CN114204236B - 一种大频率比的腔体双频宽带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大频率比的腔体双频宽带滤波器，包括：第一谐振腔，第二谐振腔，输入/输出模块，第一抽头式馈线，第二抽头式馈线，第一阶跃阻抗谐振杆，第二阶跃阻抗谐振杆，耦合窗；整个滤波器关于所述耦合窗的中心轴对称。本发明通过偏移阶跃阻抗谐振杆技术和强耦合结构，实现了小型化的结构以及大频率比的双频宽带特性。因此本发明满足大频率比的双频宽带通信系统的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种大频率比的腔体双频宽带滤波器。
背景技术
随着无线通信的迅猛发展，频谱资源如今日益紧张。为了在紧凑的结构下提高频谱利用率，多频滤波器可以在一定程度上缓解频谱资源紧张的问题，目前，最常用的多频滤波器为双频滤波器。而移动通信基站、卫星通信系统和军用通信系统中有低插损、高功率容量和高稳定性等要求。因此，具有低插损、高Q值(品质因数)、高功率容量和高稳定性等优势的腔体滤波器仍是移动通信基站、卫星通信系统和军用通信系统中的关键设备之一。
与此同时，随着无线通信向宽频化和空天地海一体化发展。高速率数据传输有赖于宽带传输，这使工作频谱的带宽变得越来越宽；而空天地海一体化的发展趋势需要大频率比的多频通信来协同。例如WLAN工作频率是2.4GHz，当它与工作于Ku频段(12GHz-18GHz)的卫星协同工作时，这种大频率比的多频协同工作对高性能的腔体双频宽带滤波器设计来说是一个巨大的挑战。
目前双频宽带滤波器大多通过平面微带结构实现，而目前已报道的腔体双频宽带滤波器的频率比都较小，大频率比的腔体双频宽带滤波器的研究难点在于如何实现腔体双频滤波器各通带带宽增加的同时，提高两个工作频带的频率比。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种大频率比的腔体双频宽带滤波器。
本发明涉及一种大频率比的腔体双频宽带滤波器，包括：第一谐振腔，第二谐振腔，输入/输出模块，第一阶跃阻抗谐振杆，第二阶跃阻抗谐振杆和耦合窗，所述大频率比的腔体双频宽带滤波器关于所述耦合窗的中心轴对称；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔均为空心长方体；所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆为所述大频率比的腔体双频宽带滤波器的双模谐振结构，用于产生形成两个通带的两个谐振模式；所述耦合窗为所述大频率比的腔体双频宽带滤波器的耦合结构，用于控制两个通带的耦合系数。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆都是由低阻抗谐振片和高阻抗谐振杆连接而成，所述高阻抗谐振杆的底端焊接在所述第一谐振腔和第二谐振腔的底面非中心位置，所述低阻抗谐振片的宽度和所述高阻抗谐振杆的焊接位置控制谐振腔的前两个谐振频率，进而控制两个通带的中心频率，所述低阻抗谐振片穿过所述耦合窗进行耦合。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述耦合窗为包括上窗口和下窗口的双窗口结构，所述上窗口用于所述低阻抗谐振片之间进行电耦合，所述下窗口用于提供所述第一谐振腔和第二谐振腔之间的磁耦合，所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆的低阻抗谐振片之间的耦合间隙和所述下窗口的尺寸控制两个通带的耦合系数。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔由六金属面围成。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述输入/输出模块包括输入端口，输出端口，第一抽头式馈线和第二抽头式馈线，所述输入端口将输入信号通过所述第一抽头式馈线发送给所述第一阶跃阻抗谐振杆；所述输出端口通过所述第二抽头式馈线接收来自于所述第二阶跃阻抗谐振杆的输出信号；所述第一抽头式馈线和所述第二抽头式馈线的高度控制着两个通带的外部品质因数。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述第一抽头式馈线为所述输入端口的同轴内导体延长线，所述第二抽头式馈线为所述输出端口的同轴内导体延长线。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述第一抽头式馈线焊接在所述第一阶跃阻抗谐振杆的高阻抗谐振杆上。
在本发明所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器中，所述第二抽头式馈线焊接在所述第二阶跃阻抗谐振杆的高阻抗谐振杆上，其焊接高度与所述第一抽头式馈线的焊接高度相等。
本发明不仅实现了两个通带中心频率和带宽都可控的腔体双频宽带滤波器，而且还实现了整个滤波器结构小型化。与此同时，高功率容量，以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，总之，该滤波器能够满足小型双频宽带通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、卫星等微波电子系统中。
附图说明
图1(a)为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器结构3维视图；
图1(b)为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器结构正视图；
图1(c)为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器结构侧视图；
图1(d)为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器结构俯视图；
图2(a)为根据本发明提出的谐振器等效结构3维视图；
图2(b)为根据本发明提出的谐振器等效结构正视图；
图2(c)为根据本发明提出的谐振器等效结构侧视图；
图3(a)为基模电场图；
图3(b)为基模磁场图；
图3(c)为三次模电场图；
图3(d)为三次模磁场图；
图4为根据本发明提出的谐振腔的前三个谐振模式随H1变化图；
图5为根据本发明提出的谐振腔的前三个谐振模式随W1变化图；
图6为根据本发明提出的耦合窗结构图；
图7为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的耦合系数随S1变化图；
图8为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的耦合系数随H2变化图；
图9为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的外部品质因数随H3变化图；
图10为根据本发明提出的滤波器的传输响应仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
在本发明中，大频率比是指第二通带的中心频率与第一通带的中心频率之比大于等于4，这样在两个通带之间实现较宽的阻带。在本发明中，优选以4为例进行说明。
为实现大频率比的腔体双频宽带滤波器，本发明通过偏移阶跃阻抗谐振杆技术和强耦合结构，提出了一种级联形式的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其具体设计原理如下：
1、大频率比的双模谐振实现原理。
本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器结构图如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。由于低阻抗谐振片穿过耦合窗进行耦合，而低阻抗谐振片之间的耦合可等效为低阻抗谐振片的一侧靠近腔壁的强耦合结构。本发明提出的谐振器等效结构图如图2(a)、图2(b)、和图2(c)所示，其中AA’和BB’均为该等效结构的对称面。图3(a)-(d)为该谐振腔中的前两个谐振模式的电磁场分布图，其中图3(a)、图3(b)、3(c)和图3(d)分别表示谐振腔内的基模电场图，基模磁场图，三次模电场图和三次模磁场图。其中阶跃阻抗结构和强耦合结构共同导致大频率比的双模谐振特性得以实现，图4为根据本发明提出的谐振腔的前三个谐振模式随H1变化图，从图中可以看出，随着H1的增加，基模谐振频率fres1下降，而三次模谐振频率fres2增加，从而增加双模谐振频率比，图中高次谐波频率fres3没有剧烈下降。图5为根据本发明提出的谐振腔的前三个谐振模式随W1变化图，从图中可以看出，随着W1的增加，高次谐波频率fres3没有剧烈下降，基模谐振频率fres1下降，而三次模谐振频率fres2基本不变，从而进一步增加双模谐振频率比，与此同时，两个谐振频率独立可控。
2、双频宽带实现原理
实现了大频率比的双模谐振器之后，滤波器的双频宽带特性由强耦合结构和馈线结构实现。本发明提出的耦合窗结构图如图6所示，耦合窗包括上窗口和下窗口两部分，其中上窗口用于低阻抗谐振片之间进行电耦合，而下窗口用于提供第一谐振腔和第二谐振腔之间的磁耦合。图7为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的耦合系数随S1变化图，第一通带的耦合系数K1和第二通带的耦合系数K2随S1增加而下降。图8为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的耦合系数随H2变化图，随着H2增加，K1一直下降，但K2下降到H2＝20mm位置后开始反向增加，这是由于图3(d)三次模磁场图中H2＝20mm位置磁场方向反转，根据图7和图8，两个通带的耦合系数可由S1和H2这两个参数控制。图9为根据本发明提出的大频率比的腔体双频宽带滤波器两个通带的外部品质因数随H3变化图，随H3增加，第一通带的外部品质因数Qe1一直降低，而第一通带的外部品质因数Qe2在降低到H3＝25mm处开始反向增加，这是由于在H3＝25mm位置电压变化开始反向，根据图9，两个通带的外部品质因数可由H3控制。根据图7，图8和图9中的数据，结合两个通带的相对带宽FBW与K值和Qe的关系式可计算出，本发明设计的滤波器两个通带的耦合系数可设计至高于0.11，而两个通带的外部品质因数可设计至低于10，因此可实现双频宽带滤波特性。
本发明的目的在于克服现有技术的不足——难以实现大频率比的小型腔体双频宽带滤波器。通过采用偏移阶跃阻抗谐振杆技术和强耦合结构，提出了一种结构紧凑、体积小、成本低、高功率容量、大频率比的腔体双频宽带滤波器。该滤波器能够满足小型化，以及高功率容量的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：采用偏移阶跃阻抗谐振杆结构从而提供大频率比的双模谐振特性，通过抽头式的馈电结构实现双频宽通带所需的低外部品质因数，以及通过双窗口耦合结构实现双频宽通带所需的高耦合系数。
本发明不仅实现了两个频率和带宽都可控的腔体双频宽带滤波器，而且还实现了整个滤波器结构小型化。与此同时，高功率容量，以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，总之，该滤波器能够满足小型双频宽带通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、卫星等微波电子系统中。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用限定于本发明。
为了清晰描述本发明，图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)是本发明的三维视图、正视图、侧视图和俯视图，一种大频率比的腔体双频宽带滤波器，包括：第一谐振腔1，第二谐振腔2，输入端口3，输出端口4，第一抽头式馈线5，第二抽头式馈线6，第一阶跃阻抗谐振杆7，第二阶跃阻抗谐振杆8，耦合窗9。
所述第一谐振腔1和第二谐振腔2都为六金属面围成的空心长方体，第一同轴腔1和第二同轴腔2有一个金属面共面为耦合窗9，输入端口3和输出端口4分别开在第一谐振腔1的输入侧和第二谐振腔2的输出侧上。
进一步地，如图1(b)所示，所述第一阶跃阻抗谐振杆7由上端(开路端)部分的低阻抗谐振片和下端(短路端)部分的高阻抗谐振杆构成，第二阶跃阻抗谐振杆8由上端(开路端)部分的低阻抗谐振片和下端(短路端)部分的高阻抗谐振杆构成，如图1(d)所示，第一阶跃阻抗谐振杆7和第二阶跃阻抗谐振杆8分别焊接在第一谐振腔1的非底面中心和第二谐振腔2的非底面中心，焊接点所在位置进行了横向偏移和纵向偏移，其横向和纵向偏移量分别控制两个腔的低阻抗谐振片之间的耦合间隙与耦合面积。所述低阻抗谐振片的宽度和所述高阻抗谐振杆的焊接位置控制两个通带的中心频率。
进一步地，所述第一抽头式馈线5为输入端口3的同轴内导体延长线，第一抽头式馈线5焊接在第一阶跃阻抗谐振杆7的高阻抗谐振杆上。如图9所示，其焊接高度H3控制两个通带的外部品质因数，所述第二抽头式馈线6为输出端口4的同轴内导体延长线。第二抽头式馈线6焊接在第二阶跃阻抗谐振杆8的高阻抗谐振杆上，其焊接高度与第一抽头式馈线5的焊接高度相等。
进一步地，所述耦合窗9为双窗口结构。图6为双窗口耦合窗结构图，上窗口尺寸较小，用于两个腔的低阻抗谐振片之间进行电耦合，下窗口尺寸较大，用于提供磁耦合，如图7和图8所示，两个腔的低阻抗谐振片之间的耦合间隙与下窗口的尺寸共同控制两个通带的耦合系数。
根据上述实施方式所实现的滤波器的腔体尺寸为长16mm，宽10.5mm,高60mm。该滤波器由金属制成，在该实施例中采用金属铝制作，并在表层镀银，以减小损耗。大频率比的腔体双频宽带滤波器的仿真结果图如图10所示。该滤波器的低频通带中心频率为1GHz，通带带宽为250MHz(FBW为25％)，高频通带中心频率为4GHz，通带带宽为1GHz(FBW为40％)，其中低频通带的外部品质因数和耦合系数分别为7.39和0.15，高频通带的外部品质因数和耦合系数分别为9.5和0.117。
本发明实施例的大频率比腔体双频宽带滤波器，具有两个较宽的宽频通带特性、较高的通带选择性、以及较小的尺寸，能够满足大频率比的双频宽带通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、遥感等微波电子系统中，值得推广。本发明包括并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，在不脱离本发明原理的前提下，可作出不同的变形和替换，例如将馈线改为螺旋型，将方形腔体改为其他形状，使用其他金属进行加工或电镀，这些变形和替换也属于本专利保护范围。
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 (6)
1.一种大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，包括：第一谐振腔，第二谐振腔，输入/输出模块，第一阶跃阻抗谐振杆，第二阶跃阻抗谐振杆和耦合窗，所述大频率比的腔体双频宽带滤波器关于所述耦合窗的中心轴线中心对称；所述第一谐振腔和所述第二谐振腔均为空心长方体；所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆为所述大频率比的腔体双频宽带滤波器的双模谐振结构，用于产生形成两个通带的两个谐振模式；所述耦合窗为所述大频率比的腔体双频宽带滤波器的耦合结构，用于控制两个通带的耦合系数；
所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆都是由低阻抗谐振片和高阻抗谐振杆连接而成，所述高阻抗谐振杆的底端焊接在所述第一谐振腔和第二谐振腔的底面非中心位置，所述低阻抗谐振片的宽度和所述高阻抗谐振杆的焊接位置控制谐振腔的前两个谐振频率，进而控制两个通带的中心频率，所述低阻抗谐振片穿过所述耦合窗进行耦合；
所述耦合窗为包括上窗口和下窗口的双窗口结构，所述上窗口用于所述低阻抗谐振片之间进行电耦合，所述下窗口用于提供所述第一谐振腔和第二谐振腔之间的磁耦合，所述第一阶跃阻抗谐振杆和所述第二阶跃阻抗谐振杆的低阻抗谐振片之间的耦合间隙和所述下窗口的尺寸控制两个通带的耦合系数。
2.根据权利要求1所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔由六金属面围成。
3.根据权利要求1所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，所述输入/输出模块包括输入端口，输出端口，第一抽头式馈线和第二抽头式馈线，所述输入端口将输入信号通过所述第一抽头式馈线发送给所述第一阶跃阻抗谐振杆；所述输出端口通过所述第二抽头式馈线接收来自于所述第二阶跃阻抗谐振杆的输出信号；所述第一抽头式馈线和所述第二抽头式馈线的高度控制着两个通带的外部品质因数。
4.根据权利要求3所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，所述第一抽头式馈线为所述输入端口的同轴内导体延长线，所述第二抽头式馈线为所述输出端口的同轴内导体延长线。
5.根据权利要求4所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，所述第一抽头式馈线焊接在所述第一阶跃阻抗谐振杆的高阻抗谐振杆上。
6.根据权利要求5所述的大频率比的腔体双频宽带滤波器，其特征在于，所述第二抽头式馈线焊接在所述第二阶跃阻抗谐振杆的高阻抗谐振杆上，其焊接高度与所述第一抽头式馈线的焊接高度相等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20220919 Address after: No.28, Xueyuan Road, Qingyuan District, Ji'an City, Jiangxi Province Applicant after: JINGGANGSHAN University Applicant after: MOBI TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGIES (JI'AN) Co.,Ltd. Address before: No.28, Xueyuan Road, Qingyuan District, Ji'an City, Jiangxi Province Applicant before: JINGGANGSHAN University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230517 Address after: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: No.28, Xueyuan Road, Qingyuan District, Ji'an City, Jiangxi Province Patentee before: JINGGANGSHAN University Patentee before: MOBI TELECOMMUNICATIONS TECHNOLOGIES (JI'AN) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230523 Address after: No. 88 Youkeyuan Road, Donghu New Technology Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430205 Patentee after: CITIC Mobile Communication Technology Co.,Ltd. Patentee after: Wuhan Hongxin Technology Development Co.,Ltd. Address before: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee before: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 430205 No.1 tanhu 2nd Road, Canglong Island, Jiangxia District, Wuhan City, Hubei Province Patentee after: CITIC Mobile Communication Technology Co.,Ltd. Patentee after: Wuhan Hongxin Technology Development Co.,Ltd. Address before: No. 88 Youkeyuan Road, Donghu New Technology Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430205 Patentee before: CITIC Mobile Communication Technology Co.,Ltd. Patentee before: Wuhan Hongxin Technology Development Co.,Ltd. |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |