CN114204237B - 一种小频率比的小型介质加载双频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小频率比的小型介质加载双频滤波器，包括：第一双模谐振腔，第二双模谐振腔，和耦合窗；整个滤波器关于所述耦合窗的中心面对称。所述第一双模谐振腔内包括：矩形金属耦合片，第一金属三饼片加载谐振杆，第二金属三饼片加载谐振杆，第一介质基片，第二介质基片，第三介质基片，第一支撑介质，第二支撑介质。本发明通过采用新型双模谐振结构和多层介质基片加载技术，实现了尺寸极小的小频率比的腔体双频滤波特性。因此本发明满足小频率比的小型双频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

一种小频率比的小型介质加载双频滤波器

技术领域

本发明涉及一种微波技术领域，尤其涉及一种小频率比的小型介质加载双频滤波器。

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)、小尺寸、高功率容量和高温度稳定性等优势的介质加载滤波器是移动通信基站、卫星通信系统和军用通信系统中的关键设备之一。

目前的介质加载滤波器都是采用介质谐振器实现，但介质谐振器存在谐波抑制较难，异形介质谐振器加工难且成本高等问题，而且对于小频率比的小型介质加载双频滤波器来说，两个通带频率和带宽的控制比较难。因此阻带特性良好的小频率比的小型介质加载双频滤波器设计来说是一个巨大的挑战。

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，提供一种小频率比的小型介质加载双频滤波器。

本发明涉及一种小频率比的小型介质加载双频滤波器，包括：第一双模谐振腔，第二双模谐振腔和耦合窗；所述小频率比的小型介质加载双频滤波器关于所述耦合窗的中心面对称；所述第一双模谐振腔和所述第二双模谐振腔均为空心长方体且内部结构均为镜像的对称结构；

所述第一双模谐振腔和所述第二双模谐振腔内分别包括：金属耦合片，第一金属三饼片加载谐振杆，第二金属三饼片加载谐振杆，第一介质基片，第二介质基片，第三介质基片以及支撑模块；所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆为所述小频率比的小型介质加载双频滤波器的谐振结构，用于产生形成两个通带的谐振模式；所述第一介质基片，第二介质基片和第三介质基片的结构完全相同，嵌套在所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间，用于控制两个谐振模式的谐振频率；所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间的距离则用于进一步控制两个谐振模式的谐振频率；所述耦合窗为所述小频率比的小型介质加载双频滤波器的耦合结构，用于控制两个通带的耦合系数；所述支撑模块用于支撑固定所述第一介质基片、所述第二介质基片、所述第三介质基片、所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆都是由三片同尺寸的金属圆饼片加载在同一金属圆柱杆而成，所述金属圆柱杆的底端均焊接在所述第一双模谐振腔的底面。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述第一介质基片，所述第二介质基片和所述第三介质基片均为带有两个孔的方形片式结构，所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆的金属圆柱杆穿过所述两个孔实现嵌套。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述耦合窗为三窗口结构，包括上窗口，左窗口和右窗口，所述左窗口和所述右窗口用于提供第一通带和第二通带的主耦合，所述上窗口的宽度控制第二通带的耦合系数。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述支撑模块包括第一支撑介质和第二支撑介质，所述第一介质基片，所述第二介质基片和所述第三介质基片均匀嵌套在所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆内，所述第一支撑介质和第二支撑介质位于所述第三介质基片和腔底之间。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述金属耦合片与输入端口的同轴内导体相连用于馈电。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，所述金属耦合片为矩形金属耦合片；所述矩形金属耦合片的长边尺寸和短边尺寸用于控制两个通带的外部品质因数。

在本发明所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器中，本发明不仅实现了两个通带中心频率和带宽都可控的小频率比的双频滤波器，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，以及阻带特性良好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为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的3维视图；

图2(a)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的3维视图；

图2(b)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的正视图；

图2(c)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的俯视图；

图3(a)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的TM₁₁模电场图；

图3(b)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的TM₁₁模磁场图；

图3(c)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的TM₀₁模电场图；

图3(d)为根据本发明提出的第一双模谐振腔的TM₀₁模磁场图；

图4为根据本发明提出的第一双模谐振腔的前两个谐振模式频率随第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间的距离S₁变化图；

图5为根据本发明提出的第一双模谐振腔内部装配图；

图6为根据本发明提出的第一双模谐振腔的前两个谐振模式频率随加载介质基片的片数n变化图；

图7为根据本发明提出的耦合窗结构图；

图8为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的|S₁₁|随W₁变化图；

图9为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的|S₁₁|参数随H₁变化图；

图10为根据本发明提出的馈电结构的俯视图；

图11为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的|S₁₁|参数随L₁变化图；

图12为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的|S₁₁|参数随L₂变化图；

图13为根据本发明提出的小频率比的小型介质加载双频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。

在本申请中，小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小于等于1.1，两个通带的位置很靠近。在本发明中，优选以1.1为例进行说明。。

为实现小频率比的小型介质加载双频滤波器，本发明通过采用新型双模谐振结构和多层介质基片加载技术，其具体设计原理如下：

1、小频率比的双模谐振实现原理。

本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器结构图如图1所示。本发明提出的第一双模谐振腔结构图如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示。图3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TM₁₁模电场图，TM₁₁模磁场图，TM₀₁电场图和TM₀₁磁场图。如图4所示，其中第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间的距离S₁的变化可以只影响TM₁₁模而不影响TM₀₁模，从图中可以看出，随着S₁的增加，TM₁₁模谐振频率f₁增大，而TM₀₁模谐振频率f₂不变，从而实现小频率比的双模谐振频率可控。

2、多层介质基片加载技术实现小型化的原理

本发明提出的第一双模谐振腔内部装配图如图5所示，三层尺寸相同的介质基片嵌套在第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆上，为了便于加工，金属三饼片中的下方两片加工成圆环形式便于组装，最后支撑介质套在第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆上，用于实现支撑介质基片和金属圆环的作用，如图6所示，第一双模谐振腔的前两个谐振模式(TM₁₁模和TM₀₁模)的谐振频率随着介质基片的放入而下降，由于谐振频率和尺寸成反比，在外腔尺寸不变的情况下，谐振频率的下降意味着实现了谐振腔的小型化。

本发明的目的在于克服现有技术的不足——难以实现尺寸极小的小频率比的腔体双频滤波器。通过采用新型双模谐振结构和多层介质基片加载技术，提出了一种结构紧凑、体积小、成本低、高功率容量的腔体双频滤波器。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：采用多层介质基片加载技术实现谐振腔的小型化，通过采用新型双模谐振结构从而实现小频率比、中心频率和带宽都可控的双频特性。

本发明不仅实现了两个频率和带宽都可控的小型腔体双频滤波器，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频率比的小型双频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是本发明提出的小频率比的小型介质加载双频滤波器的3维视图，一种小频率比的小型介质加载双频滤波器，包括：第一双模谐振腔1，第二双模谐振腔2，输入端口3，输出端口4，耦合窗5。

所述第一双模谐振腔1和第二双模谐振腔2都为六金属面围成的空心长方体，第一双模谐振腔1和第二双模谐振腔2有一个金属面共面为耦合窗5，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，整个滤波器结构关于耦合窗5的中心面对称。

进一步地，图2(a)、图2(b)和图2(c)为本发明提出的第一双模谐振腔1的内部结构图，所述第一双模谐振腔1包括：矩形金属耦合片1a，第一金属三饼片加载谐振杆1b，第二金属三饼片加载谐振杆1c，第一介质基片1d，第二介质基片1e，第三介质基片1f，第一支撑介质1g，第二支撑介质1h。

进一步地，所述第一双模谐振腔1内部的装配情况如图5所示，所述第一介质基片1d，第二介质基片1e和第三介质基片1f均匀嵌在第一金属三饼片加载谐振杆1b和第二金属三饼片加载谐振杆1c内，所述第一支撑介质1g和第二支撑介质1h位于第三介质基片1f和腔底之间，用于支撑上述谐振杆和介质基片，所述矩形金属耦合片1a与输入端口3的同轴内导体相连用于馈电。

进一步地，所述耦合窗5的结构图如图7所示，该耦合窗为三窗口结构：上窗口，左窗口和右窗口，由于TM₁₁模为偶模，因此上窗口的宽度W1的变化对TM₁₁模的耦合系数影响较小。如图8所示，随着宽度W1的增加，由TM₁₁模实现的第一通带的带宽几乎不变，而由TM₀₁模实现的第二通带的带宽增加。如图9所示，随着左窗口和右窗口的高度H1的增加，两个通带的带宽都增加，变化趋势一致，因此综合图8和图9，参数W1和H1共同控制两个通带的耦合系数。

进一步地，本发明提出的馈电结构如图10所示，所述矩形金属耦合片1a从馈点位置起的两个延伸长度分别为L1和L2，其中长度L1为沿短边馈线方向延伸的长度，而长度L2为沿长边馈线方向延伸的长度。如图11所示，随着长度L1的增加，第一通带的带宽增加，外部品质因数也增加，而第二通带的带宽减小，外部品质因数也减小。与此不同，如图12所示，随着长度L2的增加，第一通带和第二通带的带宽都减小，外部品质因数都减小，这种不同的变化趋势使得参数L1和L2可以共同控制两个通带的外部品质因数。

所述第二双模谐振腔2的结构和所述第一双模谐振腔1相同，在此不再累述了。

根据上述实施方式所实现的滤波器的腔体尺寸为长23mm，宽16mm,高17.2mm。该滤波器的腔体由金属制成，在该实施例中采用金属铝制作，并在表层镀银，以减小损耗，在该实施例中的介质基片的介电常数为38.5，支撑介质的介电常数为2.2。小频率比的小型介质加载双频滤波器的仿真结果图如图13所示。该滤波器的低频通带中心频率为0.95GHz，通带带宽为6MHz(FBW为0.6％)，高频通带中心频率为1.05GHz，通带带宽为18MHz(FBW为1.8％)。

本发明实施例的小频率比的小型介质加载双频滤波器，具有两个较窄的通带特性和极小的尺寸，能够满足小频率比的双频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，例如将矩形金属耦合片改为圆形，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 (5)

1.一种小频率比的小型介质加载双频滤波器，其特征在于，包括：第一双模谐振腔，第二双模谐振腔和耦合窗；所述小频率比的小型介质加载双频滤波器关于所述耦合窗的中心面对称；所述第一双模谐振腔和所述第二双模谐振腔均为空心长方体且内部结构均为镜像的对称结构；

所述第一双模谐振腔和所述第二双模谐振腔内分别包括：金属耦合片，第一金属三饼片加载谐振杆，第二金属三饼片加载谐振杆，第一介质基片，第二介质基片，第三介质基片以及支撑模块；所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆为所述小频率比的小型介质加载双频滤波器的谐振结构，用于产生形成两个通带的谐振模式；所述第一介质基片，第二介质基片和第三介质基片的结构完全相同，嵌套在所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间，用于降低两个谐振模式的谐振频率；所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆之间的距离则用于进一步控制两个谐振模式的谐振频率；所述耦合窗为所述小频率比的小型介质加载双频滤波器的耦合结构，用于控制两个通带的耦合系数；所述支撑模块用于支撑固定所述第一介质基片、所述第二介质基片、所述第三介质基片、所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆；

所述第一金属三饼片加载谐振杆和第二金属三饼片加载谐振杆都是由三片同尺寸的金属圆饼片加载在同一金属圆柱杆而成；

所述第一介质基片，所述第二介质基片和所述第三介质基片均为带有两个孔的方形片式结构，所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆的金属圆柱杆穿过所述两个孔实现嵌套；

所述支撑模块包括第一支撑介质和第二支撑介质，所述第一介质基片，所述第二介质基片和所述第三介质基片均匀嵌套在所述第一金属三饼片加载谐振杆和所述第二金属三饼片加载谐振杆内，所述第一支撑介质和第二支撑介质位于所述第三介质基片和腔底之间。

2.根据权利要求1所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器，其特征在于，所述金属圆柱杆的底端均焊接在所述第一双模谐振腔的底面。

3.根据权利要求1所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器，其特征在于，所述耦合窗为三窗口结构，包括上窗口，左窗口和右窗口，所述左窗口和所述右窗口用于提供第一通带和第二通带的主耦合，所述上窗口的宽度控制第二通带的耦合系数。

4.根据权利要求1所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器，其特征在于，所述金属耦合片与输入端口的同轴内导体相连用于馈电。

5.根据权利要求4所述的小频率比的小型介质加载双频滤波器，其特征在于，所述金属耦合片为矩形金属耦合片；所述矩形金属耦合片的长边尺寸和短边尺寸用于控制两个通带的外部品质因数。

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