CN113224495B - 可开关谐振器结构及具有该结构的介质波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可开关谐振器结构，包含介质波导谐振器，介质波导谐振器包括介质块和设置在介质块表面的导电层，其还包括开关电路，开关电路具有二极管和置于介质块表面的导电盘，二极管的阴极接地，开关二极管的阳极分别连接导电盘和开关信号。本发明应用于介质波导滤波器的可开关谐振器结构，通过开关信号控制二极管的导通或截止，介质波导谐振器的表面电流分布不同，使得谐振频率发生变化从而实现可开关谐振器功能。本可开关谐振器结构在保持现有介质波导滤波器技术优点的情况下实现开关的功能。

Description

可开关谐振器结构及具有该结构的介质波导滤波器

技术领域

本发明涉及通信设备组件技术领域，尤其涉及一种可开关谐振器结构及具有该结构的介质波导滤波器。

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，本发明提出一种可开关谐振器结构及具有该结构的介质波导滤波器。

为了实现本发明目的，本发明提供的可开关谐振器结构，包含介质波导谐振器，所述介质波导谐振器包括介质块和设置在所述介质块表面的导电层，其特征在于：还包括开关电路，所述开关电路具有二极管和置于介质块表面的导电盘，所述二极管的阴极接地，开关二极管的阳极分别连接导电盘和开关信号。

本发明在矩形介质波导谐振器的表面电场较强处刻蚀一个非金属化圆环并设置二极管，通过控制二极管和的导通和截止改变介质波导谐振器的主模TM₁₁₀模的谐振频率，从而实现一种可开关介质波导谐振器。通过控制导电盘直径，优化打开和关闭两个状态下谐振频率的距离，从而在设计滤波开关时得到较高的隔离。改变一个或多个谐振器的谐振频率，实现对滤波通带的开和关。由于所提出的结构无需金属腔体，因此该滤波开关不但损耗低、隔离高，而且尺寸小、重量轻。

此外，本发明还提出了一种四阶介质波导滤波开关，由介质部分和电路板部分组成，所述介质部分包括四个依次通过电感耦合窗耦合的第一至第四介质谐振器和两个分别用于激励输入端介质谐振器和输出端介质谐振器工作的馈电圆柱，所述四个介质谐振器的外部表面覆盖有导电层；电路板部分包括：电路板、两根设置于电路板上表面的其外端分别与信号输入端口、信号输出端口连接的金属条带、两个设置于电路板下表面且分别与所述金属条带的内端电连接的馈电圆盘、和分别设置于馈电圆盘外的耦合槽，所述馈电圆柱分别与馈电圆盘电连接，其特征在于：所述第二谐振器和第三谐振器具有如权利要求1-6任一项所述的可开关谐振器结构。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是本发明可开关介质波导谐振器三维爆炸图。

图2是PIN管分别处于导通和截止状态时谐振器的谐振频率随Dc的变化曲线。

图3是四阶介质波导滤波开关三维爆炸图。

图4（a）是四阶介质波导滤波开关打开状态的仿真结果图。

图4（b）是四阶介质波导滤波开关关闭状态的仿真结果图。

图5（a）是四阶介质波导滤波开关打开状态的测试与仿真结果比图。

图5（b）是四阶介质波导滤波开关关闭状态的测试与仿真结果比图。

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。

可开关谐振器结构实施例

本发明提出了一种应用于介质波导滤波器的可开关谐振器结构，在保持现有介质波导滤波器技术优点的情况下实现开关的功能。其中，介质波导谐振器可以是各种形状，如矩形、正方形、圆形、椭圆形等。本实施例以矩形介质波导谐振器为例进行分析和设计。矩形介质波导谐振器主模TM₁₁₀模的电场最强点位于中心位置，本发明在矩形介质波导谐振器的电场较强处刻蚀一个非金属圆环并设置PIN管，通过控制PIN管的导通和截止实现开关功能。

具体结构如图1所示，本实施例可开关谐振器结构，包含介质波导谐振器和PCB电路板3。介质波导谐振器具有介质块1，该介质块1表面覆盖的导电层，PCB电路板3采用CPWG结构，上下表面被导电层覆盖并与介质波导谐振器（介质块1）上表面的导电层电连接，电路板3导电层通过第一金属化通孔61电连接。介质块1设置有内壁未金属化的柱形调试盲孔2，电路板3安装有插入柱形调试盲孔2且插入深度可调节的调试螺杆7，用于滤波通带的调谐。介质波导谐振器表面的电场较强处设置一导电盘51，电路板3的上下表面设有通过第二金属化通孔62电连接的第一金属盘53和第二金属盘52，导电盘51通过第二金属盘52、第二金属化通孔62与第一金属盘53电连接。本例中其中导电盘51和第二金属盘52的大小相等、位置相对应（其直径由图中Dc表示）。电路板3的上表面还设置有第一开关二极管81和第二开关二极管82，第一开关二极管81和第二开关二极管82的阴极接电路板3的导电层，阳极分别连接该第一金属盘53，第一金属盘53经偏置电阻10连接用于接收开关信号的焊盘9，开关信号为偏置电压信号。导电盘51和第一开关二极管81和第二开关二极管82构成了本实施例中的开关电路。第一金属盘53、第二金属盘52、第二金属化通孔62和焊盘9的引入则是为了在工业上能够较容易地实现该开关电路。当然，不排除其他可行的实现方式。本实施例中，电路板3的第二金属盘52外设置有上非金属化圆环42，导电盘51外设置有下非金属化圆环41，上非金属化圆环42和下非金属化圆环41二者大小相等、位置相对应，上非金属化圆环42位于下非金属化圆环41的正上方。

工作原理如下：通过金属焊盘9上的电压控制开关二极管的导通或截止，介质波导谐振器的表面电流分布不同，使得谐振频率发生变化从而实现可开关谐振器功能。为了验证本发明所提出的可开关谐振器结构，提取了开关二极管分别处于导通和截止状态时介质波导谐振器谐振频率随导电盘51直径Dc的变化曲线。开关二极管处于截止状态，谐振频率随Dc的增大而逐渐升高，但频率的变化范围不大；PIN管处于导通状态，当Dc较小时谐振频率随Dc的增大而迅速降低，随着Dc继续增大，谐振频率降低的速度逐渐变缓。根据图2，当Dc< 3.5mm时开关二极管截止状态下谐振器的谐振频率较低，为了实现小型化，开关二极管截止状态下的介质波导谐振器被用于设计滤波通带。那么，当PIN管处于导通状态时，介质波导滤波开关处于关闭状态。在设计滤波开关时，可通过改变一个或多个谐振器的谐振频率实现对滤波通带的开和关。此外，为了使关闭状态的隔离较高，两种状态下的谐振频率越远越好，即开关圆盘越小越好；又考虑到实际测试时Dc太小会使得PCB与介质波导谐振器的导电盘51接触不好，因此导电盘51直径Dc选择2.6mm。

四阶介质波导滤波开关实施例

基于上述可开关介质波导谐振器，本发明还公开了一种四阶介质波导滤波开关，其结构如图3所示。本实施例四阶介质波导滤波开关，由介质部分和电路板部分组成。

介质部分包括四个依次通过电感耦合窗191、192、193耦合的第一至第四介质谐振器131、132、133、134和两个分别用于激励输入端介质谐振器131和输出端介质谐振器134工作的馈电圆柱181、182，四个分设于介质谐振器131、132、133、134的柱形调试盲孔141、142、143、144。四个介质谐振器131、132、133、134的外部表面覆盖有导电层。

电路板部分包括：电路板3、两根设置于电路板3上表面的其外端分别与信号输入端口P1、信号输出端口P2连接的金属条带351,352、两个设置于电路板3下表面且分别与所述金属条带351,352的内端电连接的馈电圆盘321、322、和分别设置于馈电圆盘321、322外的耦合槽371、372，馈电圆柱181、182分别与馈电圆盘321、322电连接。电路板3还安装有四个分别插入所述调试盲孔141、142、143、144且插入深度可调节的调试螺杆311、312、313、314。

第二谐振器132和第三谐振器133具有上述实施例中的可开关谐振器结构，两个可开关谐振器结构的开关电路公用一个用于连接开关信号焊盘9。

如图4（a）和图4（b）给出了上述四阶介质波导滤波开关在打开和关闭时的仿真结果。可以看到，该介质波导滤波开关的滤波通带从3500MHz到3600MHz（中国联通5G频带），通带内的插入损耗为0.6dB，回波损耗优于24dB；当通带关闭时，若关闭一个谐振器，端口1和端口2之间的隔离优于21dB，同时关闭两个谐振器时，隔离优于37dB，验证了本发明提供的利用可开关介质波导谐振器来实现滤波开关的可行性与实用性。

为了验证该方案的可行性，发明人加工并测试了上述四阶介质滤波开关设计实例。测试和仿真结果的对比图如图5（a）和图5（b）所示。由测试结果可以得到：当滤波开关处于打开状态时，通带范围为3.5GHz到3.6GHz，通带内的插入损耗为0.8dB。当谐振器2和谐振器3同时关闭时，隔离优于36dB。

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 (9)

1.一种可开关谐振器结构，包含介质波导谐振器，所述介质波导谐振器包括介质块（1）和设置在所述介质块（1）表面的导电层，其特征在于：还包括开关电路，所述开关电路具有二极管（81、82）和置于介质块表面的导电盘（51），所述二极管（81、82）的阴极接地，二极管（81、82）的阳极分别连接导电盘（51）和开关信号。

2.根据权利要求1所述的可开关谐振器结构，其特征在于：具有上下表面覆盖导电层的电路板（3），所述电路板（3）的导电层接地，电路板（3）的上下表面设有电连接的第一金属盘（53）和第二金属盘（52），所述导电盘（51）通过第二金属盘（52）与第一金属盘（53）电连接，所述二极管（81、82）设置于电路板的表面，二极管（81、82）阴极接电路板的导电层，所述二极管（81、82）的阳极连接该第一金属盘（53）。

3.根据权利要求2所述的可开关谐振器结构，其特征在于：所述第一金属盘（53）经偏置电阻（10）连接焊盘（9），所述焊盘（9）用于连接开关信号，所述开关信号为偏置电压信号。

4.根据权利要求2所述的可开关谐振器结构，其特征在于：所述电路板（3）开设有电连接上下表面导电层的第一金属化通孔（61）；所述第一金属盘（53）和第二金属盘（52）通过第二金属化通孔（62）电连接。

5.根据权利要求4所述的可开关谐振器结构，其特征在于：所述电路板（3）的第二金属盘（52）外设置有上非金属化圆环（42），所述导电盘（51）外设置有下非金属化圆环（41），所述上非金属化圆环（42）位于下非金属化圆环（41）的正上方。

6.根据权利要求2所述的可开关谐振器结构，其特征在于：所述介质块（1）设置有内壁未金属化的柱形调试盲孔（2），电路板（3）安装有插入柱形调试盲孔（2）且插入深度可调节的调试螺杆（7），用于滤波通带的调谐。

7.一种四阶介质波导滤波开关，由介质部分和电路板部分组成，所述介质部分包括四个依次通过电感耦合窗（191、192、193）耦合的第一至第四介质谐振器（131、132、133、134）和两个分别用于激励输入端介质谐振器（131）和输出端介质谐振器（134）工作的馈电圆柱（181、182），所述四个介质谐振器（131、132、133、134）的外部表面覆盖有导电层；电路板部分包括：电路板（3）、两根设置于电路板（3）上表面的其外端分别与信号输入端口（P1）、信号输出端口（P2）连接的金属条带（351,352）、两个设置于电路板（3）下表面且分别与所述金属条带（351,352）的内端电连接的馈电圆盘（321、322）、和分别设置于馈电圆盘（321、322）外的耦合槽（371、372），所述馈电圆柱（181、182）分别与馈电圆盘（321、322）电连接，其特征在于：所述第二介质谐振器（132）和第三介质谐振器（133）具有如权利要求1-6任一项所述的可开关谐振器结构。

8.根据权利要求7所述的四阶介质波导滤波开关，其特征在于：两个可开关谐振器结构的开关电路公用一个用于连接开关信号的焊盘（9）。

9.根据权利要求7所述的四阶介质波导滤波开关，其特征在于：所述介质部分还包括四个分开设于第一至第四介质谐振器（131、132、133、134）的柱形调试盲孔（141、142、143、144）；电路板（3）安装有四个分别插入所述柱形调试盲孔（141、142、143、144）且插入深度可调节的调试螺杆（311、312、313、314）。

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