CN114665243A - 一种类球双模谐振腔、波导滤波器及波导多工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类球双模谐振腔、波导滤波器及波导多工器，涉及无线通信滤波器件领域，类球双模谐振腔包括分裂球体腔和圆柱微扰腔，通过在一对半球腔间内嵌同样直径的圆柱微扰腔实现；类球谐振腔支持两个正交的谐振模式，模式间的耦合无需再通过外加结构实现，通过不同角度的分裂并调节微扰腔的厚度可实现模式的调谐及模式间的耦合；波导滤波器结构包括输入输出耦合结构、两个类球双模谐振腔和一个椭圆柱形耦合结构；本发明公开的滤波器腔体结构无任何突变，因此物理结构更连续和流畅，易实现一体化加工，阻带抑制效果更好，不易出现寄生模式；本发明还提供了一种基于该结构滤波器的多工器设计思路。

Description

一种类球双模谐振腔、波导滤波器及波导多工器

技术领域

本发明涉及无线通信滤波器件领域，尤其涉及一种类球双模谐振腔、波导滤波器及波导多工器。

背景技术

由于通信系统频谱日益紧张和高数据率的要求，通信系统的频率不断向高频扩展，且频段越来越多，通信系统越来越复杂，低损耗、低成本、小型化等成为对毫米波器件性能的必然要求。作为频率选择装置，滤波器是各类通信系统必不可少的组成部分，波导腔体滤波器由于具有低插损、高Q值、大功率容量等诸多优势，得到了广泛的应用。但是单模波导腔体滤波器的带外抑制能力不够强，且常见的通过增加级数来提升滤波器性能的方式存在一定的缺点，例如会增大滤波器的体积、提高生产成本和增加插入损耗等，所以在各类通信系统中应用较多的是多模波导滤波器。多模滤波器的设计能够以相同的体积实现更高的滤波器阶数，获得更好的滤波性能，同时在此基础上设计的多工器能够进一步提高通信系统的集成化，因此对多模波导滤波器和多工器的研究具有很重要的工程和学术价值。

在多模滤波器和多工器的设计中，多模腔内的模式调谐以及模式间的耦合通常是通过添加微扰结构实现的，这些微扰结构一般比较小，但是对器件的性能影响却非常大，微小的体积变化都会引起性能的恶化，这样就给多模滤波器和多工器的设计带来了困难。此外，增加微扰结构不可避免的破坏了腔体原有的结构，因此可能会产生高次模，影响滤波器的无杂散阻带带宽特性。同时，由于对加工误差比较敏感，也给加工工艺带来了更高的要求，这与低成本的发展趋势是相违背的。而且，多模腔内模式的复杂性和结构的敏感性也为后期调试工作带来了困难。

增材制造(AM)技术能实现器件的一体化加工，避免器件加工过程中的装配误差和后期大量的调试工作，能加工传统减材制造技术所不能实现的复杂结构。但是由于增材制造技术应用较多的是基于光敏树脂材料的SLA技术或基于金属材料的SLM技术，除了通常的加工工艺误差外，很多时候在加工过程中内部需要使用支撑材料，这些支撑材料在后期难以去除干净，对器件性能会造成影响，特别是对于像滤波器和多工器这样的结构敏感性器件，从而会造成进一步的误差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种类球双模谐振腔、波导滤波器及波导多工器，提出新的适用于增材制造技术的滤波器和多工器设计结构(调谐、耦合结构)来实现器件的自支撑一体化成形加工，旨在设计一种结构连续、不产生高次模、带外抑制特性较好、对工艺敏感度低、加工过程中内部无需支撑材料和后期无需调试的双模波导滤波器和多工器结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种类球双模谐振腔，包括一个劈开的球形谐振腔和三个微扰圆柱腔，在球形腔一个轴向方向上分别进行水平、垂直和斜45°三个角度的对称分割，微扰圆柱腔均位于分裂处所形成的两个半球的中间，其直径与球体直径保持一致，微扰圆柱腔与分裂球体腔融为一体，分裂球体中TM101电磁模式在轴向方向上垂直简并，通过调节水平和垂直方向微扰圆柱腔的厚度对简并模式的谐振频率进行微调，斜45°的微扰圆柱腔用来调节简并模式之间的耦合。

随水平和垂直方向上微扰圆柱腔厚度增加，谐振频率往低频移动；随斜45°方向上微扰圆柱腔厚度的增加，模式之间的耦合增强。

同时提供一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器，包括从输入端到输出端依次连接的输入端耦合结构、第一类球双模谐振腔、椭圆柱形耦合膜片、第二类球双模谐振腔和输出端耦合结构，第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔均基于本发明所述类球双模谐振腔，第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔的直径相等，水平、垂直和斜45°方向上的用于调谐和模式间耦合的三个微扰圆柱腔厚度分别也相等，其中两个倾斜的圆柱腔之间的夹角为90°，用于在电磁波传输的过程中产生一对传输零点。

第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔之间的耦合结构为一个椭圆柱形的膜片。

椭圆柱形的膜片的长度等于第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔球心之间的距离。

椭圆柱形的膜片截面椭圆的长轴为w₁＝9.687mm，短轴为l₁＝7.017mm。

输入输出耦合结构的宽度为WR-62标准矩形波导法兰的宽度，b＝7.899mm，第一阶梯的长度与WR-62标准波导法兰长度相同，a＝15.799mm，高度h₁＝3.693mm，第二阶梯的短边长度为c＝9.19mm，高度为h₂＝3.307mm，第三阶梯的高度为h₃＝2.678mm。

本发明还提供一种基于类球双模谐振腔的波导多工器，整体结构呈现为类鱼骨型，分歧波导管周期性地加载了工作在不同频段的第一波导滤波器、第二波导滤波器和第三波导滤波器；分歧波导管的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段，其终端为一个约四分之一波导波长距离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算得到，三个波导滤波器基于本发明所述的波导滤波器结构实现，在两个类球双模谐振腔之间的耦合结构实现形式上有不同，具体采用的是两个正交的椭圆柱形的耦合膜片，相邻波导滤波器的间隔距离约为半个波导波长的距离；波导传输的电磁波工作在TE10模式下，通过每个波导滤波器的输入耦合端转换为类球双模谐振腔的TM101模式。

波导与腔体之间的连接处均做倒圆角处理，采用3D工艺成型。

三个输出端口通过弯曲波导朝向不同的方向。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明将微扰圆柱腔与分裂球体腔融为一体，分裂球体中TM101电磁模式在轴向方向上垂直简并，通过调节水平和垂直方向微扰圆柱腔的厚度对简并模式的谐振频率进行微调，斜45°的圆柱微扰腔用来调节简并模式之间的耦合；这种调谐和耦合结构对工艺的敏感度很低，且结构上完全没有突变，可以很好地减小由于加工工艺误差带来的滤波器性能恶化和突变结构引入的高次模等问题。

进一步的，在设计波导滤波器时，对于第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔，其水平、垂直和斜45°方向上的用于调谐和模式间耦合的三个微扰圆柱腔厚度分别也相等，其中两个倾斜的圆柱腔之间的夹角为90°，能在电磁波传输的过程中产生一对传输零点，能增强阻带的抑制效果。此外，第一类球双模谐振腔和第二类球双模谐振腔之间的耦合结构为一个椭圆柱形的膜片，相比两个正交的矩形膜片来说，具有更少的不连续性，同样有助于降低整体结构对工艺的敏感度。

进一步的，在设计波导多工器时，所述的基于类球双模谐振腔的波导多工器是将工作在不同频段的波导滤波器周期性地加载在分歧波导管上来实现，波导的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段，多工器的整体结构呈现为类鱼骨型，相邻波导滤波器的间隔距离约半个波导波长

的距离，分歧波导管的终端为一个约四分之一波导波长

距离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算。波导传输的电磁波工作在TE10模式下，通过每个波导滤波器的输入耦合端转换为类球双模谐振腔的TM101模式，此外，为了减少加工误差对滤波器性能造成的影响，使器件的形状更适用于3D打印的加工方式，可以在波导与腔体之间的连接处做倒圆角处理。

进一步的，三个输出端口并非沿着同一方向，而是通过弯曲波导朝向不同的方向，其原因是考虑到相邻波导滤波器输出端口之间的距离比较近，而测试法兰盘的尺寸比较大，避免测试法兰盘的排布之间起冲突。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术方案，下面将对实施例或现有技术方案中所使用的附图作简单介绍。需要注意的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的调谐思路的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的模式间耦合调节思路的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的整体示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的S参数的仿真结果；

图5为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的多工器的整体示意图；

附图中，1-输入端耦合结构，2-第一类球双模谐振腔，3-椭圆柱形耦合膜片，4-第二类球双模谐振腔，5-输出端耦合结构，6-分歧波导管，7-第一波导滤波器，8-第二波导滤波器，9-第三波导滤波器。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰完整的描述。需要注意的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶面”、“底面”、“左侧”、“右侧”、“水平方向”和“竖直方向”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。

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，修改各个部件的尺寸参数可以进一步得到实际所需的性能。

请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的调谐思路的示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的模式间耦合调节思路的示意图。

由于耦合的谐振腔和独立的谐振腔的边界条件不同，所以谐振频率也有差别，因此在优化滤波器的时候需要调谐结构对耦合谐振腔的谐振频率进行调节，以满足设计要求。将球谐振腔分成两个半球，在中间插入一个相同直径的圆柱形膜片可以调节该方向上模式的谐振频率，同时保持整体结构的连续性，如图1所示，随着膜片厚度的增加，谐振频率往低频移动。此外，还需要耦合结构进行微扰激励出两个正交的简并模式，可以在与水平面呈45°的方向上插入相似的圆柱形膜片，随着膜片厚度的增加，模式间的耦合强度也逐渐增加，如图2所示。

图3为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的整体示意图，图4为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器的S参数的仿真结果。

基于类球双模谐振腔的波导滤波器包括输入端耦合结构1、第一类球双模谐振腔2、椭圆柱形耦合膜片3、第二类球双模谐振腔4和输出端耦合结构5，两个类球双模谐振腔之间通过椭圆柱形耦合膜片连接。

所述的基于类球双模谐振腔的波导滤波器中的谐振腔半径为r₁＝r₂＝7.795mm，两个类球双模谐振腔之间的距离为d＝4mm。类球双模谐振腔内TM101模式有三个极化简并模式，此处本发明利用与传输方向垂直的两个方向上的模式设计类球双模谐振腔。类球双模谐振腔内部各添加了两个圆柱形调谐膜片和一个圆柱形耦合膜片，两个圆柱形调谐膜片和一个圆柱形耦合膜片的直径均为谐振腔的直径，两个圆柱形调谐膜片的厚度分别为t₁＝t₄＝0.197mm，t₂＝t₃＝0.234mm，圆柱形耦合膜片的厚度为t₁₂＝t₃₄＝1.007mm，利用所述的圆柱形调谐膜片调节谐振腔内双模的频率，利用所述的圆柱形耦合膜片调节两模式间的耦合强度。输入输出耦合结构的宽度为WR-62标准矩形波导法兰的宽度(b＝7.899mm)，第一阶梯的长度与WR-62标准波导法兰长度相同(a＝15.799mm)，高度h₁＝3.693mm，第二阶梯的短边长度为c＝9.19mm，高度为h₂＝3.307mm，第三阶梯的高度为h₃＝2.678mm，两个类球双模谐振腔之间的耦合窗是一个椭圆柱形的膜片，椭圆长轴为w₁＝9.687mm，短轴为l₁＝7.017mm，由图4的仿真结果可以看出，本发明所设计的滤波器在整个Ku波段(12-18GHz)内的带外抑制效果都很好，没有出现杂波，而且在阻带有一对传输零点，这证明了所提出的设计方法的可行性和有效性。

本发明还提供一种基于类球双模谐振腔的波导多工器，整体结构呈现为类鱼骨型，分歧波导管6周期性地加载了工作在不同频段的第一波导滤波器7、第二波导滤波器8和第三波导滤波器9；分歧波导管6的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段，其终端为一个约四分之一波导波长距离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算得到，三个波导滤波器基于本发明所述的波导滤波器结构实现，在两个类球双模谐振腔之间的耦合结构实现形式上有不同，具体采用的是两个正交的椭圆柱形的耦合膜片，相邻波导滤波器的间隔距离约为半个波导波长的距离。

图5为本发明实施例提供的一种基于类球双模谐振腔的多工器的整体示意图，所述的多工器包括一个分歧波导管6和三个不同频段的基于类球双模谐振腔的第一波导滤波器7、第二波导滤波器8和第三波导滤波器9，基于类球双模谐振腔的波导多工器是将工作在不同频段的波导滤波器周期性地加载在分歧波导管上来实现，波导的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段。多工器的整体结构呈现为类鱼骨型，相邻波导滤波器的间隔距离约为半个波导波长

距离，分歧波导管的终端为一个约四分之一波导波长

距离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算。为了减少加工误差对滤波器性能造成的影响，波导与谐振腔的腔体之间的连接处均做了倒圆角处理，适用于3D打印加工工艺。波导传输的电磁波工作在TE10模式下，通过每个波导滤波器的输入耦合端转换为类球双模谐振腔的TM101模式。此外，三个输出端口A、B、C并非沿着同一方向，而是通过弯曲波导朝向不同的方向，考虑到相邻波导滤波器输出端口之间的距离比较近，而测试法兰盘的尺寸比较大，若是朝着同一方向，会使得测试法兰盘的排布之间起冲突。

综上所述，本发明第一方面设计了一种类球双模谐振腔和基于类球双模谐振腔的波导滤波器和多工器，所述类球双模谐振腔利用腔内一对正交极化简并模式TM101模式实现双模设计，并引入了圆柱形微扰腔，圆柱形微扰腔的直径与球谐振腔的直径相等，通过调节圆柱微扰腔厚度实现调整滤波器的工作频率，在与水平面呈45°的方向上也插入圆柱形微扰腔用于实现两个模式之间的耦合，同样通过改变膜片的厚度来调节模式耦合的强度。此外，两个类球双模谐振腔之间的耦合结构为一个椭圆柱形的膜片，相比传统的两个正交的矩形膜片来说，具有高连续性，有助于降低整体结构对工艺的敏感度。

所述的多工器包括一个分歧波导管和多个不同频段的基于类球双模谐振腔的波导滤波器，公共输入端口D位于分歧波导管的始端，基于类球双模谐振腔的波导多工器是将工作在不同频段的波导滤波器周期性地加载在分歧波导管上来实现，波导的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段，多工器的整体结构呈现为类鱼骨型，相邻波导滤波器的间隔距离约半个波导波长

的距离，分歧波导管的终端为一个约四分之一波导波长

离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算。为了减少加工误差对滤波器性能造成的影响，波导与腔体之间的连接处均倒圆角处理，适用于3D打印加工方式，波导传输的电磁波工作在TE10模式下，通过每个波导滤波器的输入耦合端转换为类球双模谐振腔的TM101模式。此外，三个输出端口并非沿着同一方向，而是通过弯曲波导朝向不同的方向，其原因是考虑到相邻波导滤波器输出端口之间的距离比较近，而测试法兰盘的尺寸比较大，若是朝着同一方向，会使得测试法兰盘的排布之间起冲突。

以上为对本发明所提供的一种波导滤波器和多工器的设计方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种类球双模谐振腔，其特征在于，包括一个劈开的球形谐振腔和三个微扰圆柱腔，在球形腔一个轴向方向上分别进行水平、垂直和斜45°三个角度的对称分割，微扰圆柱腔均位于分裂处所形成的两个半球的中间，其直径与球体直径保持一致，微扰圆柱腔与分裂球体腔融为一体，分裂球体中TM101电磁模式在轴向方向上垂直简并，通过调节水平和垂直方向微扰圆柱腔的厚度对简并模式的谐振频率进行微调，斜45°的微扰圆柱腔用来调节简并模式之间的耦合。

2.根据权利要求1所述的类球双模谐振腔，其特征在于，随水平和垂直方向上微扰圆柱腔厚度增加，谐振频率往低频移动；随斜45°方向上微扰圆柱腔厚度的增加，模式之间的耦合增强。

3.一种基于类球双模谐振腔的波导滤波器，其特征在于，包括从输入端到输出端依次连接的输入端耦合结构(1)、第一类球双模谐振腔(2)、椭圆柱形耦合膜片(3)、第二类球双模谐振腔(4)和输出端耦合结构(5)，第一类球双模谐振腔(2)和第二类球双模谐振腔(4)均采用权利要求1或2所述类球双模谐振腔，第一类球双模谐振腔(2)和第二类球双模谐振腔(4)的直径相等，水平、垂直和斜45°方向上的用于调谐和模式间耦合的三个微扰圆柱腔厚度分别也相等，其中两个倾斜的圆柱腔之间的夹角为90°，用于在电磁波传输的过程中产生一对传输零点。

4.根据权利要求3所述的基于类球双模谐振腔的波导滤波器，其特征在于，第一类球双模谐振腔(2)和第二类球双模谐振腔(4)之间的耦合结构为一个椭圆柱形的膜片。

5.根据权利要求3所述的基于类球双模谐振腔的波导滤波器，其特征在于，椭圆柱形的膜片的长度等于第一类球双模谐振腔(2)和第二类球双模谐振腔(4)球心之间的距离。

6.根据权利要求3所述的基于类球双模谐振腔的波导滤波器，其特征在于，椭圆柱形的膜片截面椭圆的长轴为w₁＝9.687mm，短轴为l₁＝7.017mm。

7.根据权利要求3所述的基于类球双模谐振腔的波导滤波器，其特征在于，输入输出耦合结构的宽度为WR-62标准矩形波导法兰的宽度，b＝7.899mm，第一阶梯的长度与WR-62标准波导法兰长度相同，a＝15.799mm，高度h₁＝3.693mm，第二阶梯的短边长度为c＝9.19mm，高度为h₂＝3.307mm，第三阶梯的高度为h₃＝2.678mm。

8.一种基于类球双模谐振腔的波导多工器，其特征在于，整体结构呈现为类鱼骨型，分歧波导管(6)周期性地加载了工作在不同频段的第一波导滤波器(7)、第二波导滤波器(8)和第三波导滤波器(9)；分歧波导管(6)的工作频段覆盖加载的三个波导滤波器的工作频段，其终端为一个约四分之一波导波长距离的短路端，波导波长依据通带中心频点的波长计算得到，三个波导滤波器基于权利要求3至7任一项所述的波导滤波器结构实现，在两个类球双模谐振腔之间的耦合结构实现形式上有不同，具体采用的是两个正交的椭圆柱形的耦合膜片，相邻波导滤波器的间隔距离约为半个波导波长的距离；波导传输的电磁波工作在TE10模式下，通过每个波导滤波器的输入耦合端转换为类球双模谐振腔的TM101模式。

9.根据权利要求8所述的基于类球双模谐振腔的波导多工器，其特征在于，波导与腔体之间的连接处均做倒圆角处理，采用3D工艺成型。

10.根据权利要求8所述的基于类球双模谐振腔的波导多工器，其特征在于，三个输出端口通过弯曲波导朝向不同的方向。

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