CN115000656A - 基于同轴腔体谐振器的可调滤波器、可调双工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴腔体谐振器的可调滤波器、可调双工器，可调滤波器包括上盖板、腔体、调谐螺钉和谐振柱；上盖板通过紧固件安装在腔体的顶部，腔体内形成有2n个沿直线方向依次排列的谐振器，n为正整数，亦是调谐螺钉的数量；每个谐振器设有两个谐振柱，其中一个谐振柱安装于上盖板，另一个谐振柱安装于腔体。可调双工器由两个上述可调滤波器组成。使用时，通过探入或探出所有谐振柱的高度，可获得频率调节范围内连续的可调范围。当外加机械调谐结构时，可调滤波器和可调双工器可实现机械控制。本发明在连接输入、输出端口后，可获得在可调范围内几乎稳定不变的绝对带宽和插入损耗，具有结构简单、体积小、加工成本低和性能优越等优点。

Description

基于同轴腔体谐振器的可调滤波器、可调双工器

技术领域

本发明涉及微波滤波器的技术领域，尤其是指一种基于同轴腔体谐振器、可调范围内绝对带宽不变和插入损耗稳定的可调滤波器和可调双工器。

背景技术

可调滤波器和可调双工器近年来受到了广泛的关注，主要是因为这种可调的硬件设备是目前通信系统中灵活体系结构的关键组件。在无线通信系统中，可调滤波器和可调双工器是其中一种进行频率选择的关键组件。这种组件可以有效的对频谱资源进行重新分配情况下，既减小设备的体积与重量，又可以实现通信容量的优化策略。

可调滤波器和可调双工器的应用范围也相当广泛，既可以在无线基站端应用，又可以在卫星通讯中以及航空航天领域中使用。这些使用场景不仅要求可调滤波器具有频率可重构的特性，还要求可调滤波器保持与不可调滤波器相同的性能，包括但不限于频率调节范围内绝对带宽不变，Q值要高，即插入损耗的绝对值要小且频率调节范围内稳定。

可调双工器一般由两个可调滤波器加一个频率分配网络组成。

在可调滤波器的设计中，高无载Q值的谐振器设计是目前的一大难点。现有的已公开的可调滤波器文献或者专利大多集中于微带可调滤波器。微带类型，或者说平面类型的可调滤波器，通常只有非常小的Q值，即滤波器的插入损耗会较大。而且在频率调节过程中，无可避免的存在一些损耗，这就导致可调滤波器在频率调节过程中，插入损耗会增大。而在通信系统中，滤波器的插入损耗是整机系统的一个关键性指标。例如，若可调滤波器应用于接收机中，则它的插入损耗直接影响接收机的整体噪声；因为从天线端接收到的信号强度极低，因此必须保证低噪声放大器前的能量损耗最小化。典型的接收机中，位于低噪声放大器前的滤波器的插入损耗指标一般不超过零点几分贝。

另外，保持频率调节范围内绝对带宽不变，也是可调滤波器设计中的一个重要内容。其一，在通信系统中，数据的传输速率是与带宽相关的。因此，若要在数据传输过程中保持传输速率不变，则要求带宽保持不变。其二，绝大多数通信系统中，带外的隔离度要求达到某个严格的数值。因此，在频率调节范围内，必须保持绝对带宽不变来满足带外隔离度的要求。综上，在频率调节范围内，为了要满足数据传输速率不变以及带外隔离度不变的要求，则要求可调滤波器的绝对带宽不变。

综上所述，目前的可调滤波器和可调双工器的设计仍然存在一定的局限性，难以适应如今的高Q值，频率调节范围内绝对带宽不变的要求。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，能够实现宽范围内的频率调节，同时满足高Q值、频率调节范围内绝对带宽不变的要求。

本发明的第二目的在于提供一种可调双工器。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其特征在于：包括上盖板、腔体、调谐螺钉和谐振柱；其中，所述上盖板通过紧固件安装在腔体的顶部，所述腔体内形成有2n个沿直线方向依次排列的谐振器，构成一排谐振器队列，n为正整数，亦是调谐螺钉的数量，并存在以下情况：

当n＝1时，形成有2个谐振器，此时，该2个谐振器之间设有一个调谐螺钉；

当n＞1时，所述调谐螺钉间隔设置，即在谐振器队列上，从队列两端中任意一端开始算，第一个谐振器与第二个谐振器之间设有一个调谐螺钉，第二个谐振器与第三个谐振器之间不用设置调谐螺钉，第三个谐振器与第四谐振器之间设有一个调谐螺钉，以此类推；

其中，每个谐振器设有两个谐振柱，其中一个谐振柱安装于上盖板，另一个谐振柱安装于腔体。

进一步，设有调谐螺钉的两个谐振器之间采用膜片耦合，所述调谐螺钉位于该膜片处。

进一步，所述谐振器中的两个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则该谐振器的谐振频率减小或增大。

进一步，所有谐振器中的两个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则可调滤波器的通带频率减小或增大。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：可调双工器，具有两个本发明第一目的所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其中一个可调滤波器处于低频通道，另一个可调滤波器处于高频通道，该两个可调滤波器通过一段波导相连。

进一步，所述波导为Y形结构。

进一步，处于低频通道的可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，能够使得低频通道频率向低频或者高频移动，此时，若处于高频通道的可调滤波器中的所有谐振柱静止不动，则高频通道频率不变。

进一步，处于高频通道的可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，能够使得高频通道频率向低频或者高频移动，此时，若处于低频通道的可调滤波器中的所有谐振柱静止不动，则低频通道频率不变。

进一步，两个可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则高频通道和低频通道频率同时向低频或者高频移动。

进一步，两个可调滤波器中的所有谐振柱向腔内探入或探出不相同的距离，能够获得连续通道特性。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明基于同轴腔体谐振器的基础上，设计可调滤波器和可调双工器，其体积比单模单频波导滤波器小36％，且其结构简单，易于加工，成本低廉。

2、本发明所提出的可调滤波器的调谐机理相较于传统单模可调滤波器而言较为简单。本发明所提出的可调滤波器只需调谐谐振器，且每个谐振器的调谐机理为线性调谐。而传统单模可调滤波器中，每个谐振器及耦合结构均为非线性调谐。

3、本发明所提出的两个可调滤波器可以通过一段波导组成一个可调双工器，保持各通道可调滤波器性能不变的同时，又引入双工器的性能。传统可调滤波器无法通过简单的级联一段波导来获得可调双工器，需重新设计且可调性能大打折扣。

4、本发明所提出的可调双工器的性能多样。本发明所提出的可调双工器可实现非连续和连续通道两种性能。而传统可调双工器中，只能获得非连续通道或连续通道其中一种形式。

附图说明

图1为基于同轴腔体谐振器的可调滤波器安装完成后的侧视图。

图2(a)为可调滤波器中腔体部分的侧视图。

图2(b)为可调滤波器中腔体部分安装谐振柱后的侧视图。

图3(a)为可调滤波器中上盖板的侧视图。

图3(b)为可调滤波器中上盖板安装谐振柱与调谐螺钉后的侧视图。

图4为由两个可调滤波器组成的可调双工器安装完成后的侧视图。

图5(a)为可调双工器中腔体部分的侧视图。

图5(b)为可调双工器中腔体部分安装谐振柱后的侧视图。

图6(a)为可调双工器中上盖板的侧视图。

图6(b)为可调双工器中上盖板安装谐振柱后的侧视图。

图7为可调滤波器仿真结果图。

图8为可调双工器连续通道情况仿真结果图。

图9为可调双工器非连续通道情况S₁₁仿真结果图。

图10为可调双工器非连续通道情况S₂₁和S₃₁仿真结果图。

图11为可调双工器非连续通道状态下的S₁₁仿真结果图。

图12为可调双工器非连续通道状态下的S₂₁、S₃₁仿真结果图。

图13为可调双工器非连续通道状态下的S₂₃仿真结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1至图3所示，本实施例提供了一种基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，包括上盖板C₁、腔体C₂、两个调谐螺钉S₁、S₂及八个谐振柱R₁₁、R₁₂、 R₂₁、R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₁、R₄₂。当可调滤波器如图1所示安装完成后，采用波导同轴转换器进行馈电，并与矢量网络分析仪连接进行测试。所述上盖板C₁和腔体C₂通过紧固件对准安装。两个调谐螺钉S₁、S2均安装于上盖板C₁中，所述腔体C₂内形成有四个沿直线方向依次排列的谐振器，调谐螺钉S₁位于第一个和第二个谐振器之间，调谐螺钉S₂位于第三个和第四个谐振器之间，它们都是用螺母进行固定。每个谐振器均包含两个谐振柱，其中一个谐振柱安装于上盖板 C₁中，另一个谐振柱安装于腔体C₂，图中，谐振柱R₁₁、R₁₂属于第一个谐振器，谐振柱R₂₁、R₂₂属于第二个谐振器，谐振柱R₃₁、R₃₂属于第三个谐振器，谐振柱R₄₁、R₄₂属于第四个谐振器。第一个谐振器与第二个谐振器之间，以及第三个谐振器与第四个谐振器之间，均采用膜片耦合，该结构集成于腔体C₂，一体化加工，调谐螺钉S₁、S2位于相应膜片处。所述上盖板C₁和腔体C₂由金属 AL6061加工而成，八个谐振柱R₁₁、R₁₂、R₂₁、R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₁、R₄₂由紫铜加工而成。

参见图7所示，当可调滤波器所有零部件都安装完成后，使用波导同轴转换器进行馈电，连接矢量网络分析仪，初始中心频率选择10GHz。此时，调谐螺钉S₁、S₂使用螺母固定。四个谐振器中的八个谐振柱R₁₁、R₁₂、R₂₁、R₂₂、R₃₁、 R₃₂、R₄₁、R₄₂同时向腔内探入或探出相同的距离，比如：+0.6mm，+0.4mm，+0.2mm，-0.6mm，-0.4mm，-0.2mm等，可以将频带在可调范围内移动，同时，绝对带宽以及插入损耗均几乎不变。

实施例2

本实施例提供了一种可调双工器，具有两个实施例1所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其中一个可调滤波器处于低频通道，另一个可调滤波器处于高频通道，该两个可调滤波器通过一段波导相连，该段波导为Y形结构，加工时可集成在可调双工器的腔体CD₂来进行加工。参见图4至图6所示，该可调双工器具体结构包括上盖板CD₁、腔体CD₂、低频通道中的第一个调谐螺钉SL₁和第二个调谐螺钉SL₂、低频通道中第一个谐振器中的谐振柱RDL₁₁和 RDL₁₂、低频通道中第二个谐振器中的谐振柱RDL₂₁和RDL₂₂、低频通道中第三个谐振器中的谐振柱RDL₃₁和RDL₃₂、低频通道中第四个谐振器中的谐振柱RDL₄₁和RDL₄₂、高频通道中的第一个调谐螺钉SH₁和第二个调谐螺钉SH₂、高频通道中第一个谐振器中的谐振柱RDH₁₁和RDH₁₂、高频通道中第二个谐振器中的谐振柱RDH₂₁和RDH₂₂、高频通道中第三个谐振器中的谐振柱RDH₃₁和 RDH₃₂、高频通道中第四个谐振器中的谐振柱RDH₄₁和RDH₄₂。当可调双工器如图4所示安装完成后，采用波导同轴转换器进行馈电，并与矢量网络分析仪连接进行测试。所述上盖板CD₁和腔体CD₂通过紧固件对准安装。所述调谐螺钉SL₁、SL₂、SH₁、SH₂均安装于上盖板CD₁中，分别位于低频通道中第一个与第二个谐振器之间、第三个与第四个谐振器之间以及高频通道中第一个与第二个谐振器之间、第三个与第四个谐振器之间，都是用螺母进行固定。在可调双工器中，低频通道和高频通道的四个直线排列的谐振器中，每个谐振器均包含两个谐振柱，其中一个谐振柱安装于上盖板CD₁中，另一个谐振柱安装于腔体 CD₂。低频通道和高频通道的第一个与第二个谐振器之间，以及第三个与第四个谐振器之间，均采用膜片耦合，该结构集成于腔体CD₂，一体化加工，调谐螺钉SL₁、SL₂、SH₁、SH₂位于相应膜片处。所述上盖板CD₁和腔体CD₂由金属 AL6061加工而成，所有谐振柱由紫铜加工而成。

参见图8所示，当可调双工器所有零部件都安装完成后，使用波导同轴转换器进行馈电，连接矢量网络分析仪，可以将双工器调成连续通道的状态。

参见图9所示，当可调双工器所有零部件都安装完成后，使用波导同轴转换器进行馈电，连接矢量网络分析仪，可以将双工器调成非连续通道的状态。初始中心频率选择9.95/10.3GHz。此时，调谐螺钉SL₁、SL₂、SH₁、SH₂使用螺母固定。在高频通道中，四个谐振器中的八个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，比如：+0.1mm，-0.1mm，-0.2mm等，可以将频带在可调范围内移动，同时，绝对带宽以及插入损耗均几乎不变。此时，低频通道中的所有谐振柱静止不动。

参见图10所示，分别为可调双工器在图9所示中的非连续通道状态下的S₂₁、 S₃₁仿真值，与图9相对应。

参见图11所示，当可调双工器所有零部件都安装完成后，使用波导同轴转换器进行馈电，连接矢量网络分析仪，可以将双工器调成非连续通道的状态。初始中心频率选择9.95/10.3GHz。此时，调谐螺钉SL₁、SL₂、SH₁、SH₂使用螺母固定。八个谐振器中的十六个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，比如：+0.2mm，+0.1mm，-0.2mm，-0.1mm等，可以将频带在可调范围内移动。同时，绝对带宽以及插入损耗均几乎不变。

参见图12和图13所示，分别为可调双工器非连续通道状态下的S₂₁、S₃₁， S₂₃仿真值，与图11相对应。

综上所述，本发明适用于X波段，且几乎可以实现X波段全覆盖。使用时，通过探入或探出所有谐振柱的高度，可以获得频率调节范围内连续的可调范围。当外加机械调谐结构时，可调滤波器和可调双工器可实现机械控制。本发明在连接输入、输出端口后，可以获得在可调范围内几乎稳定不变的绝对带宽和插入损耗，具有结构简单、体积小、加工成本低和性能优越等优点，值得推广。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其特征在于：包括上盖板、腔体、调谐螺钉和谐振柱；其中，所述上盖板通过紧固件安装在腔体的顶部，所述腔体内形成有2n个沿直线方向依次排列的谐振器，构成一排谐振器队列，n为正整数，亦是调谐螺钉的数量，并存在以下情况：

当n＝1时，形成有2个谐振器，此时，该2个谐振器之间设有一个调谐螺钉；

当n＞1时，所述调谐螺钉间隔设置，即在谐振器队列上，从队列两端中任意一端开始算，第一个谐振器与第二个谐振器之间设有一个调谐螺钉，第二个谐振器与第三个谐振器之间不用设置调谐螺钉，第三个谐振器与第四谐振器之间设有一个调谐螺钉，以此类推；

其中，每个谐振器设有两个谐振柱，其中一个谐振柱安装于上盖板，另一个谐振柱安装于腔体。

2.根据权利要求1所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其特征在于：设有调谐螺钉的两个谐振器之间采用膜片耦合，所述调谐螺钉位于该膜片处。

3.根据权利要求1所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其特征在于：所述谐振器中的两个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则该谐振器的谐振频率减小或增大。

4.根据权利要求1所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其特征在于：所有谐振器中的两个谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则可调滤波器的通带频率减小或增大。

5.可调双工器，其特征在于：具有两个权利要求1至4任意一项所述的基于同轴腔体谐振器的可调滤波器，其中一个可调滤波器处于低频通道，另一个可调滤波器处于高频通道，该两个可调滤波器通过一段波导相连。

6.根据权利要求5所述的可调双工器，其特征在于：所述波导为Y形结构。

7.根据权利要求5所述的可调双工器，其特征在于：处于低频通道的可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，能够使得低频通道频率向低频或者高频移动，此时，若处于高频通道的可调滤波器中的所有谐振柱静止不动，则高频通道频率不变。

8.根据权利要求5所述的可调双工器，其特征在于：处于高频通道的可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，能够使得高频通道频率向低频或者高频移动，此时，若处于低频通道的可调滤波器中的所有谐振柱静止不动，则低频通道频率不变。

9.根据权利要求5所述的可调双工器，其特征在于：两个可调滤波器中的所有谐振柱同时向腔内探入或探出相同的距离，则高频通道和低频通道频率同时向低频或者高频移动。

10.根据权利要求5所述的可调双工器，其特征在于：两个可调滤波器中的所有谐振柱向腔内探入或探出不相同的距离，能够获得连续通道特性。

Images