CN113258234B - 谐振腔波导滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种谐振腔波导滤波器，包括金属壳体以及两个波导法兰盘，金属壳体的内部具有多个依次连接的非规则的谐振腔，谐振腔具有相互垂直的长轴和短轴，相邻谐振腔的长轴垂直设置，位于金属壳体两端的两个谐振腔的长轴均与馈电矩形波导的长度方向垂直设置。本发明所构造的谐振腔具有非规则金属边界条件，在不显著恶化谐振腔基模Q值的前提下，使高次模数量减少，且在频谱上远离基模；在频谱上拉开了谐振腔在水平方向上两个极化正交的简并高次模的谐振频率，并通过设置耦合谐振腔连续正交的缩放方向，最小化这两个极化正交的高次模的耦合系数，从而抑制这些高次模形成寄生通带，显著提升了滤波器的无寄生阻带带宽和阻带抑制度。

Description

谐振腔波导滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，更具体地说，是涉及一种谐振腔波导滤波器。
背景技术
通信系统微波滤波器要求其谐振器具备高品质因数(Q值)和寄生谐振模式远离主模式的射频属性。高Q值谐振器可以使滤波器在同等带宽下获得更小的通带插入损耗。远寄生谐振模式可以使带通滤波器的上阻带带宽大和抑制度高，以减小阻带中谐波和干扰信号的影响。传统的空气填充的高Q值金属谐振腔，如矩形、圆柱形和球形腔，具有规则且对称的边界条件，但因为几何结构的对称性，这些谐振腔存在大量简并的高次谐振模式。
现有技术中，可以采用谐振腔枝节加载实现腔体滤波器小型化和远寄生通带的目标，但这是以显著牺牲谐振腔的Q值，即增大滤波器通带插入损耗，为代价的，且谐振腔枝节加载增大了其加工装配的难度和误差，导致滤波器制造和调试效率低下。枝节加载的谐振腔滤波器无论是采用传统的计算机数控(CNC)铣工艺还是近年来高速发展的增材制造(3-D打印)工艺加工，均存在“枝节加载结构—加工工艺兼容性”和“枝节加载结构—结构误差灵敏度”这两组矛盾。例如，小型化枝节加载谐振腔滤波器需要大量调谐螺丝以补偿加载枝节的加工误差对滤波器射频性能的影响；这类滤波器若用3-D打印工艺制作，需要3-D打印出支撑材料辅助这些枝节结构成型，而腔内的支撑材料在器件成型之后难以去除。此外，这些枝节轮廓的不连续性导致其边缘上镀金属层的质量不佳，镀层容易破损。
现有技术中，还可以采用选择性地开槽滤波器中的谐振腔并搭配适当的级间耦合结构，在不影响主模通带的前提下辐射出谐振腔的高次模，达到抑制寄生谐振、拓展滤波器无寄生阻带带宽的目的，带来的问题是带通滤波器上阻带的电磁辐射给外电路带来干扰，这也不利于抑制外来的阻带干扰信号。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种谐振腔波导滤波器，旨在以尽可能小的Q值代价，获得带通滤波器尽可能大的无寄生无辐射阻带带宽，并获得尽可能大的阻带抑制度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种谐振腔波导滤波器，包括金属壳体以及分别连接于所述金属壳体两端的两个波导法兰盘，所述金属壳体的内部具有多个依次连接的非规则的谐振腔，所述波导法兰盘开设有连通所述谐振腔的馈电矩形波导，所述谐振腔具有相互垂直的长轴和短轴，相邻所述谐振腔的长轴垂直设置，位于所述金属壳体两端的两个所述谐振腔的长轴均与所述馈电矩形波导的长度方向垂直设置，位于所述金属壳体两端的两个所述谐振腔的短轴、所述馈电矩形波导的中心轴均共线设置。
在一个实施例中，设于所述金属壳体中部的任意一个谐振腔为第一谐振腔，与所述第一谐振腔连接的两个谐振腔设为第二谐振腔；
所述谐振腔的数量为三个，所述第一谐振腔的数量为一个，两个所述第二谐振腔分别位于所述第一谐振腔长轴的相对两侧；或者，
所述谐振腔的数量为五个，所述第一谐振腔的数量为三个，三个所述第一谐振腔中，位于两端的两个所述第一谐振腔的长轴，与两个所述第二谐振腔的短轴共线设置；或者，
所述谐振腔的数量为五个，所述第一谐振腔的数量为三个，其中一个所述第二谐振腔的长轴，与三个所述第一谐振腔中位于一端的所述第一谐振腔的短轴共线设置，另一个所述第二谐振腔的长轴，与三个所述第一谐振腔中位于另一端的所述第一谐振腔的短轴共线设置。
在一个实施例中，至少一个所述谐振腔的高度与其它所述谐振腔的高度不同。
在一个实施例中，所述谐振腔由半球腔去除塑形圆环体、第一塑形半球和第二塑形半球后，将棱圆角化，并将腔体沿缩放方向缩放形成，所述半球腔的内壁包括径向切面以及连接于所述径向切面的半球面，所述缩放方向与所述径向切面平行设置，所述塑形圆环体由所述径向切面的圆周向所述半球腔的内部凹陷而成，所述第一塑形半球由所述半球面向所述半球腔的内部凹陷而成，所述第二塑形半球由所述径向切面向所述半球腔的内部凹陷而成，所述谐振腔的腔壁平滑设置。
在一个实施例中，至少一个所述谐振腔所去除的塑形圆环体的内径和/或外径与其它所述谐振腔所去除的塑形圆环体的内径和/或外径不同；和/或，至少一个所述谐振腔所去除的第一塑形半球的半径与其它所述谐振腔所去除的第一塑形半球的半径不同；和/或，至少一个所述谐振腔所去除的第二塑形半球的半径与其它所述谐振腔所去除的第二塑形半球的半径不同。
在一个实施例中，所述第二塑形半球的球心与所述半球腔的球心重合设置，所述第一塑形半球的球心与所述第二塑形半球的球心连线垂直于所述径向切面。
在一个实施例中，各个所述谐振腔沿缩放方向的缩放比例相同。
在一个实施例中，位于所述金属壳体两端的谐振腔与所述馈电矩形波导通过椭圆形截面的耦合窗口平滑或非平滑连接。
在一个实施例中，所述谐振腔波导滤波器可一体制造成型；或者，所述谐振腔波导滤波器包括可分体制造成型的上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体之间围合形成所述谐振腔。
本发明提供的谐振腔波导滤波器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明谐振腔波导滤波器所构造的谐振腔具有非规则金属边界条件，从数学本质上改变了亥姆霍兹方程在相应金属边界条件下的解的分布，在不显著恶化谐振腔基模Q值的前提下，重构高次模的分布，使高次模数量减少，且在频谱上远离基模；通过比例缩放，使谐振腔具有长轴和短轴，在频谱上拉开了谐振腔在水平方向上两个极化正交的简并高次模的谐振频率，并通过设置耦合谐振腔连续正交的缩放方向，最小化这两个极化正交的高次模的耦合系数，抑制这些高次模形成寄生通带，从而达到显著拓展滤波器无寄生阻带带宽的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1(a)为本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图；
图1(b)本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的第二种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图；
图3(a)为本发明实施例提供的第三种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图；
图3(b)为本发明实施例提供的第三种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的俯视图；
图4(a)为本发明实施例提供的第四种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的侧视图；
图4(b)为图4(a)中的滤波器用于CNC制造的加工模型的爆炸结构图；
图5(a)为本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器中的非规则谐振腔的构造过程示意图，展示了半球腔经过去除塑形圆环体、第一塑形半球和第二塑形半球后的剖视图；
图5(b)为本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器中的非规则谐振腔沿长轴方向的剖视图；
图6为本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器的内部空气腔和加工模型的仿真的散射参数曲线图；
图7为本发明实施例提供的第二种、第三种谐振腔波导滤波器的内部空气腔的仿真的散射参数曲线图；
图8(a)为本发明实施例提供的第四种谐振腔波导滤波器的仿真和测量的通带频率响应曲线；
图8(b)为本发明实施例提供的第四种谐振腔波导滤波器的仿真和测量的宽带频率响应曲线。
其中，图中各附图标记：
1-金属壳体；10-谐振腔；100-半球腔；110-径向切面；120-半球面；101-塑形圆环体；102-第一塑形半球；103-第二塑形半球；11-上壳体；12-下壳体；13-螺钉孔；14-销钉孔；15-级间耦合结构；2-波导法兰盘；20-馈电矩形波导；21-耦合窗口；22-通孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本发明实施例，可以修改各个部件的尺寸参数进一步得到实际所需的性能。
现对本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器进行说明。
请参阅图1，图1(a)为本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图，图1(b)为本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器的立体结构图。谐振腔波导滤波器包括金属壳体1和两个波导法兰盘2，两个波导法兰盘2分别连接于金属壳体1的两端。金属壳体1的内部具有多个依次连接的谐振腔10，谐振腔10为非规则的几何塑形谐振腔，谐振腔10的数量为奇数个，其中，非规则是指不是球形、椭球形、立方体形等以对称中心对称设置的几何结构。金属壳体1的两端分别开设有耦合窗口21，波导法兰盘2开设有馈电矩形波导20，馈电矩形波导20和谐振腔10通过耦合窗口21连通，对谐振腔10进行馈电。其中，谐振腔10和馈电矩形波导20内均填充空气，金属壳体1由金属制成，或者由其它介质材料成型并在表面涂覆金属层制成。谐振腔10具有相互垂直的长轴和短轴，相邻谐振腔10的长轴垂直设置。需要说明的是，谐振腔10可在xoy平面上的某一方向进行缩放，使谐振腔10在xoy平面上形成上述相互垂直的长轴和短轴。位于金属壳体1两端的两个谐振腔10的长轴均与馈电矩形波导20的长度方向垂直设置，位于金属壳体1两端的两个谐振腔10的短轴、馈电矩形波导20的中心轴均共线设置。
上述实施例中的谐振腔波导滤波器，其谐振腔10具有非规则金属边界条件，从数学本质上改变了亥姆霍兹方程在相应金属边界条件下的解的分布，在不显著恶化谐振腔10基模Q值的前提下，重构高次模的分布，使高次模数量减少，且在频谱上远离基模；通过比例缩放，使谐振腔10具有长轴和短轴，拉开了谐振腔10在水平方向上两个极化正交的简并高次模的谐振频率，并通过设置耦合谐振腔10连续正交的缩放方向，最小化这两个极化正交的高次模的耦合系数，抑制这些高次模形成寄生通带，从而达到显著拓展滤波器无寄生阻带带宽的目的。
请参阅图1(a)，谐振腔10的数量为三个，位于金属壳体1中部的谐振腔10为第一谐振腔，与第一谐振腔连接的两个谐振腔10为第二谐振腔。图1(a)对应的实施例中，第一谐振腔的数量为一个，金属壳体1首尾两端的两个谐振腔10为第二谐振腔，两个第二谐振腔分别位于第一谐振腔的长轴的相对两端，第二谐振腔的长轴与矩形馈电波导的长度方向垂直，使各个谐振腔10连接呈共线型设置。
请参阅图2，图2本发明实施例提供的第二种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图，谐振腔10的数量为五个，位于金属壳体1中部的谐振腔10为第一谐振腔，图2对应的实施例中，第一谐振腔的数量为三个，三个第一谐振腔中，最中间的第一谐振腔的短轴两端分别连接有两个谐振腔10，位于两端的两个第一谐振腔的长轴，与两个第二谐振腔的短轴共线设置，使各个谐振腔10连接呈共线型设置。图2为五阶滤波器，且相对图1实施例的设计带宽更大。此时，用共线型的滤波器耦合拓扑不能满足滤波器无寄生阻带带宽和阻带抑制度的需求，滤波器阻带性能明显恶化。因此，需要采用其它技术手段解决上述问题。
图1和图2对应的实施例的设计原理可以归纳为：
一、根据规则谐振腔中模式的电磁场分布规律，在不影响基模电磁场分布的前提下，通过多个基本几何结构的布尔运算构造谐振腔10的非规则金属边界条件，优化高次模的分布，从数学物理本质上抑制高次模；
二、根据谐振腔10中模式的电磁场分布规律，设计缩放方向相互垂直的谐振腔10级间耦合结构15，使极化正交的高次模的耦合最小化，从而抑制高次模的传输。
除了抑制寄生通带的优势之外，谐振腔波导滤波器还具有平滑的曲面内轮廓，极大地增强了谐振腔10对CNC和3-D打印技术的工艺兼容性，谐振腔波导滤波器的加工灵活性得到显著提升。图1(a)中的滤波器用于3-D打印的加工模型如图1(b)所示，整个滤波器结构可以3-D打印成一个整体，且无论采用立体光刻或金属3-D打印工艺加工，滤波器腔体内部均无需使用任何支撑材料，所有的支撑材料均在结构外部，可大大减小3-D打印后处理工艺的难度；该滤波器结构也可以沿xoy平面拆分成上下两件腔体，用CNC工艺制造，且装配简单。
请参阅图3，图3(a)为本发明实施例提供的第三种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的立体结构图；图3(b)为本发明实施例提供的第三种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的俯视图。谐振腔10的数量为五个，首尾两个谐振腔10与与之相连的谐振腔10的耦合方向扭转了90度，即AA’⊥CC’，AA’⊥DD’，AA’∥BB’。具体地，第一谐振腔的数量为三个，最中间的第一谐振腔的短轴两端均连接有谐振腔10，其中一个第二谐振腔的长轴，与三个第一谐振腔中位于一端的第一谐振腔的短轴共线设置，另一个第二谐振腔的长轴，与三个第一谐振腔中位于另一端的第一谐振腔的短轴共线设置，使五个谐振腔10连接呈π字型。图3中的滤波器采用扭转滤波器耦合拓扑结构的方法，一定程度上抑制了高次模通过级间耦合形成寄生通带，提高了阻带抑制度。
请参阅图3(a)，位于金属壳体1两端的谐振腔10与馈电矩形波导20平滑连接，更便于3-D打印。
请参阅图4，图4(a)为本发明实施例提供的第四种谐振腔波导滤波器中用于电磁仿真的内部空气腔的侧视图；图4(b)为图4(a)中的滤波器用于CNC制造的加工模型的爆炸结构图。请参阅图4(a)，至少一个谐振腔10的高度与其它谐振腔10的高度不同，谐振腔10的几何中心不在同一平面上，谐振腔10的级间耦合和输入输出耦合窗口21的几何中心也不在同一平面上，使各个谐振腔10为不均匀的塑形非规则谐振腔10，在不影响基模通带性能的前提下，使高次模失谐，进一步抑制了寄生通带的形成，显著提高了阻带抑制度和无寄生阻带带宽。
如图4(b)所示，谐振腔波导滤波器包括上壳体11和下壳体12，可采用五轴CNC工艺加工，且装配简单；谐振腔波导滤波器也可以3-D打印成一个整体，且滤波器壳体能够去除更多的冗余结构材料，减轻重量，而且无论采用立体光刻或金属3-D打印工艺加工，滤波器腔体内部均无需使用任何支撑材料，所有的支撑材料均在结构外部，可大大减小3-D打印后处理工艺的难度。图4(b)中其余标注为：相邻谐振腔10之间的级间耦合结构15；紧固螺丝孔13，供螺丝等紧固件穿过以固定上壳体11和下壳体12；对位销钉孔14，供销钉穿过，对上壳体11和下壳体12进行定位。
可选地，谐振腔10的几何塑形方法如下：谐振腔10由半球腔100经过多次基本几何结构的布尔运算塑形，然后进行缩放得到，这些几何结构包括塑形圆环体101、第一塑形半球102和第二塑形半球103。各个谐振腔10的沿缩放方向的缩放比例可相同。图5(a)为本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器中的非规则谐振腔的构造过程示意图，展示了半球腔经过去除塑形圆环体、第一塑形半球和第二塑形半球后的剖视图；图5(b)为本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器中的非规则谐振腔沿长轴方向的剖视图。在半球腔100的基础上去除塑形圆环体101、第一塑形半球102、第二塑形半球103后，得到图5(a)，在上述布尔运算完成后，将腔体的尖锐的棱边圆角化，得到图5(b)，得到最终的具有平滑曲面内轮廓的腔体，然后对腔体在xoy平面上的任意一个方向做缩放，使腔体在xoy平面上的投影为椭圆形，从而得到上述的谐振腔10。
半球腔100的内壁包括径向切面110和半球面120，半球面120连接于径向切面110，塑形圆环体101由径向切面110的圆周向半球腔100的内部凹陷而成，第一塑形半球102由半球面120向半球腔100的内部凹陷而成，第二塑形半球103由径向切面110向半球腔100的内部凹陷而成。定义塑形过程中谐振腔10的基模和第一高次模的谐振频率分别为f0和f1。在半球腔100的基础上去除塑形圆环体101时，不会显著影响基模磁场分布，且比值f1/f0无明显变化，无载Q值显著提高；在去除第一塑形半球102时，挖去当前第一高次模磁场强度最大的空间，不显著影响基模磁场分布，比值f1/f0增大，无载Q值减小(主要因电容加载)；在去除第二塑形半球103时，挖去当前第一高次模磁场强度最大的空间，不显著影响基模磁场分布，比值f1/f0进一步增大，无载Q值略微下降(主要因电容加载)；最后，将得到的腔体壁圆角化，通过圆角挖去当前第一高次模磁场强度最大的空间，不显著影响基模磁场分布，比值f1/f0进一步增大，无载Q值略微下降(主要因腔体体积减小储能减少)。
可选地，至少一个所述谐振腔10所去除的塑形圆环体101的内径和/或外径与其它所述谐振腔10所去除的塑形圆环体101的内径和/或外径不同；和/或，至少一个所述谐振腔10所去除的第一塑形半球102的半径与其它所述谐振腔10所去除的第一塑形半球102的半径不同；和/或，至少一个所述谐振腔10所去除的第二塑形半球103的半径与其它所述谐振腔10所去除的第二塑形半球103的半径不同。如此使得各个谐振腔10为不均匀的非规则谐振腔，在不影响基模通带性能的前提下，使高次模失谐，进一步抑制了寄生通带的形成，显著提高了阻带抑制度和无寄生阻带带宽。
本发明上述的实施例中，滤波器带通的设计指标如下。
图1的实施例：中心频率10GHz，相对带宽3％，回波损耗20dB；
图2的实施例：中心频率10GHz，相对带宽5％，回波损耗20dB；
图3的实施例：中心频率10GHz，相对带宽5％，回波损耗20dB；
图4的实施例：中心频率10GHz，相对带宽5％，回波损耗20dB。
波导法兰盘2和通孔22的尺寸为国标代码BJ100标准中的WR-90标准矩形波导法兰盘2和通孔22尺寸。因图1和图4的实施例最具有技术进步的代表性，故列出这两种滤波器的其余部分关键结构尺寸如下。
图1的实施例：谐振腔10对应的原半球腔100的半径分别为11.024毫米和10.757毫米，塑形圆环体101半径均为3毫米，第一塑形半球102的半径分别为5.378毫米和6.014毫米，第二塑形半球103的半径均为3毫米，圆角半径均为3毫米(半球面120和第一塑形半球102的交接处圆角、径向切面110和第二塑形半球103交接处圆角)和2毫米(半球面120和塑形圆环体101的交接处圆角、径向切面110和塑形圆环体101的交接处圆角)，椭圆形输入输出耦合窗口21的长半轴长度为6.659毫米，短半轴长度为3.277毫米。
图4的实施例：从两端到中间，谐振腔10对应的原半球腔100的半径分别为13.021毫米、11.204毫米和11.631毫米，塑形圆环体101半径均为3毫米，第一塑形半球102的半径分别为4.912毫米、5.550毫米和5.586毫米，第二塑形半球103的半径均为3毫米，圆角半径均为3毫米(半球面120和第一塑形半球102的交接处圆角、径向切面110和第二塑形半球103交接处圆角)和2毫米(半球面120和塑形圆环体101的交接处圆角、径向切面110和塑形圆环体101的交接处圆角)，椭圆形输入输出耦合窗口21的长半轴长度为7.660毫米，短半轴长度为3.270毫米。
本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器的谐振腔10的缩放比例为，短轴与长轴的长度之比均为0.7，这是一个可选的较优值，在实际应用中，每个谐振腔10可以选择不同的缩放比例，以获得更优的滤波器阻带射频性能。
为了证明本发明实施例提供的谐振腔波导滤波器的射频性能，验证图1和图4的实施例中的滤波器具备典型的无寄生阻带带宽大和阻带抑制度高的优势，对实施例中的滤波器进行了全波电磁仿真，并将图4的实施例中的滤波器腔体结构用五轴CNC工艺加工铜成型，然后对该滤波器的散射参数进行了测量。为了加工谐振腔10的内轮廓，将滤波器拆分为上壳体11和下壳体12两部分，上壳体11和下壳体12使用销钉和螺丝进行紧固。
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的第一种谐振腔波导滤波器的内部空气腔和加工模型的仿真的散射参数(S参数)曲线图。从图6可以看出，空气腔模型和加工模型的仿真的S参数一致吻合。仿真的主模通带回波损耗优于20dB，第一个寄生通带出现在超过21GHz处，与主模通带中心频率的比大于2.1:1，阻带抑制度直至20GHz均优于20dB。
请参阅图7，图7为本发明实施例提供的第二种、第三种谐振腔波导滤波器的内部空气腔的仿真的散射参数曲线图。可以明显看出，和图1的实施例相比，图2的实施例中的滤波器的无寄生阻带范围减小至小于19GHz，寄生通带明显。图3的实施例中的滤波器虽然无寄生阻带范围扩大至超过25GHz，但在17GHz以上频段，阻带抑制度显著恶化到20dB以下。
请参阅图8，图8(a)为本发明实施例提供的第四种谐振腔波导滤波器的仿真和测量的散射参数曲线图，其中图8(a)为通带频率响应曲线，图8(b)为宽带频率响应曲线。从图8可以看出，仿真和测量的散射参数吻合良好，说明仿真结果的准确性和采用的五轴CNC工艺的高精度。测量的主模通带频率偏移小于0.2％，平均插入损耗约为1dB，回波损耗多优于18dB。通带低端回波损耗恶化至14dB和通带内仿真与测量结果的不一致性主要是由于加工误差造成的，通带低频端回波损耗恶化使得相应的插入损耗显著增大至大于1dB。滤波器的上阻带抑制度直至22GHz均优于41dB，且在大部分频段均优于60dB，超过22GHz后，寄生谐振的出现使得阻带抑制度恶化至10dB。滤波器第一个寄生通带出现在约24.6GHz处，与主模通带中心频率的比大于2.4:1。和图1、图2、图3的实施例的滤波器相比，阻带性能得到显著提升。
需要再次强调的是，虽然本发明实施例中提供的谐振腔波导滤波器不一定具有最优的谐振腔Q值，但其设计方法的有益效果在于以最小的Q值代价获得最大化的无寄生阻带范围和阻带抑制度，且不产生任何高次模的辐射。这样的滤波器电磁兼容性高，其结构对CNC和3-D打印技术的工艺兼容性高，加工灵活性得到显著提升。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所公开的塑形设计方法，可以普遍适用到其它形状的谐振腔滤波器上。参与塑形的腔体结构仅仅是示意性的，在实际应用中可以根据指标需求和不同形状的谐振腔的模式分布规律灵活选择用于塑形的腔体结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种谐振腔波导滤波器，其特征在于：包括金属壳体以及分别连接于所述金属壳体两端的两个波导法兰盘，所述金属壳体的内部具有多个依次连接的非规则的谐振腔，所述波导法兰盘开设有连通所述谐振腔的馈电矩形波导，所述谐振腔由半球腔经过多次布尔运算塑形，然后进行缩放得到，至少三个所述谐振腔呈共线式排布，所述谐振腔具有相互垂直的长轴和短轴，相邻所述谐振腔的长轴垂直设置，位于所述金属壳体两端的两个所述谐振腔的长轴均与所述馈电矩形波导的长度方向垂直设置，位于所述金属壳体两端的两个所述谐振腔的短轴、所述馈电矩形波导的中心轴均共线设置。
2.如权利要求1所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：设于所述金属壳体中部的任意一个谐振腔为第一谐振腔，与所述第一谐振腔连接的两个谐振腔设为第二谐振腔；
所述谐振腔的数量为三个，所述第一谐振腔的数量为一个，两个所述第二谐振腔分别位于所述第一谐振腔长轴的相对两侧；或者，
所述谐振腔的数量为五个，所述第一谐振腔的数量为三个，三个所述第一谐振腔中，位于两端的两个所述第一谐振腔的长轴，与两个所述第二谐振腔的短轴共线设置；或者，
所述谐振腔的数量为五个，所述第一谐振腔的数量为三个，其中一个所述第二谐振腔的长轴，与三个所述第一谐振腔中位于一端的所述第一谐振腔的短轴共线设置，另一个所述第二谐振腔的长轴，与三个所述第一谐振腔中位于另一端的所述第一谐振腔的短轴共线设置。
3.如权利要求1所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：至少一个所述谐振腔的高度与其它所述谐振腔的高度不同。
4.如权利要求1所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：所述谐振腔由半球腔去除塑形圆环体、第一塑形半球和第二塑形半球后，将棱圆角化，并将腔体沿缩放方向缩放形成，所述半球腔的内壁包括径向切面以及连接于所述径向切面的半球面，所述缩放方向与所述径向切面平行设置，所述塑形圆环体由所述径向切面的圆周向所述半球腔的内部凹陷而成，所述第一塑形半球由所述半球面向所述半球腔的内部凹陷而成，所述第二塑形半球由所述径向切面向所述半球腔的内部凹陷而成，所述谐振腔的腔壁平滑设置。
5.如权利要求4所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：至少一个所述谐振腔所去除的塑形圆环体的内径和/或外径与其它所述谐振腔所去除的塑形圆环体的内径和/或外径不同；和/或，至少一个所述谐振腔所去除的第一塑形半球的半径与其它所述谐振腔所去除的第一塑形半球的半径不同；和/或，至少一个所述谐振腔所去除的第二塑形半球的半径与其它所述谐振腔所去除的第二塑形半球的半径不同。
6.如权利要求4所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：所述第二塑形半球的球心与所述半球腔的球心重合设置，所述第一塑形半球的球心与所述第二塑形半球的球心连线垂直于所述径向切面。
7.如权利要求4所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：各个所述谐振腔沿缩放方向的缩放比例相同。
8.如权利要求1-7任一项所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：位于所述金属壳体两端的谐振腔与所述馈电矩形波导通过椭圆形截面的耦合窗口平滑或非平滑连接。
9.如权利要求1-7任一项所述的谐振腔波导滤波器，其特征在于：所述谐振腔波导滤波器可一体制造成型；或者，所述谐振腔波导滤波器包括可分体制造成型的上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体之间围合形成所述谐振腔波导滤波器。
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