CN114284656B - 一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，利用矩形双模介质波导谐振器的一对高次模（TM₂₁₀模和TM₁₂₀模），设计出一种新型频率和带通可控的双通带滤波器。两个通带分别由TM₂₁₀模和TM₁₂₀模构建。通过改变谐振器的长和宽，实现了两个模式谐振频率的独立可控，从而可以独立控制两个通带的频率；通过改变谐振器上不同位置金属化盲孔的深度，实现了两个通带耦合系数的独立可控，从而可以独立控制两个通带的带宽。

Description

一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器

技术领域

本发明涉及通信设备组件技术领域，尤其涉及一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器。

背景技术

现代信息通信产业发展迅速，移动通信系统也在不断更新换代。微波滤波器作为移动通信系统的关键元件之一，一直保持着发展和更新。对于5G及未来移动通信系统，基站滤波器的总体用量大大提升，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。介质波导滤波器是通过在一体成型的高介电常数、低损耗介质陶瓷结构表面金属化来实现的，可以很好地满足5G及未来移动通信系统的低损耗、小型化、轻量化等要求。同时，移动通信系统覆盖的频段越来越多，如果不同频段使用各自的滤波器，将会导致滤波器的数量成倍增加。双通带或多通带滤波器可以实现单个滤波器覆盖两个或多个频段，从而减少滤波器的数量。相比单通带滤波器，双通带或多通带滤波器的设计更为复杂，主要体现在各通带频率及带宽的独立可控。基于此，本发明基于双模介质谐振器提出了一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器。

为了实现本发明目的，本发明提供的频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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下表面的金属层电连接，

所述介质块包含通过表面金属化的通槽分隔开的矩形的第一谐振器和第二谐振器，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对应边长的四分之一；

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；所述盲孔和金属圆盘按顺时针或逆时针方向依次按序编号；其特征在于：

印刷电路板的上表面设置有四根与印刷电路板上表面金属层绝缘的微带线，其中，第一微带线包括设置有输入端口的第一端和与该输入端口连接的第二端和第三端，第一微带线的第二端和第三端分别与第一金属圆盘、第二金属圆盘电连接；第二微带线包括设置有输出端口的第一端和与该输出端口连接的第二端和第三端，第二微带线的第二端和第三端分别与第五金属圆盘、第八金属圆盘电连接；第三微带线两端分别与第三金属圆盘和第七金属圆盘电连接；第四微带线两端分别与第四金属圆盘和第六金属圆盘电连接。

进一步的，信号由第一微带线的输入端口输入并分为两路，一路依次经第一微带线第二端、第一金属圆盘到达第一盲孔，以激励第一谐振器的TM₂₁₀模；另一路依次经第一微带线第三端、第二金属圆盘到达第二盲孔（612），以激励第一谐振器的TM₁₂₀模。第一谐振器和第二谐振器分别具有构建低频通带的TM₂₁₀模和构建高频通带的TM₁₂₀模，第一谐振器的TM₂₁₀模与第二谐振器的TM₂₁₀模通过第三微带线进行耦合传输；第一谐振器的TM₁₂₀模与第二谐振器的TM₁₂₀模通过第四微带线进行耦合传输。第二谐振器的TM₂₁₀模依次经第五盲孔、第五金属圆盘、第二微带线的第二端后从输出端口输出；第二谐振器的TM₁₂₀模依次经第八盲孔、第八金属圆盘、第二微带线的第三端后从输出端口输出。

本发明利用矩形双模介质波导谐振器的一对高次模（TM₂₁₀模和TM₁₂₀模），设计出一种新型频率和带通可控的双通带滤波器。两个通带分别由TM₂₁₀模和TM₁₂₀模构建。通过改变谐振器的长和宽，实现了两个模式谐振频率的独立可控，从而可以独立控制两个通带的频率；通过改变谐振器上不同位置金属化盲孔的深度，实现了两个通带耦合系数的独立可控，从而可以独立控制两个通带的带宽。

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4-1是频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器的三维爆炸图。

图4-2是滤波器介质部分示意图：（a）俯视图，（b）正视图。

图4-3是滤波器PCB部分示意图。

图5是本发明实施例双通带介质波导滤波器的仿真结果。

图6是滤波器频率随谐振器长度cl的变化仿真结果。

图7是滤波器频率随谐振器宽度cw的变化仿真结果。

图8是滤波器带宽随盲孔深度h ₁的变化仿真结果。

图9是滤波器带宽随盲孔深度h ₂的变化仿真结果。

图10是滤波器频率随谐振器长度cl的变化曲线。

图11是滤波器频率随谐振器宽度cw的变化曲线。

图12是谐振器之间相同模式耦合系数k随盲孔深度h ₁的变化曲线。

图13是谐振器之间相同模式耦合系数k随盲孔深度h ₂的变化曲线。

图14是滤波器外部品质因数Qe随馈线宽度w ₁的变化曲线。

图15是滤波器外部品质因数Qe随馈线宽度w ₂的变化曲线。

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2-1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；图2-2所示，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）。

滤波器实施例

如图4所示，本实施例频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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611、第二盲孔612、第三盲孔613、第四盲孔614），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621、第六盲孔622、第七盲孔623、第八盲孔624），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对应边长的四分之一。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。如图4所示的本实施例中，两个谐振器的盲孔按顺时针方向依次按序编号，除此之外还可以按照逆时针排布。

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511、第二金属圆盘512、第三金属圆盘513、第四金属圆盘514、第五金属圆盘521、第六金属圆盘522、第七金属圆盘523、第八金属圆盘524，本例中，金属圆盘也按照顺时针方向依次按序编号）。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的上表面设置有四根与印刷电路板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，第一微带线31用于信号输入，第二微带线32用于信号输出，第三微带线33、第四微带线34分别用于两个谐振器模式TM₂₁₀和模式TM₁₂₀的耦合传输）。其中，第一微带线31具有三个分支，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411与第一金属圆盘511电连接，第一微带线31的第三端通过贯穿印刷电路板2的第二金属化通孔412与第二金属圆盘5112电连接。第二微带线32也具有三个分支，第二微带线32的第一端设置有输出端口P2，第二微带线32的第二端通过贯穿印刷电路板2的第五金属化通孔421与第五金属圆盘521电连接，第二微带线32的第三端通过贯穿印刷电路板2的第八金属化通孔424与第八金属圆盘524电连接。第三微带线33的第一端通过贯穿印刷电路板2的第三金属化通孔413与第三金属圆盘513电连接，第三微带线33的第二端通过贯穿印刷电路板2的第七金属化通孔423与第七金属圆盘523电连接。第四微带线34的第一端通过贯穿印刷电路板2的第四金属化通孔414与第四金属圆盘514电连接，第四微带线34的第二端则通过贯穿印刷电路板2的第六金属化通孔422与第六金属圆盘522电连接。

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。

下面描述该滤波器的工作过程：

第一谐振器11和第二谐振器12分别具有构建低频通带的TM₂₁₀模和构建高频通带的TM₁₂₀模。信号由第一微带线31的输入端口P1输入，依次经第一微带线31第二端、第一金属圆盘511到达第一盲孔611，以激励第一谐振器11的TM₂₁₀模；依次经第一微带线31第三端、第二金属圆盘512到达第二盲孔612，以激励第一谐振器11的TM₁₂₀模。第一谐振器11的TM₂₁₀模与第二谐振器12的TM₂₁₀模通过第三微带线33进行耦合传输；第一谐振器11的TM₁₂₀模与第二谐振器12的TM₁₂₀模通过第四微带线34进行耦合传输。第二谐振器12的TM₂₁₀模依次经第五盲孔621、第五金属圆盘521、第二微带线32的第二端后从输出端口P2输出；第二谐振器12的TM₁₂₀模依次经第八盲孔624、第八金属圆盘524、第二微带线32的第三端后从输出端口P2输出。两个模式分别构建一个通带，从而形成一个双通带滤波器。

本发明是一种基于双模介质波导谐振器的双通带滤波器，图5给出了上述双模双通带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3490MHz-3610MHz、3780 MHz-3930MHz，覆盖了n77频段的3500MHz-3600MHz和3800 MHz-3900MHz两个100MHz频带，验证了本发明的可行性与实用性。此外，还研究了两个通带的频率与带宽独立可控特性，下文所涉及的重要物理参数均在图4-2和图4-3中标注。如图6、图7、图8、图9所示。图6展现了随着谐振器长度cl的增加，滤波器的低频通带整体向低频处移动，而高频通带基本保持不动；图7展现了随着谐振器宽度cw的增加，滤波器的高频通带明显整体向低频处移动，低频通带微微向低频处移动，相较于高频通带的移动幅度，低频通带的移动程度小很多。综合图6和图7，表现了该双通带滤波器两个通带频率是独立可控的。图8展现了随着谐振器上TM₂₁₀模电场最强点设置盲孔的深度h ₁的增加，滤波器的低频通带的带宽变大，而高频通带的带宽基本保持不变；图9展现了随着谐振器上TM₁₂₀模电场最强点设置盲孔的深度h ₂的增加，滤波器的高频通带的带宽变大，而低频通带基本保持不动。综合图8和图9，表现了该双通带滤波器两个通带带宽是独立可控的。

为了从原理上进一步说明上述频率和带宽的独立可控能力，图10-图15做了详细的参数仿真。图10、11中f ₂₁是模式TM₂₁₀的谐振频率，亦代表了低频通带的中心频率，f ₁₂是模式TM₁₂₀的谐振频率，亦代表了高频通带的中心频率。由图10可知，随着谐振器长度cl的增加，f ₂₁逐渐减小，f ₁₂基本保持不变；由图11可知，随着谐振器宽度cw的增加，f ₁₂明显减小，f ₂₁对应的曲线也逐渐下降，相较于f ₁₂的变化，f ₂₁的变化缓慢很多。综合图10和图11，表现了该双通带滤波器两个通带频率的独立可控，并且图10与图11的两个通带频率的变化趋势与图6和图7相符合，更为直观地表现了双通带的频率是独立可控的。图12、13中k ₂₁是两个谐振器之间模式TM₂₁₀的耦合系数，k ₁₂是两个谐振器之间模式TM₁₂₀的耦合系数。由图12可知，随着盲孔深度h ₁的增加，k ₂₁明显变大，k ₁₂基本保持不变，因此，随着盲孔深度h ₁的增加，低频通带的带宽变大，高频通带带宽保持不变；由图13可知，随着盲孔深度h ₂的增加，k ₁₂明显变大，k ₂₁基本保持不变，因此，随着盲孔深度h ₂的增加，高频通带的带宽变大，低频通带带宽保持不变。综合图12和图13，表现了该双通带滤波器两个通带带宽的独立可控，并且图12与图13的两个通带带宽的变化趋势与图8和图9相符合，更为直观地表现了双通带的带宽是独立可控的。理论上，谐振器之间的耦合系数发生改变时，其对应的外部品质因数也会随之发生变化，因此带宽的独立可控除了要求耦合系数独立可控，还要求两个通带的外部品质因数独立可控。图14、15中的Q _e21是模式TM₂₁₀的外部品质因数，Q _e12是模式TM₁₂₀的外部品质因数。图14展现了随着馈线宽度w ₁变大，Q _e21变化迅速，Q _e12基本保持不变；图15展现了随着馈线宽度w ₂变大，Q _e12变化明显，Q _e21基本保持不变。综合图14和图15，两个通带的外部品质因数是独立可控的。

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 (5)

1.一种频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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，

所述介质块（1）包含通过表面金属化的通槽（9）分隔开的矩形的第一谐振器（11）和第二谐振器（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对应边长的四分之一；

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金属圆盘电连接；所述盲孔和金属圆盘按顺时针或逆时针方向依次按序编号；其特征在于：

印刷电路板（2）的上表面设置有四根与印刷电路板（2）上表面金属层绝缘的微带线（31、32、33、34），其中，第一微带线（31）包括设置有输入端口（P1）的第一端和与该输入端口（P1）连接的第二端和第三端，第一微带线（31）的第二端和第三端分别与第一金属圆盘（511）、第二金属圆盘（512）电连接；第二微带线（32）包括设置有输出端口（P2）的第一端和与该输出端口（P2）连接的第二端和第三端，第二微带线（32）的第二端和第三端分别与第五金属圆盘（521）、第八金属圆盘（524）电连接；第三微带线（33）两端分别与第三金属圆盘（513）和第七金属圆盘（523）电连接；第四微带线（34）两端分别与第四金属圆盘（514）和第六金属圆盘（522）电连接；

信号由第一微带线（31）的输入端口（P1）输入，依次经第一微带线（31）第二端、第一金属圆盘（511）到达第一盲孔（611），以激励第一谐振器（11）的TM₂₁₀模；依次经第一微带线（31）第三端、第二金属圆盘（512）到达第二盲孔（612），以激励第一谐振器（11）的TM₁₂₀模；

第一谐振器（11）和第二谐振器（12）分别具有构建低频通带的TM₂₁₀模和构建高频通带的TM₁₂₀模，第一谐振器（11）的TM₂₁₀模与第二谐振器（12）的TM₂₁₀模通过第三微带线（33）进行耦合传输；第一谐振器（11）的TM₁₂₀模与第二谐振器（12）的TM₁₂₀模通过第四微带线（34）进行耦合传输；

第二谐振器（12）的TM₂₁₀模依次经第五盲孔（621）、第五金属圆盘（521）、第二微带线（32）的第二端后从输出端口（P2）输出；第二谐振器（12）的TM₁₂₀模依次经第八盲孔（624）、第八金属圆盘（524）、第二微带线（32）的第三端后从输出端口（P2）输出。

2.根据权利要求1所述的频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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所述的频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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所述的频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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所述的频率和带宽独立可控的双通带介质波导滤波器，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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