CN115000661B - 应用于5g通信系统的双模介质波导滤波器 - Google Patents

应用于5g通信系统的双模介质波导滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器，属于通讯技术领域。双模介质波导滤波器中陶瓷本体的上表面有平行的两行盲孔，两行盲孔之间设置有贯穿陶瓷本体的交叉耦合窗口；下表面设置有输入输出端和一个盲孔，且盲孔映射到上表面的位置排列在第一行盲孔的末端；与盲孔的排列方向垂直的一个侧面上设置有两个盲孔，两个盲孔分别与加强筋的两端相连；下表面上的盲孔与侧面上位于第一行盲孔的排列方向上的一个盲孔形成一个双模谐振腔，排列在第二行盲孔的末端的盲孔与侧面上的另一个盲孔形成一个双模谐振腔。本发明可以在目前与常规六阶滤波器相同的尺寸内实现八阶滤波器，且可以保证双模介质波导滤波器的单腔Q值基本保持不变。

Description

应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器
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通信系统的双模介质波导滤波器。
背景技术
5G（5thGeneration，第五代移动通信技术）通信是目前最前沿的通信技术，各通信公司竞相展开相关方面的研究。Sub 6GHz采用MIMO（Multiple InputMultiple Output，多输入多输出）技术，因此，需要将大量的滤波器集成于天线内部，这就对滤波器的插损、带外抑制、体积和重量都有更高的要求。传统的金属滤波器由于体积和重量太大，无法实现与天线的集成。介质波导滤波器能够很好的解决上述技术要求的问题，满足5G系统的需求，因此，是目前通信滤波器研究的热点领域。
目前采用的介质波导滤波器都是采用主模方式，即一个谐振腔产生一个谐振频率；在耦合窗口处加一个很深的盲孔，实现负的耦合，从而产生两个对称的传输零点。上述介质波导滤波器的缺点在于：当需要较高的带外抑制时，滤波器的阶数较多，这就导致滤波器体积较大；并且，很深的负耦合窗口加载盲孔处的应力集中，有失效的隐患。
发明内容
本发明提供了一种应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器，用于解决现有技术中的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器，所述双模介质波导滤波器中包括陶瓷本体；
所述陶瓷本体的上表面上设置有平行的两行盲孔，第一行盲孔包含两个盲孔，第二行盲孔包含三个盲孔，且所述两行盲孔之间设置有贯穿所述陶瓷本体的交叉耦合窗口；
所述陶瓷本体的下表面上设置有输入端、输出端和一个盲孔，且所述盲孔映射到所述上表面上的位置排列在所述第一行盲孔的末端；
所述陶瓷本体中与所述盲孔的排列方向相垂直的一个侧面上设置有两个盲孔，且所述两个盲孔分别与加强筋的两端相连；
所述侧面上位于所述第一行盲孔的排列方向上的一个盲孔与所述下表面上的盲孔形成一个双模谐振腔，所述侧面上位于所述第二行盲孔的排列方向上的一个盲孔与所述第二行盲孔中的最后一个盲孔形成一个双模谐振腔。
在一种可能的实现方式中，所述侧面上的两个盲孔之间的耦合强度与所述加强筋的高度大小呈正相关关系。
在一种可能的实现方式中，所述双模谐振腔内两个盲孔之间的耦合强度与所述两个盲孔的距离大小呈负相关关系。
在一种可能的实现方式中，所述双模谐振腔的谐振频率与所述盲孔的深度呈负相关关系。
在一种可能的实现方式中，所述双模谐振腔包含两种谐振模式，每种谐振模式由一个盲孔和陶瓷本体形成，且每种谐振模式的电场方向与对应的盲孔的深度方向平行。
在一种可能的实现方式中，两个双模谐振腔之间形成了极性相反的耦合，在交叉耦合处实现了耦合系数的极性翻转。
在一种可能的实现方式中，两个双模谐振腔中位于所述上表面和所述下表面的两个盲孔之间形成的交叉耦合在通带的两端形成两个对称的传输零点。
在一种可能的实现方式中，所述输入端和所述输出端为同轴端口。
在一种可能的实现方式中，所述输入端和所述输出端为印制电路板PCB，以实现表贴封装结构。
在一种可能的实现方式中，所述双模介质波导滤波器为八阶两个零点的滤波器。
本发明提供的技术方案的有益效果至少包括：
由于侧面上设置有两个盲孔，且两个盲孔分别与离其最近的上表面和下表面的盲孔形成两个双模谐振腔，其余谐振腔为单模谐振腔，这样，可以在目前与常规六阶滤波器相同的尺寸内实现八阶滤波器，且可以保证双模介质波导滤波器的单腔Q值基本保持不变。
两个双模谐振腔中，一个盲孔位于陶瓷本体的上表面，另外一个盲孔位于陶瓷本体的下表面，这两个盲孔的方向相反，在两个双模谐振腔内耦合系数是相反的，从而实现耦合极性转化，不需要在耦合窗口处加载一个很深的盲孔的条件下即可实现对称传输零点。
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通信系统的双模介质波导滤波器的示意图；
图2是本发明一个实施例中的一种应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器的示意图；
图3是本发明一个实施例中的一种双模介质波导滤波器的侧面剖视图；
图4是本发明一个实施例中的一个双模谐振腔的结构示意图；
图5是本发明一个实施例中的两个双模谐振腔之间的耦合示意图；
图6是本发明一个实施例中的一种双模介质波导滤波器的拓扑结构图；
图7是本发明一个实施例中的一种双模介质波导滤波器的传输频率响应曲线图。
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，其示出了本发明实施例提供的一种应用于5G通信系统的双模介质波导滤波器，该双模介质波导滤波器包括陶瓷本体100。即，双模介质波导滤波器的本体由一整块的微波陶瓷块烧制而成。
陶瓷本体100的上表面上设置有平行的两行盲孔110，第一行盲孔110包含两个盲孔110，第二行盲孔110包含三个盲孔110，且两行盲孔110之间设置有贯穿陶瓷本体的交叉耦合窗口120。
其中，每个盲孔110是在陶瓷本体100上加工得到的用于加载谐振频率的盲孔，且每个盲孔110对应于一个谐振频率。盲孔110的形状和深度可以根据实际需求设计，本实施例中不作限制，图1中仅以盲孔110为圆形来进行举例说明。
如图1所示，上表面上总共设有五个盲孔110，其中的三个盲孔110排成一行，剩余两个盲孔110排成另一行，且这两行盲孔110相互平行。每行中盲孔110之间的距离可以根据实际需求设计，本实施例中不作限制。
两行盲孔110之间设置有十字形的交叉耦合窗口120，该交叉耦合窗口120的长边与两行盲孔110平行，短边与两行盲孔110垂直。交叉耦合窗口120的长边和短边的尺寸可以根据实际需求设计，本实施例中不作限制。
如图2所示，陶瓷本体100的下表面上设置有输入端130、输出端140和一个盲孔110，且盲孔110映射到上表面上的位置排列在第一行盲孔110的末端。
在一种实现方式中，输入端130和输出端140可以是同轴端口，端口特性阻抗为50欧姆。在另一种实现方式中，也可以将双模介质波导滤波器的同轴接口换为PCB（PrintedCircuit Board，印制电路板），实现表贴封装结构。
本实施例中，下表面上只设有一个盲孔110，且盲孔110映射到上表面上的位置排列在第一行盲孔110的末端。即，盲孔110映射到上表面上的位置排列在第一行盲孔110中第二个盲孔110之后，与第二行盲孔110中的第三个盲孔110相对。
如图3所示，陶瓷本体100中与盲孔110的排列方向相垂直的一个侧面上设置有两个盲孔110，且两个盲孔110分别与加强筋150的两端相连。
侧面上位于第一行盲孔110的排列方向上的一个盲孔110与下表面上的盲孔110形成一个双模谐振腔，侧面上位于第二行盲孔110的排列方向上的一个盲孔110与第二行盲孔110中的最后一个盲孔110形成一个双模谐振腔。
以图3为例，则侧面中右下角的盲孔110与上表面中位于右侧的第一行盲孔110中的最下面的盲孔110形成一个双模谐振腔（见图3中右下角的虚线框），侧面中左上角的盲孔110与下表面中的一个盲孔110形成一个双模谐振腔（见图3中左上角的虚线框）。
本实施例中，侧面上的两个盲孔110之间的耦合强度与加强筋150的高度大小呈正相关关系。即，加强筋150的高度越高，耦合强度越强；加强筋150的高度越低，耦合强度越弱。
另外，双模谐振腔内两个盲孔110之间的耦合强度与两个盲孔110的距离大小呈负相关关系。即，两个盲孔110之间的距离越远，耦合越弱；两个盲孔110之间的距离越近，耦合越强。
请参考图4所示的一个双模谐振腔，该双模谐振腔是一个单体的陶瓷块，在陶瓷块的竖直方向（上表面或下表面）和水平方向（侧面）分别设置一个盲孔110，就构成了一个介质波导的双模谐振腔。双模谐振腔中的两个盲孔110的作用是进行加载，以降低谐振频率。其中，双模谐振腔的谐振频率与盲孔110的深度呈负相关关系。即，盲孔110的深度越深，谐振频率越低；盲孔110的深度越浅，谐振频率越高。
本实施例中，双模谐振腔包含两种谐振模式，每种谐振模式由一个盲孔110和陶瓷本体100形成，且每种谐振模式的电场方向与对应的盲孔110的深度方向平行。如图4所示，盲孔1和陶瓷块形成谐振模式1（波导TE模和同轴TEM的混合模式），其电场为E1方向，盲孔2和陶瓷块形成谐振模式2（波导TE模和同轴TEM的混合模式），其电场方向为E2方向，且E1方向和E2方向相互垂直。由于一个双模谐振腔存在两个谐振模式，一个双模谐振腔相当于两个单模谐振腔，且Q值几乎不变，因此，采用该双模谐振器，单腔体积可以降低一半。
不同于常规的简并模双模谐振腔，本实施例中的双模谐振腔内采用盲孔110加载，因此，两个谐振模式并不是完全正交的，两个谐振模式之间存在一定的耦合（两个谐振模式之间不需要像常规的简并模双模谐振腔那样，通过在一个棱边切角，或者在棱边上打一个45的斜向的盲孔产生耦合）。另外，和常规的简并模双模谐振腔不同的是，采用这种半盲孔110加载的双模谐振腔的二次谐波和单模谐振腔几乎一致。
图6示出了两个双模谐振腔之间的耦合关系，其中一个双模谐振腔中的盲孔110在上表面，另一个双模谐振腔中的盲孔110在下表面，M12 和M34分别表示双模谐振腔内部的两个谐振频率之间的耦合。由于一个盲孔110在上表面而另外一个盲孔110在下表面，当这两个盲孔110同时与侧面的盲孔110耦合时，M12和M34之间的极性是相反的，从而实现了极性翻转，因此，通过M14形成的交叉耦合会在通带的高低两端形成两个对称的传输零点，M14表示上表面和下表面的两个盲孔110之间的耦合，该耦合为一个正的电感性的耦合。即，两个双模谐振腔中位于上表面和下表面的两个盲孔110之间形成的交叉耦合在通带的高低两端形成两个对称的传输零点。M23表示侧面两个盲孔110之间的耦合。
本实施例中的双模介质波导滤波器为八阶两个零点的滤波器。请参考图6，其中，第一个、第二个、第七个和第八个为单模谐振腔，其余的为双模谐振腔。这样，可以在目前与常规六阶滤波器相同的尺寸内实现八阶滤波器，且可以保证双模介质波导滤波器的单腔Q值基本保持不变。
本实施例中的双模介质波导滤波器和目前市面大规模应用的六阶滤波器的外形尺寸一致，均为30*19*6mm。
需要说明的是，本实施例中的双模介质波导滤波器的所有尺寸是按照滤波器的技术指标，由电磁仿真软件（HFSS、CST）通过仿真优化得到。
请参考图7，根据双模介质波导滤波器的频率响应曲线可知，上述技术可以实现八阶两个零点的频率响应，但是其外形尺寸和目前常用的六阶滤波器一样，可以使其体积减小1/4。若采用上述技术实现六阶滤波器，则在保持同样性能的前提下其体积可以减小1/3。本技术同样可以扩展到更多的谐振腔滤波器中使用。
综上所述，本实施例提供的双模介质波导滤波器，由于侧面上设置有两个盲孔，且两个盲孔分别与离其最近的上表面和下表面的盲孔形成两个双模谐振腔，其余谐振腔为单模谐振腔，这样，可以在目前与常规六阶滤波器相同的尺寸内实现八阶滤波器，且可以保证双模介质波导滤波器的单腔Q值基本保持不变。
两个双模谐振腔中，一个盲孔位于陶瓷本体的上表面，另外一个盲孔位于陶瓷本体的下表面，这两个盲孔的方向相反，从而实现耦合极性转化，不需要在耦合窗口处加载一个很深的盲孔的条件下即可实现对称传输零点。
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通信系统的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述双模介质波导滤波器中包括陶瓷本体；
所述陶瓷本体的上表面上设置有平行的两行盲孔，第一行盲孔包含两个盲孔，第二行盲孔包含三个盲孔，且所述两行盲孔之间设置有贯穿所述陶瓷本体的交叉耦合窗口；
所述陶瓷本体的下表面上设置有输入端、输出端和一个盲孔，且所述盲孔映射到所述上表面上的位置排列在所述第一行盲孔的末端；
所述陶瓷本体中与所述盲孔的排列方向相垂直的一个侧面上设置有两个盲孔，且所述两个盲孔分别与加强筋的两端相连；
所述侧面上位于所述第一行盲孔的排列方向上的一个盲孔与所述下表面上的盲孔形成一个双模谐振腔，所述侧面上位于所述第二行盲孔的排列方向上的一个盲孔与所述第二行盲孔中的最后一个盲孔形成一个双模谐振腔。
2.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述侧面上的两个盲孔之间的耦合强度与所述加强筋的高度大小呈正相关关系。
3.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述双模谐振腔内两个盲孔之间的耦合强度与所述两个盲孔的距离大小呈负相关关系。
4.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述双模谐振腔的谐振频率与所述盲孔的深度呈负相关关系。
5.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述双模谐振腔包含两种谐振模式，每种谐振模式由一个盲孔和陶瓷本体形成，且每种谐振模式的电场方向与对应的盲孔的深度方向平行。
6.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，两个双模谐振腔之间形成了极性相反的耦合，在交叉耦合处实现了耦合系数的极性翻转。
7.根据权利要求6所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，两个双模谐振腔中位于所述上表面和所述下表面的两个盲孔之间形成的交叉耦合在通带的两端形成两个对称的传输零点。
8.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述输入端和所述输出端为同轴端口。
9.根据权利要求1所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述输入端和所述输出端为印制电路板PCB，以实现表贴封装结构。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的双模介质波导滤波器，其特征在于，所述双模介质波导滤波器为八阶两个零点的滤波器。
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