CN112909457B - 一种基于双模介质波导谐振器的带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双模介质波导谐振器的带通滤波器,利用正方形介质波导谐振器的一对简并高次模(TM210模和TM120模)使其构成双模介质波导谐振器,并设计出这对简并高次模之间的耦合结构,利用此双模介质波导谐振器设计滤波器可以将谐振器的数量减半。虽然双模谐振器利用的是一对高次模,其尺寸比单模谐振器要大一些,但是利用双模谐振器设计滤波器可以谐振器的尺寸减半,这使得滤波器的整体尺寸可以降低20%左右。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备组件技术领域,尤其涉及一种基于双模介质波导谐振器的带通滤波器。
背景技术
随着信息通信产业的快速发展,移动通信系统不断地更新换代。作为移动通信系统的关键元件之一,微波滤波器也在持续地发展和更新。5G时代基站滤波器的总体用量将大大提升,这就对基站滤波器的尺寸、重量、损耗、发热性能等提出了更加严格的要求。另外,可以预测包括目前已经起步的6G移动通信系统在内的未来移动通信系统对基站滤波器的要求也会越来越高。介质波导滤波器凭借损耗小,体积小,重量轻,Q值高,稳定性好,功率容量高等优点,成为基站滤波器的主流选择。介质波导滤波器是通过在一体成型的高介电常数介质陶瓷结构表面金属化来实现的。现有介质波导滤波器的设计主要是单模设计,即仅利用介质波导谐振器的一个模式(主模)进行滤波器设计。因此,设计一个四阶的介质波导滤波器就需要四个介质波导谐振器。在保证滤波性能的前提下,减少谐 振器的个数进而减小介质波导滤波器的尺寸具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于,解决上述现有技术中的不足,本发明提出一种基于双模介质波导谐振器的带通滤波器,相比于传统的单模方案,谐振器数目减半,从而所设计的滤波器与传统单模方案相比可减小20%。
为了实现本发明目的,本发明提供的四阶双模介质波导滤波器,包含表面均设有金属层的介质块和印刷电路板,介质块上表面的金属层与印刷电路板(2)下表面的金属层电连接,其特征在于:
所述介质块包含通过表面金属化的通槽分隔开的正方形的两个谐振器,每个谐振器上表面开设有四个盲孔,盲孔表面设有与介质块表面金属层绝缘的金属层,所述盲孔分别位于横向中轴线、纵向中轴线上,盲孔中心距离谐振器边缘的距离均为谐振器边长的四分之一;
印刷电路板的下表面具有八个与谐振器盲孔一一对应的且与印刷电路板下表面金属层绝缘的金属圆盘,所述盲孔表面的金属层与对应的金属圆盘电连接;印刷电路板的上表面设置有五根与印刷电路板上表面金属层绝缘的微带线,其中,第一微带线呈直线型,第一端设置输入端口,第二端与第一金属圆盘电连接;第二微带线呈L型,两端分别与第二金属圆盘和第三金属圆盘电连接;第三微带线呈直线型,两端分别与第四金属圆盘和第五金属圆盘电连接;第四微带线呈L型,两端分别与第六金属圆盘和第七金属圆盘电连接;第五微带线呈直线型,第一端与第八金属圆盘电连接,第二端设置输出端口。
本发明利用正方形介质波导谐振器的一对简并高次模(TM210模和TM120模)使其构成双模介质波导谐振器,并设计出这对简并高次模之间的耦合结构,利用此双模介质波导谐振器设计滤波器可以将谐振器的数量减半,即设计一个四阶的介质波导滤波器仅需要两个双模介质波导谐振器。虽然双模谐振器利用的是一对高次模,其尺寸比单模谐振器要大一些。但是利用双模谐振器设计滤波器可以谐振器的尺寸减半,这使得滤波器的整体尺寸可以降低20%左右。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明;
图1是本发明所使用的介质波导谐振器三维结构示意图。
图2-1是介质波导谐振器TM210模式的电场分布图。
图2-2是介质波导谐振器TM120模式的电场分布图。
图3是提取或激励不同模式信号的盲孔位置示意图。
图4是四阶双模介质波导滤波器的三维爆炸图。
图5是四阶双模介质波导滤波器的仿真结果。
图6是二阶双模介质波导滤波器的三维爆炸图。
图7是二阶双模介质波导滤波器实施例的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
介质波导谐振器可以是各种形状,如正方形、矩形、圆形、椭圆形等。本发明以正方形介质波导谐振器为例进行分析和设计。图1所示为本发明所使用的正方形介质波导谐振器的三维结构示意图。所述介质波导谐振器由介质陶瓷结构形成,且将介质陶瓷结构外表面进行金属化。通过对正方形介质波导谐振器的诸多模式进行分析,选出了一对简并高次模,即TM210模和TM120模,它们的电场分布图如图2所示。由图2可以看到,TM210模的两个电场最强点位于沿x方向的中心轴线上,且电场最强点分别位于中心轴线上四分之一和四分之三位置处;而TM120模的两个电场最强点位于沿y方向的中心轴线上,且电场最强点分别位于中心轴线上四分之一和四分之三位置处。且在TM210模的电场最强处,TM120模的电场很弱;反之亦然。为了提取或激励不同的信号,可以在矩形介质波导谐振器的上表面设置盲孔,盲孔金属化,且在盲孔的周围设置未金属的环形槽,以防信号短路。图3给出了提取或激励不同信号的盲孔的位置示意图。其中,在A1和A2处设置盲孔仅提取或激励TM210模的信号;在B1和B2处设置盲孔仅提取或激励TM120模的信号。在利用该双模介质波导谐振器设计滤波器的时候还需要设计出两个模式之间的耦合结构,我们的方案是在TM210模的其中一个电场最强点(A1或A2)和TM120模的其中一个电场最强点(B1或B2)之间设计耦合结构来实现(耦合结构的详细情况参见下面的具体滤波器的描述)。
实施例一
如图4所示,本实施例四阶双模介质波导滤波器,包含表面均设有金属层的介质块1和印刷电路板2,介质块1上表面的金属层与印刷电路板2下表面的金属层电连接。
介质块1包含通过表面金属化的通槽9分隔开的正方形的第一谐振器11和第二谐振器12。两个谐振器具有相同的结构,第一谐振器11上表面开设有四个盲孔(第一盲孔61、第二盲孔621、第三盲孔622、第四盲孔631),盲孔表面设有与介质块1表面金属层绝缘的金属层。对应的,第二谐振器12上表面开设有四个盲孔(第五盲孔632、第六盲孔641、第七盲孔642、第八盲孔65),盲孔表面设有与介质块1表面金属层绝缘的金属层。在每个谐振器中,四个盲孔分别位于横向中轴线、纵向中轴线上,盲孔中心距离对应谐振器边缘的距离均为谐振器边长的四分之一。本例中,盲孔上方的周围刻蚀环形非金属部分,使盲孔内表面的金属层与介质块1表面的金属层绝缘。盲孔按照信号传输方向进行顺序编号。
印刷电路板2的下表面具有八个与谐振器盲孔一一对应的且与印刷电路板2下表面金属层绝缘的金属圆盘(第一金属圆盘51、第二金属圆盘521、第三金属圆盘522、第四金属圆盘531、第五金属圆盘532、第六金属圆盘541、第七金属圆盘542、第八金属圆盘55,本例中,金属圆盘也按照信号传输方向进行顺序编号)。盲孔表面的金属层与对应的金属圆盘电连接。印刷电路板2的上表面设置有五根与印刷电路板2上表面金属层绝缘的微带线(第一微带线31、第二微带线32、第三微带线33、第四微带线34、第五微带线35,微带线按照信号传输方向进行顺序编号)。其中,第一微带线31呈直线型,第一微带线31的第一端设置输入端口P1,第一微带线31的第二端通过贯穿印刷电路板2的第一金属化通孔41与第一金属圆盘51电连接;第二微带线32呈L型,第二微带线32的两端分别通过贯穿印刷电路板2的第二金属化通孔421、第三金属化通孔422与第二金属圆盘521和第三金属圆盘522电连接;第三微带线33呈直线型,第三微带线33的两端分别通过贯穿印刷电路板2的第四金属化通孔431、第五金属化通孔432与第四金属圆盘531和第五金属圆盘532电连接;第四微带线34呈L型,第四微带线34的两端分别通过贯穿印刷电路板2的第六金属化通孔441、第七金属化通孔442与第六金属圆盘541和第七金属圆盘542电连接;第五微带35线呈直线型,第五微带35的第一端通过贯穿印刷电路板2的第八金属化通孔45与第八金属圆盘55电连接,第五微带35的第二端设置输出端口P2。
本实施例中,金属圆盘的周围刻蚀环形非金属部分,使得金属圆盘与印刷电路板2下表面金属层绝缘。对于微带线,则通过对其外围做刻蚀处理,使得微带线与印刷电路板2上表面金属层绝缘。
下面描述该四阶滤波器的工作过程:
信号由输入端口P1经第一微带线31、第一金属化通孔41、第一金属圆盘51、第一盲孔61馈入第一谐振器11,激励起第一谐振器11的TM210模,该TM210模经过由第二盲孔621、第二金属圆盘521、第二金属化通孔421、第二微带32、第三金属化通孔422、第三金属圆盘522、第三盲孔622构成的耦合结构耦合为第一谐振器11的TM120模,该TM120模由第四盲孔631、第四金属圆盘531、第四金属化通孔431、第三微带33、第五通孔432、第五金属化圆盘532、第五盲孔632构成的耦合结构从第一谐振器11耦合为第二谐振器12的TM120模,该TM120模再由第六盲孔641、第六金属圆盘541、第六金属化通孔441、第四微带34、第七金属化通孔442、第七金属化圆盘542、第七盲孔642构成的耦合结构耦合为第二谐振器12的TM210模,最后经过第八盲孔65、第八金属圆盘55、第八金属化通孔45、第五微带35从输出端口P2输出。
图5给出了本实施例四阶双模介质波导滤波器的仿真结果。从仿真结果可以看到,该介质波导滤波器的滤波通带从2515MHz到2675MHz(中国移动5G频带),验证了本发明的可行性与实用性。
实施例二
如图6所示,本实施例二阶双模介质波导滤波器,包含表面均设有金属层的第一介质谐振器11和印刷电路板2,第一介质谐振器11上表面的金属层与印刷电路板2下表面的金属层电连接。
第一介质谐振器11上表面开设有四个盲孔(第一盲孔61、第二盲孔621、第三盲孔622、第四盲孔631,盲孔按照信号传输方向进行顺序编号),盲孔表面设有与介质谐振器11表面金属层绝缘的金属层,四个盲孔分别位于横向中轴线、纵向中轴线上,盲孔中心距离谐振器边缘的距离均为谐振器边长的四分之一。本例中,盲孔上方的周围刻蚀环形非金属部分,使盲孔内表面的金属层与介质块1表面的金属层绝缘。
印刷电路板2的下表面具有四个与谐振器盲孔一一对应的且与印刷电路板2下表面金属层绝缘的金属圆盘(第一金属圆盘51、第二金属圆盘521、第三金属圆盘522、第四金属圆盘531,金属圆盘也按照信号传输方向进行顺序编号),盲孔表面的金属层与对应的金属圆盘电连接。印刷电路板2的上表面设置有三根与印刷电路板2上表面金属层绝缘的微带线(第一微带线31、第二微带线32、第三微带线33),其中,第一微带线31呈直线型,第一微带线31的第一端设置输入端口P1,第一微带线31的第二端通过贯穿印刷电路板2的第一金属化通孔41与第一金属圆盘51电连接;第二微带线32呈L型,第二微带线的两端分别通过贯穿印刷电路板2的第二金属化通孔421、第三金属化通孔422与第二金属圆盘521和第三金属圆盘522电连接;第三微带线33呈直线型,第三微带线33的第一端通过贯穿印刷电路板2的第四金属化通孔431与第四金属圆盘531电连接,第三微带线33的第二端设置输出端口P2。
本实施例中,本实施例中,金属圆盘的周围刻蚀环形非金属部分,使得金属圆盘与印刷电路板2下表面金属层绝缘。对于微带线,则通过对其外围做刻蚀处理,使得微带线与印刷电路板2上表面金属层绝缘。
下面描述该二阶滤波器的工作过程:
信号由输入端口P1经第一微带线31、第一金属化通孔41、第一金属圆盘51、第一盲孔61馈入第一谐振器11,激励起第一谐振器11的TM210模,该TM210模经过由第二盲孔621、第二金属圆盘521、第二金属化通孔421、第二微带32、第三金属化通孔422、第三金属圆盘522、第三盲孔622构成的耦合结构耦合为第一谐振器11的TM120模,该TM120模经过第四盲孔631、第四金属圆盘531、第四金属化通孔431、第三微带33从输出端口P2输出。
图7给出了上述二阶双模介质波导滤波器的仿真结果。可以看到,该介质波导滤波器的滤波通带从2515MHz到2675MHz(中国移动5G频带),验证了本发明的可行性与实用性。
可见,本发明采用双模介质波导谐振器实现了一种介质波导滤波器,相比于传统的单模方案,谐振器数目减半,从而所设计的滤波器与传统单模方案相比可减小20%。模式与模式之间的耦合、谐振器与谐振器之间的耦合均由介质块上的盲孔与印刷电路板上的微带构成的结构实现的。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种四阶双模介质波导滤波器,包含表面均设有金属层的介质块(1)和印刷电路板(2),介质块(1)上表面的金属层与印刷电路板(2)下表面的金属层电连接,其特征在于:
所述介质块(1)包含通过表面金属化的通槽(9)分隔开的正方形的两个谐振器(11、12),每个谐振器(11、12)上表面开设有四个盲孔,盲孔表面设有与介质块(1)表面金属层绝缘的金属层,所述四个盲孔分别位于横向中轴线的四分之一和四分之三处、纵向中轴线上的四分之一和四分之三处;
印刷电路板(2)的下表面具有八个与谐振器盲孔一一对应的且与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘的金属圆盘,所述盲孔表面的金属层与对应的与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘的金属圆盘电连接;印刷电路板(2)的上表面设置有五根与印刷电路板(2)上表面金属层绝缘的微带线(31、32、33、34、35),其中,第一微带线(31)呈直线型,第一端设置输入端口(P1),第二端与第一金属圆盘(51)电连接;第二微带线(32)呈L型,两端分别与第二金属圆盘(521)和第三金属圆盘(522)电连接;第三微带线(33)呈直线型,两端分别与第四金属圆盘(531)和第五金属圆盘(532)电连接;第四微带线(34)呈L型,两端分别与第六金属圆盘(541)和第七金属圆盘(542)电连接;第五微带(35)线呈直线型,第一端与第八金属圆盘(55)电连接,第二端设置输出端口(P2)。
2.根据权利要求1所述的四阶双模介质波导滤波器,其特征在于:所述盲孔上方的周围刻蚀环形非金属部分,使盲孔内表面的金属层与介质块(1)表面的金属层绝缘。
3.根据权利要求1所述的四阶双模介质波导滤波器,其特征在于:金属圆盘的周围刻蚀环形非金属部分,使得金属圆盘与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘。
4.根据权利要求1所述的四阶双模介质波导滤波器,其特征在于:通过对微带线的外围做刻蚀处理,使得微带线与印刷电路板(2)上表面金属层绝缘。
5.根据权利要求1所述的四阶双模介质波导滤波器,其特征在于:所述金属圆盘分别通过金属化通孔与对应的微带线电连接。
6.一种二阶双模介质波导滤波器,包含表面均设有金属层的介质谐振器(11)和印刷电路板(2),介质谐振器(11)上表面的金属层与印刷电路板(2)下表面的金属层电连接,其特征在于:
介质谐振器(11)上表面开设有四个盲孔,盲孔表面设有与介质谐振器(11)表面金属层绝缘的金属层,所述四个盲孔分别位于横向中轴线的四分之一和四分之三处、纵向中轴线上的四分之一和四分之三处;
印刷电路板(2)的下表面具有四个与谐振器盲孔一一对应的且与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘的金属圆盘,所述盲孔表面的金属层与对应的与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘的金属圆盘电连接;印刷电路板(2)的上表面设置有三根与印刷电路板(2)上表面金属层绝缘的微带线(31、32、33),其中,第一微带线(31)呈直线型,第一端设置输入端口(P1),第二端与第一金属圆盘(51)电连接;第二微带线(32)呈L型,两端分别与第二金属圆盘(521)和第三金属圆盘(522)电连接;第三微带线(33)呈直线型,第一端与第四金属圆盘(531)电连接,第二端设置输出端口(P2)。
7.根据权利要求6所述的二阶双模介质波导滤波器,其特征在于:所述盲孔上方的周围刻蚀环形非金属部分,使盲孔内表面的金属层与介质块(1)表面的金属层绝缘。
8.根据权利要求6所述的二阶双模介质波导滤波器,其特征在于:金属圆盘的周围刻蚀环形非金属部分,使得金属圆盘与印刷电路板(2)下表面金属层绝缘。
9.根据权利要求6所述的二阶双模介质波导滤波器,其特征在于:通过对微带线的外围做刻蚀处理,使得微带线与印刷电路板(2)上表面金属层绝缘。
10.根据权利要求6所述的二阶双模介质波导滤波器,其特征在于:所述金属圆盘分别通过金属化通孔与对应的微带线电连接。
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X波段SICL小型化带通滤波器的设计;唐瑞瑞 等;《压电与声光》;20190123;第41卷(第2期);第181-187页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN112909457A (zh) | 2021-06-04 |
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