CN114927847B - 应用于5g通信系统的介质双模双工器 - Google Patents

应用于5g通信系统的介质双模双工器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于5G通信系统的介质双模双工器，属于通讯技术领域。介质双模双工器包括：三个输入输出端、三个金属同轴谐振腔、n个第一介质双模谐振器和n个第二介质双模谐振器；三个输入输出端分别与三个金属同轴谐振腔相连；第一金属同轴谐振腔和第二金属同轴谐振腔之间通过第一金属杆串联有n个第一介质双模谐振器，且每相邻两个第一介质双模谐振器之间间隔一个金属片；第一金属同轴谐振腔和第三金属同轴谐振腔之间通过第二金属杆串联有n个第二介质双模谐振器，且每相邻两个第二介质双模谐振器之间间隔一个金属片，金属片上设有耦合窗口。本发明采用介质双模谐振器和金属同轴谐振腔混合的方式实现介质双模双工器，降低了实现难度。

Description

应用于5G通信系统的介质双模双工器
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，特别涉及一种应用于5G通信系统的介质双模双工器。
背景技术
Sub 6GHz 采用MIMO（Multiple Input Multiple Output，多进多出）技术，需要大量的滤波器或者双工器集成于天线内部。但是目前进入大规模使用的介质产品无论是采用主模设计的介质波导滤波器还是采用双模设计的介质滤波器都还在滤波器阶段，如果要实现双工器则需要采用两个滤波器和一个环形器来实现，体积相对较大，且插损大成本高。
采用介质双工器是降低损耗、提高5G（5th Generations，第五代移动通信技术）通信系统传输效率的有效手段。由于介质双工器由两个介质滤波器和一个连接部分组成，调谐机构较少，在两个介质滤波器的连接的T型结处的去耦比较困难。若采用介质波导方式实现介质双工器，由于介质块本身特性以及应力的原因，介质块体积不能太大，很难成型双工器那么大体积的介质块，否则会因为应力原因出现开裂失效等。
发明内容
本发明提供了一种应用于5G通信系统的介质双模双工器，用于解决现有技术中两个介质滤波器的连接处的去耦困难，且介质块因为应力原因出现开裂失效的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种应用于5G通信系统的介质双模双工器，所述介质双模双工器包括：第一至第三输入输出端、第一至第三金属同轴谐振腔、n个第一介质双模谐振器和n个第二介质双模谐振器，且所述第一介质双模谐振器与所述第二介质双模谐振器的介电常数不同；
第一输入输出端与第一金属同轴谐振腔相连，第二输入输出端与第二金属同轴谐振腔相连，第三输入输出端与第三金属同轴谐振腔相连；
所述第一金属同轴谐振腔和所述第二金属同轴谐振腔之间通过两根第一金属杆串联有所述n个第一介质双模谐振器，且每相邻两个第一介质双模谐振器之间间隔一个金属片，所述金属片上设有耦合窗口；
所述第一金属同轴谐振腔和所述第三金属同轴谐振腔之间通过两根第二金属杆串联有所述n个第二介质双模谐振器，且每相邻两个第二介质双模谐振器之间间隔一个金属片，所述金属片上设有耦合窗口。
在一种可能的实现方式中，每种介质双模谐振器的本体是圆柱体或多边体，且所述本体的顶部和底部的中间设有凹陷区域，所述凹陷区域的四周形成环形结构，所述环形结构的顶端和所述介质双模谐振器的四周实现金属化，且所述环形结构的顶端与相邻的金属片连接。
在一种可能的实现方式中，所述凹陷区域的中间设有凸起结构，所述凸起结构用于调整滤波器对称零点的平衡性，以及用于调整所述介质双模谐振器的频率。
在一种可能的实现方式中，所述凹陷区域与所述环形结构的连接处设有环形的倒角结构，所述倒角结构用于增强所述环形结构的强度。
在一种可能的实现方式中，所述凹陷区域与所述环形结构的连接处设有呈中心对称的两个耦合孔，所述两个耦合孔用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合，且所述耦合孔的直径的大小与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系，所述两个耦合孔之间的距离的远近与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属同轴谐振腔的顶部设有圆孔，所述第一输入输出端中的连接器的内芯固定在所述圆孔内；
所述第一金属同轴谐振腔与所述第二介质双模谐振器之间设有凸起的加强筋，所述加强筋用于增强耦合。
在一种可能的实现方式中，每种金属同轴谐振腔的顶部设有金属调螺结构。
在一种可能的实现方式中，所述金属片上设有十字形耦合窗口，所述十字形耦合窗口中的长边用于产生滤波器的主路耦合，短边用于产生所述滤波器的交叉耦合，所述耦合窗口的大小与介质双模谐振器之间的耦合系数的大小呈正相关关系。
在一种可能的实现方式中，所述金属片和所述第一至第三金属同轴谐振腔上都设有通孔；
两根所述第一金属杆贯穿所述通孔串联所述第一金属同轴谐振腔、多个所述金属片和所述第二金属同轴谐振腔，且两根所述第一金属杆分别与所述第一金属同轴谐振腔和所述第二金属同轴谐振腔固定；
两根所述第二金属杆贯穿所述通孔串联所述第一金属同轴谐振腔、多个所述金属片和所述第三金属同轴谐振腔，且两根所述第二金属杆分别与所述第一金属同轴谐振腔和所述第三金属同轴谐振腔固定。
在一种可能的实现方式中，所述第一介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为44.5，所述第二介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为38.5。
本发明提供的技术方案的有益效果至少包括：
采用介质双模谐振器和金属同轴谐振腔混合使用的方式实现介质双模双工器，避免采用两个介质滤波器和一个连接部分组成介质双模双工器，可以降低实现的难度。并且，每个介质双模谐振器都是一个独立的个体，体积很小，可以消除因为应力产生的开裂失效隐患。
每个金属同轴谐振腔采用采用金属调罗调谐，能够补偿加工误差，从而降低了设计难度。
介质双模谐振器采用介电常数38.5和44.5的微波陶瓷材料实现，且在介质双模谐振器介质的表面采用镀银或者烧银技术实现金属化，形成金属边界条件，这样实现的介质双模滤波器可以完全无需金属外壳。
第一介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为44.5，第二介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为38.5，使得介质双模谐振器的尺寸很小，且无载Q值达到2800以上，介质双模双工器的插损很小。
介质双模谐振器的凹陷区域的中间设有凸起结构，通过打磨该凸起结构即可将单个的介质双模谐振器的频率打磨到所需的频率，然后再对介质双模谐振器进行组装，就可以使得介质双模双工器满足指标要求，满足了批量生产的需求。
介质双模谐振器中凹陷区域与环形结构的连接处设有环形的倒角结构，该倒角结构可以加强介质双模谐振器中凸起结构的强度，提高介质双模谐振器在振动冲击等恶劣条件下的稳定性。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例中的一种应用于5G通信系统的介质双模双工器的示意图；
图2是本发明一个实施例中的一种应用于5G通信系统的介质双模双工器的零件爆炸图；
图3是本发明一个实施例中的一种金属同轴谐振腔的示意图；
图4是本发明一个实施例中的一种介质双模谐振器的示意图；
图5是本发明一个实施例中的一种金属片的示意图；
图6是本发明一个实施例中的一种介质双模双工器的拓扑图；
图7是本发明一个实施例中的一种介质双模双工器的频率响应曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
请参考图1和2，其示出了本发明实施例提供的一种应用于5G通信系统的介质双模双工器，该介质双模双工器包括：第一至第三输入输出端110、第一至第三金属同轴谐振腔120、n个第一介质双模谐振器130和n个第二介质双模谐振器140，且第一介质双模谐振器130与第二介质双模谐振器140的介电常数不同。第一输入输出端110与第一金属同轴谐振腔120相连，第二输入输出端110与第二金属同轴谐振腔120相连，第三输入输出端110与第三金属同轴谐振腔120相连。第一金属同轴谐振腔120和第二金属同轴谐振腔120之间通过两根第一金属杆150串联有n个第一介质双模谐振器130，且每相邻两个第一介质双模谐振器130之间间隔一个金属片160，金属片160上设有耦合窗口170。第一金属同轴谐振腔120和第三金属同轴谐振腔120之间通过两根第二金属杆180串联有n个第二介质双模谐振器140，且每相邻两个第二介质双模谐振器140之间间隔一个金属片160，金属片上设有耦合窗口170。
其中，n为正整数，且可以根据滤波器性能要求增加或者减少介质双模谐振器的个数，每增加或者减少一个介质双模谐振器，相当于滤波器增加或者减少2阶。本实施例中以n为4为例，则实现的是10阶的介质双模双工器。
第一介质双模谐振器130所采用的微波陶瓷材料的介电常数为44.5，第二介质双模谐振器140所采用的微波陶瓷材料的介电常数为38.5。即，通过第一介质双模谐振器130实现的是低端3.45-3.55GHz通带滤波器，通过第二介质双模谐振器140实现的是高端3.7-3.98GHz通带滤波器，3.45-3.55GHz和3.7-3.98GHz是典型的5G通信频段。这样，可以使介质双模谐振器的尺寸很小，且无载Q值达到2800以上，从而使得介质双模双工器的插损很小。需要说明的是，第一介质双模谐振器130和第二介质双模谐振器140的形状和尺寸相同，所以，可以共用同一个模具实现。
本实施例中的介质双模谐振器可以单独设计和实现，即每个介质双模谐振器都是一个独立的个体零件，单个的体积很小，可以消除因为应力产生的开裂失效隐患。
下面分别对输入输出端、金属同轴谐振腔、介质双模谐振器和金属片的结构进行说明。
（1）输入输出端
本实施例中的介质双模双工器中包含三个输入输出端，每个输入输出端采用的是标准的50欧SMA连接器，也可以采用其他形式的标准50欧姆特性阻抗连接器例如SMP、BMA等。
其中，第一输入输出端110可以称为公共端，其与第二输入输出端110组成一个滤波器，与第三输入输出端110组成另一个滤波器。
（2）金属同轴谐振腔
在输入输出端处的谐振腔采用金属同轴谐振腔，则共有三个金属同轴谐振腔。每种金属同轴谐振腔120的顶部设有金属调螺结构240，这样，可以采用金属调螺来补偿加工精度，降低了实现难度。同时，利用金属同轴谐振腔的第二个谐振模式远离滤波器通带的特性，可以实现在不需要低通的情况下，就能很好抑制滤波器的谐波和远端杂散的效果。
本实施例中，第一金属同轴谐振腔120的顶部设有圆孔，第一输入输出端110中的连接器的内芯固定在圆孔内。具体的，连接器的内芯可以直接焊接在该圆孔内。
由于高端滤波器的相对带宽较宽，因此，高端滤波器的第一金属同轴谐振腔120和第二介质双模谐振器140之间需要通过增加凸起的加强筋的方式来增强耦合。即，第一金属同轴谐振腔120与第二介质双模谐振器140之间设有凸起的加强筋230，加强筋230用于增强耦合，请参考图3。
需要说明的是，连接天线的第一输入输出端110的内芯之间接地，从而解决了雷击的问题。
（3）介质双模谐振器
当n为4时，高端滤波器中包括4个第二介质双模谐振器140，低端滤波器中包括4个第一介质双模谐振器130，且每个介质双模谐振器都有两个正交的谐振模式。
每种介质双模谐振器的本体是圆柱体或多边体，且本体的顶部和底部的中间设有凹陷区域，凹陷区域的四周形成环形结构190，环形结构190的顶端和介质双模谐振器的四周实现金属化，且环形结构190的顶端与相邻的金属片160连接，请参考图4。这里所说的介质双模谐振器是第一介质双模谐振器130或第二介质双模谐振器140。
本实施例中，介质双模谐振器中的环形结构190作为支撑的隔墙，凸起部分的顶端金属化，用以和两侧的金属片160相连，实现电磁屏蔽。具体的，可以采用镀银或烧银技术来实现金属化，使得介质双模谐振器形成金属边界条件，无需金属外壳。同时，介质双模谐振器的内部不能金属化。
在一种实现方式中，凹陷区域的中间设有凸起结构200，凸起结构200用于调整滤波器对称零点的平衡性，以及用于调整介质双模谐振器的频率。
上述凸起结构200有两个作用，第一个作用是可以抵消一部分谐振模式之间的寄生耦合效应，调整滤波器对称零点的平衡性；另一个作用是在滤波器的生产和调试过程中，只需要打磨该凸起结构200，就可以将单个介质双模谐振器的频率打磨到所需要的频点，便于滤波器的生产调试，然后再对介质双模谐振器进行组装，就可以使得介质双模双工器满足指标要求，满足了批量生产的需求。
在一种实现方式中，凹陷区域与环形结构190的连接处设有环形的倒角结构210，倒角结构210用于增强环形结构190的强度。即在介质双模谐振器的外部周围凸起部分的底部加一圈倒角结构210，加强介质双模谐振器中环形结构190的强度，提高介质双模谐振器在振动冲击等恶劣条件下的稳定性。
在一种实现方式中，凹陷区域与环形结构190的连接处设有呈中心对称的两个耦合孔220，两个耦合孔220用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合，且耦合孔220的直径的大小与谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系，两个耦合孔220之间的距离的远近与谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。
具体的，两个耦合孔220沿介质双模谐振器的中心对称，且通过调整耦合孔220的大小可以调整介质双模谐振器中两个谐振频率的耦合大小。其中，耦合孔220的直径的大小与谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系，即耦合孔220的直径越大，则耦合越强；耦合孔220之间的距离越远（越远离介质双模谐振器的中心），耦合越强。另外，通过调整耦合孔220的圆心连线相对水平线的角度可以调整两个谐振频率的平衡。
（4）金属片
金属片160上设有十字形耦合窗口170，十字形耦合窗口170中的长边用于产生滤波器的主路耦合，短边用于产生滤波器的交叉耦合，耦合窗口170的大小与介质双模谐振器之间的耦合系数的大小呈正相关关系，请参考图5。其中，可以通过控制耦合缝隙的大小实现耦合系数大小控制。
本实施例中，金属片160和第一至第三金属同轴谐振腔120上都设有通孔；两根第一金属杆150贯穿通孔串联第一金属同轴谐振腔120、多个金属片160和第二金属同轴谐振腔120，且两根第一金属杆150分别与第一金属同轴谐振腔120和第二金属同轴谐振腔120固定；两根第二金属杆180贯穿通孔串联第一金属同轴谐振腔120、多个金属片160和第三金属同轴谐振腔120，且两根第二金属杆180分别与第一金属同轴谐振腔120和第三金属同轴谐振腔120固定。
请参考图6所示的拓扑图，本实施例提供的介质双模双工器的高端和低端分别都是10阶4个零点，4个零点都是采用的对称零点。介质双模双工器中滤波器的所有尺寸都是根据实际的滤波器指标，通过HFSS等电磁仿真软件优化确定。在一个示例中，通过采用高介电常数的微波陶瓷材料仿真出的介质双模双工器的尺寸为60*23*15mm，总重量103克，Q值大于2800，具有优良的特性。
请参考图7所示的是应用于5G通信sub 6GHz频段的小型化介质双模双工器的近端频率响应曲线，由响应曲线可知，该介质双模双工器的高低端左右两边具有四个传输零点。
综上所述，本实施例提供的介质双模双工器，采用介质双模谐振器和金属同轴谐振腔混合使用的方式实现介质双模双工器，避免采用两个介质滤波器和一个连接部分组成介质双模双工器，可以降低实现的难度。并且，每个介质双模谐振器都是一个独立的个体，体积很小，可以消除因为应力产生的开裂失效隐患。
每个金属同轴谐振腔采用采用金属调罗调谐，能够补偿加工误差，从而降低了设计难度。
介质双模谐振器采用介电常数38.5和44.5的微波陶瓷材料实现，且在介质双模谐振器介质的表面采用镀银或者烧银技术实现金属化，形成金属边界条件，这样实现的介质双模滤波器可以完全无需金属外壳。
第一介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为44.5，第二介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为38.5，使得介质双模谐振器的尺寸很小，且无载Q值达到2800以上，介质双模双工器的插损很小。
介质双模谐振器的凹陷区域的中间设有凸起结构，通过打磨该凸起结构即可将单个的介质双模谐振器的频率打磨到所需的频率，然后再对介质双模谐振器进行组装，就可以使得介质双模双工器满足指标要求，满足了批量生产的需求。
介质双模谐振器中凹陷区域与环形结构的连接处设有环形的倒角结构，该倒角结构可以加强介质双模谐振器中凸起结构的强度，提高介质双模谐振器在振动冲击等恶劣条件下的稳定性。
以上所述并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述介质双模双工器包括：第一至第三输入输出端、第一至第三金属同轴谐振腔、n个第一介质双模谐振器和n个第二介质双模谐振器，且所述第一介质双模谐振器与所述第二介质双模谐振器的介电常数不同；
第一输入输出端与第一金属同轴谐振腔相连，第二输入输出端与第二金属同轴谐振腔相连，第三输入输出端与第三金属同轴谐振腔相连；
所述第一金属同轴谐振腔和所述第二金属同轴谐振腔之间通过两根第一金属杆串联有所述n个第一介质双模谐振器，且每相邻两个第一介质双模谐振器之间间隔一个金属片，所述金属片上设有耦合窗口；
所述第一金属同轴谐振腔和所述第三金属同轴谐振腔之间通过两根第二金属杆串联有所述n个第二介质双模谐振器，且每相邻两个第二介质双模谐振器之间间隔一个金属片，所述金属片上设有耦合窗口。
2.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，每种介质双模谐振器的本体是圆柱体或多边体，且所述本体的顶部和底部的中间设有凹陷区域，所述凹陷区域的四周形成环形结构，所述环形结构的顶端和所述介质双模谐振器的四周实现金属化，且所述环形结构的顶端与相邻的金属片连接。
3.根据权利要求2所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述凹陷区域的中间设有凸起结构，所述凸起结构用于调整滤波器对称零点的平衡性，以及用于调整所述介质双模谐振器的频率。
4.根据权利要求2所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述凹陷区域与所述环形结构的连接处设有环形的倒角结构，所述倒角结构用于增强所述环形结构的强度。
5.根据权利要求2所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述凹陷区域与所述环形结构的连接处设有呈中心对称的两个耦合孔，所述两个耦合孔用于产生两个正交的谐振频率之间的耦合，且所述耦合孔的直径的大小与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系，所述两个耦合孔之间的距离的远近与所述谐振频率之间的耦合系数的大小呈正相关关系。
6.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述第一金属同轴谐振腔的顶部设有圆孔，所述第一输入输出端中的连接器的内芯固定在所述圆孔内；
所述第一金属同轴谐振腔与所述第二介质双模谐振器之间设有凸起的加强筋，所述加强筋用于增强耦合。
7.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，每种金属同轴谐振腔的顶部设有金属调螺结构。
8.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述金属片上设有十字形耦合窗口，所述十字形耦合窗口中的长边用于产生滤波器的主路耦合，短边用于产生所述滤波器的交叉耦合，所述耦合窗口的大小与介质双模谐振器之间的耦合系数的大小呈正相关关系。
9.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述金属片和所述第一至第三金属同轴谐振腔上都设有通孔；
两根所述第一金属杆贯穿所述通孔串联所述第一金属同轴谐振腔、多个所述金属片和所述第二金属同轴谐振腔，且两根所述第一金属杆分别与所述第一金属同轴谐振腔和所述第二金属同轴谐振腔固定；
两根所述第二金属杆贯穿所述通孔串联所述第一金属同轴谐振腔、多个所述金属片和所述第三金属同轴谐振腔，且两根所述第二金属杆分别与所述第一金属同轴谐振腔和所述第三金属同轴谐振腔固定。
10.根据权利要求1所述的应用于5G通信系统的介质双模双工器，其特征在于，所述第一介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为44.5，所述第二介质双模谐振器所采用的微波陶瓷材料的介电常数为38.5。
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