CN1128483C

CN1128483C - 滤波器

Info

Publication number: CN1128483C
Application number: CN98810234.XA
Authority: CN
Inventors: 伊恩·亨特; 约翰·戴维·罗兹
Original assignee: Filtronic PLC
Current assignee: Filtronic PLC
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: DE69816324D1; JP2001520467A; CN1276922A; EP1025609B1; GB9721803D0; ATE244938T1; US6414571B1; EP1025609A1; WO1999019933A1; AU9449998A; DE69816324T2

Abstract

一种微波频率复合谐振器，包括具有内表面并能限定谐振腔的金属壳体，具有上面、底面的电介质部件和导电板。该电介质部件被设置在谐振器内并且其底面直接与金属壳体的内表面相邻接，导电板直接与该电介质部件的上面相邻接。

Description

滤波器

本发明涉及一种复合谐振器，并特别涉及，但并不仅限于，一种用于在蜂窝式远程通信领域中工作在微波频率段的设备中的复合谐振器。

微波谐振器具有广泛的应用范围。特别是在蜂窝式远程通信中，在滤波器、多路复用器以及功率汇接网络中使用微波谐振器。

滤波器需要有严格的技术要求，例如，窄带通滤波器要有低的通带损耗。对于蜂窝式基站应用而言，通常使用梳齿滤波器，但是其只具有几千的最大谐振器因数Q。

另一方面，电介质谐振器具有最大为50000的Q值。但是，它们须承受不良的寄生响应，即谐振的第一寄生模式接近于基本模式的频率。因此很难获得消除阻带所需的低通滤波效果。另外，由于领域主要局限于电介质，所以通用的TE01Δ谐振器在900MHz处不适合于高于5MHz的带宽，因此难于获得强的输入耦合端。

通过与带通滤波器一起使用而使低通滤波器可以截断寄生谐振信号从而可以解决寄生谐振问题。但是，这种方法在所需谐振和寄生谐振之间的频率间隔很小时需要非常尖锐的低通滤波特性。这样需要低通滤波器将能传输从DC到例如1GHz级的通带的最高频率，然后将其阻断在大约100MHz的频率范围内。该低通滤波器的拐点必须足够尖锐从而使该低通滤波器在通带中不增加损耗。一般在通带中心频率处的总损耗需要为1db。如果使用常规的电介质谐振器，则这种要求在低通滤波器的设计上提出了一些严格的要求。

因此，存在对于具有高Q值谐振器的需要，以便于可以获得具有足够尖锐的带通特性，而且不会有间隔近的寄生谐振而带来的相关问题，上述寄生谐振需要使用另外的具有很严格滤波特性的滤波器以便于能提供所希望的总的滤波响应。

根据本发明的第一方面，提供了一种微波频率复合谐振器，包括：

金属壳体，具有一个内表面，并能限定谐振腔；

电介质部件，以及

导电板，在其中，电介质部件被设置在位于金属壳体内表面上的谐振腔内，而该导电板设置在电介质部件的顶部。

通过提供一个谐振器，该谐振器在谐振腔内在导电板和构成谐振腔的金属壳体的内表面之间有电介质部件，这个谐振器的频率响应提供了谐振器所希望的基本固有模式，该模式具有与谐振器的下一个固有模式频率充分分开的谐振频率，并且该所需的固有模式包括一对正交模式。该谐振器在其谐振频率处的Q值至少等于处于相同物理存储体中的同轴谐振器的Q值。

这种谐振器具有与下一个最近的固有模式频率充分分开的谐振频率。因此可以将带有不太尖锐响应的低通滤波器与包括本发明谐振器的滤波器一起使用从而可以提供所需的总的滤波器响应。

谐振模式是带有与相同实际大小的梳齿谐振器的Q值一样的模值Q的双重模式。因此，在每个单位体积Q值中提供2∶1的改进。因此滤波器可以构造成具有接近于具有相同电气性能的梳齿滤波器实际大小的一半，或与其具有相同的大小和更为改进的性能，即较低的损耗。

电介质部件可以直接与壳体的内表面相邻接。导电板可以直接与电介质部件的上面相邻接。

该电介质部件可以大体上为一个垂直的圆柱体。导电板可以是圆形的。最好地，电介质材料的介电常数值是在30和44之间，更好的是在36和44之间。

可以构造谐振器使其在谐振时能保持双重TM模式谐振。可以安排该谐振器的外形尺寸使其在谐振器所需的谐振频率处该谐振器能保持双重TM模式驻波微波谐振。

该谐振器可以保持双重TM模式谐振，其中TM模式谐振包括一对正交模式。可以安排谐振器的外形尺寸使其所保持的TM谐振具有两种模式，这两种模式在频率上足够接近从而在谐振腔的谐振频率处这两种模式都被激励。这样，与保持具有单一激励模式谐振的相同大小的同轴谐振器相比，提供了谐振器接近于双倍的增强的Q值。

可以构造谐振器使它的TE模式谐振具有高于TM模式谐振频率的一个谐振频率。通过以适当的方式安排该谐振器的外形尺寸，可以转换谐振器TM模式和谐振器下一个最近TE模式的频率间隔。在自由悬浮电介质谐振器中，TE模式在频率上低于下一个最近的TM模式。但是，可以适当地选择该谐振器的排列和外形尺寸以便于TM模式在频率上低于TE模式的频率，即两种模式在频率上可以互换，而且与在TE模式的频率低于TM模式频率的情况中相比可以增加TE模式和TM模式之间的频率间隔。

谐振器可以有一个将输入电信号耦合到导电板上的输入耦合端。这样提供了将电信号连接到谐振器上以便于将电能量耦合到谐振器中从而激励该谐振器的一个耦合装置。

可以这样安排输入耦合端和导电板使在谐振时谐振器模式电场的径向分量可以直接径直地从输入耦合端穿过导电板。由于导电板、电介质部件和谐振腔的这种设置和外形尺寸，与该导电板相连的输入耦合端建立了一个电场，该电场的径向分量从输入耦合端与导电板连接的那点延伸径直穿过导电板。

在导电板的圆周上可以有凹槽。通过在导电板的圆周上提供凹槽可以导致产生穿过该板的电场的第二径向分量，即双模式TM谐振的两个正交模式中的第二个的分量。环绕该圆周的凹槽的角度位置确定了这个电场第二径向分量相对于电场第一径向分量的方位。因此单个物理谐振器可以相当于一对耦合的谐振器。

这个凹槽可以设置在与电场的径向分量方向成45°角的位置上。凹槽这种角度位置产生了与电场第一径向分量正交方向上的电场的第二径向分量，即双重TM模式的第二正交分量。然后使第二横向谐振的强度最大化并接近于第一谐振的强度。

该谐振器可以有一个将来自谐振器的输出电信号耦合的输出耦合端。该输出耦合端将谐振器中的电能量作为电信号输出。选择这个输出耦合端的位置使其响应穿过导电板电场的合适的径向分量。

根据本发明的第二方面，这里提供了包括微波频率谐振器的滤波器，该谐振器包括：

金属壳体，具有一个内表面并能限定谐振腔；

圆柱形的电介质部件；

圆形金属导电板，其中该电介质部件被设置在位于金属壳体内表面的谐振腔中，而导电板被设置在电介质部件的顶部并构造成使它在用于谐振时该谐振器能保持双重TM模式谐振；

将输入电信号耦合到导电板上的输入耦合端；以及

耦合来自谐振器的输出电信号的输出耦合端。

这个滤波器可以有一个第二微波频率复合谐振器。可以在公共壳体内提供一些谐振器以便于提供一个具有所需滤波特性的滤波器。

该滤波器的输入耦合端将输入电信号耦合到第一谐振器板上，该滤波器的输出耦合端耦合从第二谐振器导电板输出电信号。安排第一和第二谐振器使得在第一物理谐振器和第二物理谐振器之间存在一个连接点。可以将电信号输入到第一谐振器然后从第二谐振器输出，此时该电信号已经经过由谐振器构成的滤波器网络。

滤波器可以在第一谐振器导电板的圆周中有第一凹槽而在第二谐振器导电板的圆周中有第二凹槽。通过在第一谐振器导电板中提供一个凹槽，从而在第一物理谐振器中产生电场的第二径向分量。然后该电场耦合到第二谐振器并且在第二谐振器的导电板中感应出一个径向电场。然后在第二物理谐振器导电板中的凹槽导致在该导电板中产生第二径向电场。以这种方式，这两个物理谐振器其作用相当于四个耦合的谐振器。

滤波器可以有第一凹槽和第二凹槽，它们被成角度地放置以便于第一谐振器谐振模式电场的径向分量仅耦合到第二谐振器谐振模式电场的一个单个径向分量中。以这种方式，这两个物理谐振器作用相当于一系列非交叉耦合的谐振器，其中这一系列谐振器的数量大于物理谐振器的数量。

滤波器可以有第一凹槽和第二凹槽，它们被成角度地放置以便于第一谐振器谐振模式电场的径向分量与第二谐振器谐振模式电场的一对径向分量都耦合从而使第一和第二谐振器交叉耦合以便于在滤波器响应特性提供极点。以这种方式可以提供一系列谐振器但是谐振器之间是交叉耦合以便于在滤波器响应中提供极点从而可以改进滤波器特性。可以通过改变第一和第二导电板中凹槽之间的相对角度来改变谐振器之间的交叉耦合的强度。

该滤波器可以有调谐装置。可以改变调谐装置和谐振器之间的相对位置以便于调谐谐振器的谐振频率。该调谐装置可以包括与绝缘部件相连的一个传导盘，并且可以改变传导盘和谐振器导电板的间距。以这种方式，可以通过在滤波器中提供调谐谐振器谐振频率的方法来修正滤波器响应。

该滤波器可以是一个带通滤波器。

现在将参考附图并仅借助于例子来描述本发明，其中：

图1a和1b示出了根据本发明第一方面的谐振器的示意平面图和截面图；

图2a和2b示出了自由支撑的电介质谐振器的示意截面图以及用于说明目的的它的频率响应频谱；

图3a和3b示出了根据本发明第一方面的谐振器示意截面图以及其频率响应频谱；

图4示出了根据本发明第二方面的两个谐振滤波器示意平面图；

图5示出了说明滤波器板内的径向电场以及等效的串联谐振器网络图；

图6示出了说明滤波器板中的径向电场以及等效的交叉耦合的串联谐振器网络图；

图7示出了根据本发明第二方面的滤波器的另一个实施例的平面图；

图8示出了沿着图7滤波器中的线AA′的截面图；

图9示意性地说明了在图7和8中所示的滤波器的电场分量以及输入输出耦合端点的相对方位；

图10示出了对于在图11中所使用符号的描绘性说明；以及

图11示出了在图7和8中所示的8极点滤波器的示意性等效电路。

在附图中，共同的部分具有相同的标号。

参考图1a和1b，其上示出了用标号10表示的根据本发明的谐振器的平面以及截面图。该谐振器有一个限定了谐振腔12的正方形金属壳体11。该壳体最好是铝的。在该谐振腔中设置垂直的圆柱体形式的电介质部件13。该电介质部件有一个上面14和一个底面15。该谐振器还有一个圆形金属导电板16。该圆形金属导电板直接与电介质部件的上面相邻接，而电介质部件的底面直接与金属壳体的内表面17相邻接。由绝缘材料的螺丝钉18来保持板、电介质部件以及壳体。输入耦合端19将金属板连接到位于壳体外侧的同轴连接器20上。该谐振器还有一个未示出的盖子。一个类似于输入耦合端的没有示出的输出耦合端将金属板连接到位于壳体外侧的同轴连接器上。

用于谐振器的适当的尺寸如下：壳体是60平方毫米且28毫米深；电介质部件的直径是40毫米，高是20毫米；金属板的直径是30毫米，厚是3毫米并且在金属板顶部与盖子之间的间距是5毫米。用于电介质部件的合适材料是ZTS。通过使用具有介电常数为44的电介质材料，可以实现具有有Q值接近于4000的谐振器并且该谐振器具有915MHz的谐振频率并在1360MHz处具有第一寄生谐振。

可替换地，还可以这样构造如上所述的谐振器：具有45毫米深度的壳体、30毫米厚度的电介质部件以及12毫米的盖子到金属板之间的间距。这种谐振器具有接近于6000的Q值、925MHz的谐振频率以及在1145MHz处的第一寄生谐振。如同本领域技术人员所了解的那样，可以选择谐振器各部件的尺寸以便于提供带有被构造外形尺寸的谐振器，该谐振器能提供所需谐振频率、Q以及寄生带宽即谐振频率和第一寄生谐振之间的频率间隔。

将参考图2a、2b、3a以及3b来描述谐振器的性能。图2a示出了电介质谐振器20的示意图，在该谐振器中，电介质部件21是被自由悬挂在金属壳体23的谐振腔22内。电介质部件不直接与金属壳体的内表面接触，而是通过没有示出的绝缘部件来支撑它。图2b示出了这种谐振器的频率响应频谱图。这种谐振器在第一频率处有一个固有模式24，该模式是驻波TE模式微波谐振。该谐振器还在第二较高频率处具有一个固有模式25，它是具有两个正交模式的驻波双重TM模式微波谐振，因此围绕在TM模式频率周围的谐振的两个模式可以由具有相似频率的信号来激励。

图3a示出了根据本发明的谐振器30的示意图而图3b是这种谐振器的频率响应频谱图。通过将一个电介质部件31直接接触地放置在谐振腔金属壳体32的内表面上，使该谐振器的双重TM模式和TE模式可以互换从而使TM模式变得在频率上低于TE模式。另外，通过将金属板直接放置在电介质部件的顶部与其接触，可以增加TM和TE模式之间的频率间隔。TM模式包括一对正交的谐振模式并且使用这种双重TM模式频率作为其谐振频率的谐振器的Q值可以有效地提高一倍。通过改变相对于电介质部件的金属板的大小，可以改变TM和TE模式之间的频率间隔。

因此，该谐振器提供了与相同尺寸的谐振器相比具有增强的Q值并且带有改进的寄生带宽。如同微波滤波器设计领域的技术人员所知的那样，可以将这种谐振器用在一个单个谐振器微波滤波器中。

现将参考图4描述包括根据本发明的谐振器的一个滤波器。通常由标号40表示的一个微波滤波器，包括在公共壳体43中的第一谐振器41和第二谐振器42。第一谐振器具有用来将输入的电信号耦合到第一谐振器第一板48上的一个输入耦合端44。如后面将要描述的，第一板48在其相对于输入耦合端的特定位置的圆周上有一个凹槽45。第二谐振器有一个输出耦合端46用于输出来自第二谐振器的第二板49上的电信号。第二板在其相对于第一凹槽45以及相对于输出耦合端46的特定位置的圆周上有一个第二凹槽47。

现将参考图5描述滤波器的性能，图5示出了该滤波器的第一板48和第二板49以及等效谐振器网络的图。一个输入电信号通过耦合端44被连接到第一板上。在没有第一凹槽45时，由于TM模式的固有特性以及该板的圆周对称性，因此由谐振器保持的TM模式驻波谐振有直接径向穿过该板的电场径向分量(由虚线50表示)。通过在板的圆周上以相对于该电场径向分量成45°度角的位置上设置一个凹槽，从而产生穿过板并横切第一电场方向的该电场的第二径向分量(由虚线51表示)。该电场的第一和第二径向分量对应于双重TM谐振的两个正交模式。该电场的第二径向分量与第二谐振器的第二板49耦合并在第二板中感应一个第一径向电场(由虚线52表示)。第二凹槽47导致在第二板上横切第一电场方向上产生一个第二径向电场(由虚线53表示)。然后，第二电场经输出耦合端46产生一个输出信号。

这种凹槽的排列意味着每个物理谐振器41和42的作用相当于两个谐振器。在图5中示出了一个等效的谐振器网络。滤波器40等效于：与四个串联谐振器54到57耦合的一个输入端，其中带有对应于径向电场50的第一谐振器54、还有一个最后的输出。因此可以从包括两个物理谐振器的滤波器中产生一个四谐振滤波器。从本发明的谐振器中本领域技术人员将可以理解，滤波器的这种设计可以提供例如通带这样的特定滤波器响应特性。

图6示出了一种滤波器的示意图，其中在谐振器网络中已经引入了交叉耦合。在第二谐振器的第二板49中的第二凹槽58的角度位置已经相对于第一板48中的第一凹槽45以及第二板的输出耦合端46有所改变。在这种结构中，当沿着51方向的径向电场耦合到板49上时，它感应出一个电场，该电场对应于沿着以前例子中的方向52和53的电场平行分量(由虚线59来说明)。然后，该凹槽产生一个电场，该电场对应于沿着以前例子中的方向52和53的电场分量的横切分量并沿着由虚线60表示的方向上产生一个合成电场。这个电场耦合到输出耦合端46从而产生一个输出电信号。这样的效果是在沿着51和53方向上的各个径向电场谐振模式之间引入交叉耦合。交叉耦合的强度依赖于凹槽45和58之间的相对角度，并且导电板49的输出依赖于输出耦合端46相对于凹槽45和58的位置。

在图6中示出了等效的谐振器网络，其中该滤波器等效于对应于分别沿着方向50、51、51和53上的径向电场的串联谐振器61-64，但是谐振器62和64之间的交叉耦合以及谐振器62、63和64之间的耦合强度依赖于凹槽45和58相对角度方位。在谐振器网络中提供这种交叉耦合使得在滤波器的传输函数中引入一些极点并因此可以如愿改变滤波器特性。因此，通过改变这些凹槽的相对角度位置，可以将滤波器特性按所希望的方式改变。

还可以设想使用多于两个本发明的谐振器的滤波器。

参考图7和8，其上示出了根据本发明第二方面的滤波器的另一个实施例，该滤波器用标号70表示。在这个实施例中，滤波器70是一个8极点滤波器。

该滤波器在一个由镀银铝制成的公共壳体75中有四个谐振器71、72、73、74。每个谐振器包括腔体76-79，其中设置了垂直的圆柱电介质部件80-83。在每个电介质部件上设置了一个圆形导电板84-87。在每个导电板中有一对凹槽95、96。通过绝缘螺丝紧固件88-91使导电板和电介质部件之间以及腔体壳体的底部彼此固定的。

这些腔体是60平方毫米，40毫米深。电介质柱体的直径是40毫米，深度是23毫米。导电板的直径是30毫米，深度是3毫米。这样的尺寸提供了具有大约5000的Q值谐振器。

每个谐振器还有一个调谐装置92，它是这样构成的：在相应谐振腔的壳体的内壁中将一对圆形金属板93安装在螺纹支撑架94上。

分隔第一和第二，第二和第三以及第三和第四谐振器的壳体壁上都有一个膜片(iris)97，耦合部件98穿过该膜片。该滤波器还有一个输入耦合端99以及一个输出耦合端100。输出耦合端99是同轴连接器101的形式，该连接器有一个延伸到安装在壳体底部并带有一个电容性探针104的接线柱103上的传输线102，该探针104从接线柱延伸到谐振器的导电板上。输出耦合端100也同样构造。

现将参考附图9到11描述滤波器的操作。图9示意性地说明了这些物理谐振器的实际谐振的固有模式以及它们相应的结构以及输入和输出耦合端。图10说明了对于滤波器网络元件的惯用符号以及在图11中所使用的速记符号。图11示出了在图7和8中所示滤波器的等效电路。

电能量经输入耦合端进入滤波器网络。接线柱103作用相当于一个到地的感抗而安装在接线柱上的电容性探针耦合器耦合到导电板的电场上。如前所述，在导电板中没有任何凹槽的情况下，在谐振器中有两个退化谐振TM模式。在导电板的外围引入凹槽能提高退化度并且拓宽频谱。加深凹槽能增加耦合带宽但最后能使场图变得扭曲。使用两个凹槽可以带来增加的带宽以及较少的电场扭曲。

每个谐振器支持两个正交的径向电场模式。通过第一径向模式和电容性耦合器之间的对着的角度θ₀₁来确定输入耦合端耦合到第一谐振器两个模式的程度。如果这个角度是零，则输入耦合端直接进入第一模式。如果这个角度大于零，则在第一和第二径向模式中产生交叉耦合。在没有任何交叉耦合的情况中，滤波器有标准的Chebychev响应。包含交叉耦合能引入一个衰减极点并且改变滤波器特性以致于它不再均衡，并且如同本领域技术人员所了解的那样，它在一侧提供了较为陡峭的响应。

因此，如图10和11所示，输入耦合端提供了一个感抗和电容，它们一起作用相当于一个反相器，该反相器能提供滤波器网络的第一节点0并且反相器与第一谐振器的两个模式耦合。一个发生器经反相器K₀₁和K₀₂与第一和第二谐振模式耦合，这个耦合是通过接线柱/探针输入耦合端实现的，并且这种耦合的强度是由输入耦合端和谐振器模式之间的相对角度来确定的。同样地，输出耦合端依赖于最后一个谐振器的径向电场与输出电容性耦合器之间的相对角度θ_8，9，以便于可以改变任何交叉耦合的强度。此外，接线柱/电容性探针作为提供可连接负载的输出节点9的反相器K₇₉和K₈₉。

可以通过提供膜片97和耦合部件98来改进谐振器之间的耦合。这些膜片可以帮助阻挡任何不希望的谐振器模式之间的耦合。这些耦合部件有助于增强谐振器之间所希望的耦合，这是由于它们实际的物理接近度以及集中充电从而使所需的径向模式耦合更强。

为每个谐振器的每个模式提供相应的调谐装置92。由于径向电场最强，在壳体的侧壁内提供调谐装置，以便于出现与径向电场充分垂直正交的尽可能大的圆形板表面区域。

可以理解，可以提供并设想其它多极点滤波器排列，例如作为非限制的例子的10极点滤波器。

Claims

1.一种包括微波频率复合谐振器的滤波器，该谐振器包括：

金属壳体，具有一个内表面并能限定谐振腔；

圆柱形的电介质部件；

将输入电信号耦合到导电板上的输入耦合端；以及

耦合来自谐振器的输出电信号的输出耦合端。

2.如权利要求1所述的滤波器，其中该谐振器的TE模式谐振具有高于TM模式谐振频率的谐振频率。

3.如权利要求1所述的滤波器，其中在该导电板的圆周上有凹槽。

4.如权利要求3所述的滤波器，其中该凹槽被设置在与直接径直穿过导电板的电场径向分量方向成45°角的位置上。

5.如权利要求1所述的滤波器，它有第二微波频率复合谐振器。

6.如权利要求5所述的滤波器，其中输入耦合端将输入的电信号耦合到第一谐振器的导电板，输出耦合端耦合来自第二谐振器导电板的输出电信号。

7.如权利要求6所述的滤波器，其中在第一谐振器导电板的圆周上有一个第一凹槽而在第二谐振器导电板的圆周上有一个第二凹槽。

8.如权利要求7所述的滤波器，其中，第一凹槽和第二凹槽被成角度地设置以便于第一谐振器谐振模式的电场径向分量仅与第二谐振器谐振模式中的电场的一个单个径向分量耦合。

9.如权利要求7所述的滤波器，其中，第一凹槽和第二凹槽被成角度地设置以便于第一谐振器谐振模式的电场径向分量与第二谐振器谐振模式中的电场的一对径向分量耦合从而使第一和第二谐振器能交叉耦合以便于在滤波器响应特性中提供极点。

10.如权利要求1-9中任一个所述的滤波器，其中该滤波器是一个带通滤波器。