第二谐振腔14与所述第一谐振腔12分别上下正对设置、且通过所述中间层结构厚度方向的通孔(也就是耦合孔8)耦合，所述中间层结构上位于两个第二谐振腔13，14之间设有耦合窗，所述两个第二谐振腔13，14通过所述的耦合窗耦合。所述中间层结构上围绕所述第二谐振腔13，14设有间隙波导结构。

该滤波器还包括第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口均设置在所述底座上，所述底座上围绕所述第一端口、第二端口设有间隙波导结构，所述第一端口通过间隙波导结构与其中一个所述第一谐振腔11耦合；所述第二端口通过间隙波导结构与另一个所述第一谐振腔12耦合。

采用所述间隙波导结构，能够增大装配容差，在加工的装配体(包括底座、中间层结构和顶层结构)表面粗糙度较差时不会影响滤波器整体性能。

具体的，所述间隙波导结构包括阵列排布的多组柱体，所述柱体沿滤波器的厚度方向延伸。所述底座上的间隙波导结构的所述柱体与所述底座一体连接，所述底座上的所述柱体与所述中间层结构之间具有空气间隙。所述中间层结构上的间隙波导结构的所述柱体与所述中间层结构一体连接，所述中间层结构上的所述柱体与所述顶层结构之间具有空气间隙。其中，所述柱体的高度为1.2mm。所述柱体在平行于所述底座所在平面的截面为方形。可以理解的是，在其它实施例中，所述柱体在平行于所述底座所在平面的截面还可以是圆形或者椭圆形。

以上结构的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其零点产生原理如下，参照图5所示，以所述底座上设有两个第一谐振腔11，12，中间层结构上设有两个第二谐振腔13，4为例进行说明。

输入信号以TE10模式输入标准矩形波导输入端口1，经过梯形渐变结构将标准波导高度1.55mm渐变为间隙波导周期单元(即柱体)高度1.2mm。

通过第一端口进入到间隙波导结构中后，经一段间隙波导传输，通过Y轴方向缝隙进行输入耦合，进入第一谐振腔11中，在此过程中，其传播模式仍为TE10模；在耦合过程中，其在谐振点低频段时相移+90°，在谐振点高频段时相移-90°。

第一谐振腔11中的谐振模式为TE101模，信号在第一谐振腔11中分为两路进行传输，其中，在单腔体中，当输入频率小于第一谐振腔11谐振频率时，相移+90°；相反，在单腔体中，当输入频率大于第一谐振腔11谐振频率时，相移-90°，见以下表1。

通路1：通过第一谐振腔11上壁的耦合孔9耦合至第二谐振腔13中，该耦合结构为电耦合，对信号造成+90°相移；再通过第二谐振腔13和第二谐振腔14之间的磁耦合缝隙(即耦合窗口)，产生-90°相移；最后再通过第二谐振腔14和第一谐振腔12之间的耦合孔8，产生+90°相移。即，在输入频率低于腔体谐振频率时，总相移为90°+90°-90°+90°-90°＝-90°；在输入频率高于腔体谐振频率时，总相移为-90°-90°-90°-90°-90°＝-450°，见以下表1。

通路2：从第一谐振腔11通过脊直接耦合至第一谐振腔12中，该耦合方式为电耦合方式，对信号产生+90°相移。

以上，总结通路1与通路2的相位关系，在输入频率低于腔体谐振频率时，通路1产生的-90°相移与通路2产生的+90°相移相互抵消，产生零点；在输入频率高于腔体谐振频率时，通路1产生的-450°相移即为-90°相移，同样的通路2产生的+90°相移相互抵消，产生零点，即在通带两侧分别产生传输零点，也就是产生两个传输零点。

两个通路将信号在第一谐振腔12中进行叠加，而后通过Y轴方向缝隙进行输出耦合至第二端口，最后将间隙波导中的信号经过梯形渐变结构转换成标准波导进行输出。

表1

如图6所示为包含有两个第一谐振腔11，12，两个第二谐振腔13，14的毫米波滤波器的仿真性能图，频带为71-76GHz，5GHz带宽内实现0.3dB以内的插入损耗，不会影响通信信号的传输质量。带外抑制在低频频带内大于50dB，在高频频带内大于25dB，回波损耗大于15dB。

可以理解的是，根据实际使用需要，毫米波滤波器还可以带有更多个第一谐振腔和更多个第二谐振腔，毫米波滤波器的传输零点个数与谐振腔的数量相关。

以上创新性结构的毫米波滤波器，在与具有相同带内插入损耗的毫米波滤波器相比，具有更高的带外抑制，能够很好的适用于高速毫米波太赫兹无线通信系统，能够显著的降低接收机的噪声系数。

另一方面，在于具有同等带外抑制的滤波器相比，阶数较少，带内插损较低，最大只有0.3dB的传输损耗。

再者，毫米波滤波器采用层叠结构，间接实现了滤波器的小型化，较传统滤波器减小了截面宽度，适合应用于未来的系统集成化及小型化。

进一步的，毫米波滤波器采用间隙波导结构，在兼具较高功率容量的优点的同时，还可以有效降低传统滤波器的装配误差，可应用于大功率应用场景。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：包括，

底座，所述底座上设有至少两个第一谐振腔，所述底座上位于两个第一谐振腔之间设有脊，所述两个第一谐振腔通过所述的脊耦合；

中间层结构，所述中间层结构位于所述底座上方层叠设置，所述中间层结构上设有至少两个第二谐振腔，所述第二谐振腔与所述第一谐振腔分别上下正对设置、且通过所述中间层结构厚度方向的通孔耦合；所述中间层结构上位于两个第二谐振腔之间设有耦合窗，所述两个第二谐振腔通过所述的耦合窗耦合；

顶层结构，所述顶层结构位于所述中间层结构上方层叠设置。

2.如权利要求1所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：还包括第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口均设置在所述底座上，所述底座上围绕所述第一端口、第二端口设有间隙波导结构，所述第一端口通过间隙波导结构与其中一个所述第一谐振腔耦合；所述第二端口通过间隙波导结构与另一个所述第一谐振腔耦合。

3.如权利要求1所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述底座上围绕所述第一谐振腔设有间隙波导结构。

4.如权利要求1所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述中间层结构上围绕所述第二谐振腔设有间隙波导结构。

5.如权利要求2或3或4所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述间隙波导结构包括阵列排布的多组柱体，所述柱体沿滤波器的厚度方向延伸。

6.如权利要求5所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述底座上的间隙波导结构的所述柱体与所述底座一体连接，所述底座上的所述柱体与所述中间层结构之间具有空气间隙。

7.如权利要求5所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述中间层结构上的间隙波导结构的所述柱体与所述中间层结构一体连接，所述中间层结构上的所述柱体与所述顶层结构之间具有空气间隙。

8.如权利要求5所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述柱体在平行于所述底座所在平面的截面为圆形、方形、椭圆形中的任意一种。

9.如权利要求5所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述柱体的高度为1.2mm。

10.如权利要求1所述的多通路交叉耦合毫米波滤波器，其特征在于：所述底座、中间层结构和顶层结构均为金属块状结构，所述金属块状结构的表面镀金。

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