CN115241618B - 一种频变交叉耦合同轴滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种频变交叉耦合同轴滤波器，包括N个双枝节谐振器，双枝节谐振器包括谐振杆和安装于谐振杆顶部的加载盘，谐振杆的底部为短路面，垂直安装在滤波器腔体内壁上，加载盘本体上设置有两个加载盘枝节；第i个双枝节谐振器与第i+1个双枝节谐振器邻接，i＝1、2…N‑1，每个双枝节谐振器与其邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合；非邻接的双枝节谐振器之间形成至少一个频变交叉耦合单元，频变交叉耦合单元包括两个非邻接的双枝节谐振器，此两个双枝节谐振器之间形成交叉耦合，同时此两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接形成电耦合，此两个双枝节谐振器相邻的加载盘枝节之间形成磁耦合。本发明在不提高滤波器阶数的条件下提升了滤波器的频率选择性。
Description
技术领域
本发明属于微波滤波器领域，特别涉及一种频变交叉耦合同轴滤波器及其设计方法。
背景技术
传统的椭圆函数滤波器，通过交叉耦合可以实现N-2个传输零点，已经成熟并得到广泛应用；频变耦合滤波器在带外可形成额外的传输零点，可以较低的阶数达到原本需要更高阶滤波器才能提供的频率选择性，减小滤波器的损耗和体积，但是存在以下不足：
频变耦合滤波器实现N-1个传输零点时，相邻两组的频变耦合中的磁耦合会产生寄生耦合，从而导致传输零点位置发生变化，不能满足带外抑制指标需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种频变交叉耦合同轴滤波器及其设计方法，增加带外抑制，提高频率选择性，提高滤波器传输特性。
本发明的技术解决方案是：
一种频变交叉耦合同轴滤波器，包括N个双枝节谐振器，所述双枝节谐振器包括谐振杆和安装于谐振杆顶部的加载盘，所述谐振杆的底部为短路面，垂直安装在滤波器腔体内壁上，所述加载盘本体上设置有两个加载盘枝节；第i个双枝节谐振器与第i+1个双枝节谐振器邻接，i＝1、2...N-1，每个双枝节谐振器与其邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合；非邻接的双枝节谐振器之间形成至少一个频变交叉耦合单元，所述频变交叉耦合单元由两个非邻接的双枝节谐振器构成，此两个双枝节谐振器之间形成交叉耦合，同时此两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接，形成磁耦合，此两个双枝节谐振器相邻的加载盘枝节之间形成电耦合。
优选的，所述频变交叉耦合单元在滤波器的中心谐振频率处的频变交叉耦合系数等于滤波器耦合矩阵中频变交叉耦合系数的理论值，所述频变交叉耦合单元的频变交叉耦合系数的斜率在滤波器带外抑制点处的值为0。
优选的，所述主耦合为邻接的两个双枝节谐振器的加载盘之间形成的电耦合或邻接的两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接形成的磁耦合。
优选的，所述双枝节谐振器为1/4波长双枝节谐振器。
优选的，所述频变交叉耦合单元的两个双枝节谐振器形成磁耦合的两个加载盘枝节相对设置。
优选的，所述双枝节谐振器的两个加载盘枝节之间形成的角度大于0°小于180°。
优选的，所述N≥3。
一种频变交叉耦合同轴滤波器设计方法，用于对频变交叉耦合同轴滤波器进行设计，包括以下步骤：
(1)获取滤波器设计指标，包括中心频点、带宽、带外抑制和插入损耗；
(2)根据带外抑制指标，确定滤波器传输零点，包括交叉耦合传输零点和频变耦合传输零点；
(3)根据滤波器传输零点位置，计算频变交叉耦合系数的斜率设计值，同时根据滤波器设计指标综合出耦合矩阵，所述耦合矩阵包括滤波器各双枝节谐振器的谐振频率及各耦合系数的理论值；
(4)建立滤波器模型，滤波器模型包括N个通过谐振杆安装于滤波器腔体内壁的双枝节谐振器，N为滤波器阶数，所述双枝节谐振器包括谐振杆和安装于谐振杆顶部的加载盘，所述加载盘本体上设置有两个加载盘枝节，第i个双枝节谐振器与第i+1个双枝节谐振器邻接，邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合，所述主耦合为通过加载盘枝节之间形成的电耦合或谐振杆之间设置连接筋形成的磁耦合，非邻接的双枝节谐振器之间形成至少一个频变交叉耦合单元，所述频变交叉耦合单元由两个非邻接的双枝节谐振器构成，此两个双枝节谐振器之间形成交叉耦合，同时此两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接，形成磁耦合，此两个双枝节谐振器相邻的加载盘枝节之间形成电耦合；
(5)利用滤波器模型对滤波器进行仿真计算，获取频变交叉耦合系数的斜率仿真值和耦合矩阵中各耦合系数的仿真值；
(6)通过调整主耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得耦合矩阵中各耦合系数的仿真值达到理论值；
(7)通过调整频变交叉耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得频变交叉耦合系数斜率的仿真值达到理论值，完成设计。
优选的，通过调整主耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得综合耦合矩阵中各耦合系数的仿真值达到设计值，包括：当主耦合系数为正时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器之间的连接筋的高度调整该主耦合系数；当主耦合系数为负时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器加载盘枝节长度调整该主耦合系数。
优选的，通过调整频变交叉耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得频变交叉耦合系数斜率的仿真值达到设计值，包括：通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器之间的连接筋的高度改变磁耦合大小，通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离改变电耦合大小，通过对电耦合与磁耦合大小的协同调整对频变交叉耦合系数斜率进行调整。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过对滤波器的交叉耦合采用频变耦合结构，引入额外的带外传输零点，在不增加滤波器的阶数情况下，增加带外抑制，提高频率选择性；或者在满足滤波器带外抑制的情况下，通过频变耦合引入额外的带外传输零点，可以拓展滤波器的带宽，降低插入损耗，提高滤波器传输特性；
(2)本发明滤波器采用双枝节结构的1/4波长双枝节谐振器，通过加载盘枝节长度和连接筋来控制主耦合和交叉耦合的大小和极性，可以任意设置传输零点位置；
(3)本发明N阶滤波器可以实现N-1个可控的传输零点，对交叉耦合和频变耦合引入的传输零点分别进行控制，可以很好的控制零点位置。
附图说明
图1为本发明实施例三阶频变交叉耦合同轴滤波器结构示意图；
图2为本发明实施例三阶频变交叉耦合同轴滤波器拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例三阶频变交叉耦合同轴滤波器谐振器结构示意图；
图4为本发明实施例设计的第一种频变交叉耦合同轴滤波器的传输特性图；
图5为本发明实施例设计的第二种频变交叉耦合同轴滤波器的传输特性图；
图6为本发明实施例设计的第三种频变交叉耦合同轴滤波器的传输特性图；
图7为本发明实施例设计的第四种频变交叉耦合同轴滤波器的传输特性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。
一种频变交叉耦合同轴滤波器，为N阶准椭圆函数滤波器，N≥3，N为整数。滤波器包含N个双枝节谐振器，所述双枝节谐振器为为1/4波长双枝节谐振器，包括谐振杆和加载盘；所述加载盘安装在谐振杆的顶端，通过紧固螺钉连接；所述加载盘，具有角度为thita的两个长方体枝节；角度0°＜thita＜180°；所述谐振杆为圆柱体结构，谐振杆底部为短路面，通过紧固螺钉安装在滤波器腔体内壁；第一个和第N个双枝节谐振器的谐振杆部分具有用于与滤波器的连接器连接的焊接孔。
第i双枝节谐振器与第i+1双枝节谐振器邻接，i＝1、2...N-1，每个双枝节谐振器与其邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合；形成N-1个主耦合，由非邻接的双枝节谐振器形成至少一个交叉耦合，且所述交叉耦合为频变耦合结构，形成频变交叉耦合单元，所述频变交叉耦合单元的两个双枝节谐振器的短路面由连接筋连接，提供磁耦合；所述的双枝节谐振器的开路面由加载盘枝节提供电耦合；当电耦合大于磁耦合时，交叉耦合极性为负；当磁耦合大于电耦合时，交叉耦合极性为正。电磁耦合共同起作用引起交叉耦合系数的斜率改变，通过调整频变交叉耦合单元的的电磁耦合，即双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离(电耦合)和连接筋(磁耦合)更改交叉耦合系数的斜率，使交叉耦合系数在中心谐振频率处为设计值，由交叉耦合产生第一个传输零点；同时使交叉耦合系数的斜率，在带外抑制点处的值为0，由频变结构产生第二个传输零点。
下面通过实施例进行说明，如图1所示，包括腔体1、盖板2、双枝节谐振器31、32和33、调谐螺钉4、紧固螺钉5、输入输出连接器6。本实施例中的频变交叉耦合同轴滤波器为三阶滤波器，其拓扑结构如图2所示，包括双枝节谐振器31、双枝节谐振器32和双枝节谐振器33，相邻接的双枝节谐振器31和双枝节谐振器32之间的耦合为主耦合M12，相邻接的双枝节谐振器32和双枝节谐振器33之间的耦合为主耦合M23，非邻接的双枝节谐振器31和双枝节谐振器33之间的耦合为交叉耦合M13；三个双枝节谐振器的归一化谐振频率分别为M302、M22和M33。
滤波器的主耦合包括两种结构，分别为由两个双枝节谐振器加载盘枝节提供的电耦合(负耦合)或由连接筋提供的磁耦合(正耦合)。在综合的耦合矩阵中，主耦合的系数为正时，通过调整连接筋的高度，使滤波器的主耦合大小等于耦合矩阵中的耦合系数；主耦合的系数为负时，通过调整两个双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离，使滤波器的主耦合大小等于耦合矩阵中的耦合系数。
滤波器信号从输入连接器6进入，主要能量耦合到第一个双枝节谐振器31，然后通过连接筋进入第二个双枝节谐振器32，同理至第3个双枝节谐振器33；部分能量从第一个双枝节谐振器31通过频变结构耦合到第三个双枝节谐振器33，最后耦合到输出焊接杆从输出接头输出信号。
交叉耦合M13为频变耦合结构，如图3所示，双枝节谐振器31与双枝节谐振器33的谐振杆通过连接筋302连接，提供磁耦合，双枝节谐振器31与双枝节谐振器33之间顶部的加载盘枝节端面301相对设置，提供电耦合；当电耦合大于磁耦合时，交叉耦合极性为负；当磁耦合大于电耦合时，交叉耦合极性为正。电磁耦合共同起作用改变交叉耦合系数的斜率。通过调整双枝节谐振器31与双枝节谐振器33加载盘枝节之间的距离可以调节电耦合的大小，通过调整双枝节谐振器31与双枝节谐振器33之间连接筋的高度可以调节磁耦合的大小，通过调整电耦合和磁耦合改变交叉耦合M13系数的斜率，使交叉耦合M13系数在中心谐振频率f0处的值M13(f0)为交叉耦合系数设计值，由交叉耦合产生第一个谐振零点TZ1，同时使交叉耦合M13系数在带外抑制点TZ2处的值为0，产生第二个传输零点。
本发明频变交叉耦合同轴滤波器的设计方法包括以下步骤：
S1：获取滤波器设计指标，包括中心频点、带宽、带外抑制和插入损耗，
S2：根据带外抑制指标，确定滤波器传输零点，包括交叉耦合传输零点和频变耦合传输零点；
S3：根据滤波器传输零点位置，计算频变交叉耦合系数斜率的设计值，根据滤波器设计指标综合出耦合矩阵，所述耦合矩阵包括滤波器各谐振器的谐振频率及各耦合的耦合系数的理论值；
S4：建立滤波器模型，对滤波器进行仿真计算，获取频变交叉耦合系数斜率的仿真值和耦合矩阵中各耦合系数的仿真值；
S5：通过调整主耦合相关的滤波器物理参数，使得耦合矩阵中各耦合系数的仿真值达到理论值；
当主耦合系数为正时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器之间的连接筋的高度调整该主耦合系数；当主耦合系数为负时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离调整该主耦合系数；
使交叉耦合系数斜率的仿真值在中心谐振频率处达到设计值，由交叉耦合产生第一个传输零点；
S6：通过调整频变交叉耦合相关的滤波器物理参数，使得频变交叉耦合系数斜率的仿真值达到理论值；
通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器之间的连接筋的高度改变磁耦合大小，通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离改变电耦合大小，通过对电耦合与磁耦合大小的协同调整对频变交叉耦合系数斜率进行调整；使交叉耦合系数的斜率，确定在带外抑制点处的值为0，由频变结构产生第二个传输零点；完成设计。
以本发明实施例中的三阶频变交叉耦合同轴滤波器为例，设计指标包括：中心频点为2.56GHz，带宽为40MHz，交叉耦合引入传输零点归一化位置TZ1位于+3.2或者-3.2，频变耦合引入传输零点位于+5.3或者-5.3。步骤S3综合的耦合矩阵如表1所示：
表1本发明实施例三阶频变交叉耦合同轴滤波器耦合矩阵
最终设计得到四种频变交叉耦合同轴滤波器，其电磁传输特性分别如图4～图7所示。图中，TZ1为交叉耦合引入的传输零点，TZ2为频变耦合引入的传输零点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，包括N个双枝节谐振器，所述双枝节谐振器包括谐振杆和安装于谐振杆顶部的加载盘，所述谐振杆的底部为短路面，垂直安装在滤波器腔体内壁上，所述加载盘本体上设置有两个加载盘枝节；第i个双枝节谐振器与第i+1个双枝节谐振器邻接，i＝1、2...N-1，每个双枝节谐振器与其邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合；非邻接的双枝节谐振器之间形成至少一个频变交叉耦合单元，所述频变交叉耦合单元由两个非邻接的双枝节谐振器构成，此两个双枝节谐振器之间形成交叉耦合，同时此两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接，形成磁耦合，此两个双枝节谐振器相邻的加载盘枝节之间形成电耦合。
2.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述频变交叉耦合单元在滤波器的中心谐振频率处的频变交叉耦合系数等于滤波器耦合矩阵中频变交叉耦合系数的理论值，所述频变交叉耦合单元的频变交叉耦合系数的斜率在滤波器带外抑制点处的值为0。
3.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述主耦合为邻接的两个双枝节谐振器的加载盘之间形成的电耦合或邻接的两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接形成的磁耦合。
4.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述双枝节谐振器为1/4波长双枝节谐振器。
5.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述频变交叉耦合单元的两个双枝节谐振器形成电耦合的两个加载盘枝节相对设置。
6.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述双枝节谐振器的两个加载盘枝节之间形成的角度大于0°小于180°。
7.根据权利要求1所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器，其特征在于，所述N≥3。
8.一种频变交叉耦合同轴滤波器设计方法，用于对权利要求1～7之一所述的频变交叉耦合同轴滤波器进行设计，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取滤波器设计指标，包括中心频点、带宽、带外抑制和插入损耗；
(2)根据带外抑制指标，确定滤波器传输零点，包括交叉耦合传输零点和频变耦合传输零点；
(3)根据滤波器传输零点位置，计算频变交叉耦合系数的斜率设计值，同时根据滤波器设计指标综合出耦合矩阵，所述耦合矩阵包括滤波器各双枝节谐振器的谐振频率及各耦合系数的理论值；
(4)建立滤波器模型，滤波器模型包括N个通过谐振杆安装于滤波器腔体内壁的双枝节谐振器，N为滤波器阶数，所述双枝节谐振器包括谐振杆和安装于谐振杆顶部的加载盘，所述加载盘本体上设置有两个加载盘枝节，第i个双枝节谐振器与第i+1个双枝节谐振器邻接，邻接的双枝节谐振器之间形成主耦合，所述主耦合为通过加载盘枝节之间形成的电耦合或谐振杆之间设置连接筋形成的磁耦合，非邻接的双枝节谐振器之间形成至少一个频变交叉耦合单元，所述频变交叉耦合单元由两个非邻接的双枝节谐振器构成，此两个双枝节谐振器之间形成交叉耦合，同时此两个双枝节谐振器的谐振杆通过连接筋连接，形成磁耦合，此两个双枝节谐振器相邻的加载盘枝节之间形成电耦合；
(5)利用滤波器模型对滤波器进行仿真计算，获取频变交叉耦合系数的斜率仿真值和耦合矩阵中各耦合系数的仿真值；
(6)通过调整主耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得耦合矩阵中各耦合系数的仿真值达到理论值；
(7)通过调整频变交叉耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得频变交叉耦合系数斜率的仿真值达到理论值，完成设计。
9.根据权利要求8所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，通过调整主耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得综合耦合矩阵中各耦合系数的仿真值达到设计值，包括：当主耦合系数为正时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器之间的连接筋的高度调整该主耦合系数；当主耦合系数为负时，通过调整形成该主耦合的两个邻接的双枝节谐振器加载盘枝节长度调整该主耦合系数。
10.根据权利要求8所述的一种频变交叉耦合同轴滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤(7)中，通过调整频变交叉耦合相关的双枝节谐振器的加载盘枝节长度与连接筋高度，使得频变交叉耦合系数斜率的仿真值达到设计值，包括：通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器之间的连接筋的高度改变磁耦合大小，通过调整形成该频变交叉耦合的两个双枝节谐振器加载盘枝节之间的距离改变电耦合大小，通过对电耦合与磁耦合大小的协同调整对频变交叉耦合系数斜率进行调整。
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