CN115275544B - 一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器 - Google Patents

一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，包括介质块和盖在介质块上方的印刷电路板，介质块包括通过外表面金属化的耦合窗口连接的两个异类双模谐振器。该异类双模谐振器通过在介质波导谐振器上表面挖出一个镂空矩形环结构并在其内设置一段二分之一波长的带状线共同构成。该异类双模谐振器的两个模式分别为介质波导谐振器的TM110模和设置在介质波导谐振器内的二分之一波长谐振器的TEM模。本发明通过改变二分之一波长谐振器的长度，该滤波器的传输零点的位置可以灵活调整，零点可以设置在通带频率较低或较高的一端，也可以设置在通带的两端，从而使得滤波器的频率选择性可控。

Description

一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器
技术领域
本发明涉及通信设备组件技术领域，尤其涉及一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器。
背景技术
现代信息通信产业发展迅速，移动通信系统也在不断更新换代。微波滤波器作为移动通信系统的关键元件之一，一直保持着发展和更新。对于5G及未来移动通信系统，基站滤波器的总体用量大大提升，这就对基站滤波器的尺寸、重量、损耗、选择性等提出了更加严格的要求。介质波导滤波器是通过在一体成型的高介电常数、低损耗介质陶瓷结构表面金属化来实现的，可以很好地满足5G及未来移动通信系统的低损耗、小型化、轻量化等要求。然而，实际应用中，还需要进一步减小滤波器尺寸，这就需要用到多模技术。利用多模技术可以在保证滤波性能的前提下，减少谐振器的个数，进而减小介质波导滤波器的尺寸，这对滤波器小型化的发展具有十分重要的意义。另一方面，滤波器的选择性受传输零点位置的影响。
目前，现有介质波导滤波器主要包括以下两个缺点：
1、尺寸偏大。相比于单模谐振器，双模谐振器具有体积更小和插入损耗更低的优点。现有介质波导滤波器大多采用单模谐振器进行设计，其体积和插入损耗有待降低。也有少数双模介质波导滤波器被报道，但是采用的是介质波导谐振器的一对简并模形成双模谐振器，使得其设计灵活度受限。
2、传输零点不可控。随着现代通信需求的高速发展，可利用的频谱资源日益紧张，因此对滤波器的频率选择特性的要求越来越高。设计一个传输零点可控的带通滤波器对提高滤波器的频率选择特性具有重大意义。现有介质波导滤波器零点不可控，一定程度上限制了其应用空间。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，该介质波导滤波器同时具有小型化和零点可控（即选择性可控）的优点。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种异类双模谐振器，包括表面金属化的介质波导谐振器，其特征在于：所述介质波导谐振器的上表面开设有下沉的矩形环结构，矩形环结构的中央形成凸台，所述矩形环结构的底部紧贴设置有二分之一波长带状线，所述二分之一波长带状线构成二分之一波长谐振器，所述凸台上表面设置有第一金属化盲孔，介质波导谐振器的下表面设置第二金属化盲孔。
进一步的，本发明异类双模谐振器具有两个模式，分别为介质波导谐振器的TM110模和设置在介质波导谐振器内的二分之一波长谐振器的TEM模。
其中，第一金属化盲孔用于控制介质波导谐振器TM110模的谐振频率；第二金属化盲孔用于控制异类双模谐振器两个模式之间的耦合；通过改变二分之一波长带状线的长度调节异类双模谐振器的传输零点位置。
此外，本发明还提出了一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：包括介质块和盖在介质块上方的印刷电路板，所述介质块包括通过外表面金属化的耦合窗口连接的两个上述的异类双模谐振器，印刷电路板的上、下表面均覆盖金属层，印刷电路板的上表面设置有输入端口和输出端口，输入端口经第一探针连接第一异类双模谐振器的二分之一波长谐振器，输出端口经第二探针连接第二异类双模谐振器的二分之一波长谐振器。
更进一步的，所述印刷电路板的上表面设置有与金属层绝缘的输入微带线和输出微带线，印刷电路板的下表面设置有与金属层绝缘的第一金属圆盘和第二金属圆盘，输入微带线的外端连接输入端口，内端经第一金属化通孔与第一金属圆盘连接；输出微带线的外端连接输出端口，内端经第二金属化通孔连接第二金属圆盘；所述第一金属圆盘与第一探针电接触，第二金属圆盘与第二探针电接触。
进一步的，信号由输入端口经输入微带线、第一金属化通孔、第一金属圆盘和第一探针馈入第一二分之一波长谐振器，激励起第一二分之一波长谐振器的TEM模， TEM模经过由第一异类双模谐振器的第二金属化盲孔耦合为第一介质波导谐振器的TM110模，该TM110模经耦合窗口耦合为第二介质波导谐振器的TM110模，该TM110模经过由第二异类双模谐振器的第二金属化盲孔耦合为第二二分之一波长谐振器的TEM模，最后经过第二探针、第二金属圆盘、第二金属化通孔、输出位带线从输出端口输出。
本发明利用正方形介质波导谐振器的基模TE110和在其内设置的二分之一波长带状线谐振器的TEM模，使其构成异类双模介质波导谐振器。利用此异类双模介质波导谐振器设计滤波器可以将谐振器的数量减半，即设计一个四阶的介质波导滤波器仅需要两个双模介质波导谐振器，这使得滤波器的整体尺寸可以降低52%左右。同时，与现有同类双模技术相比，本发明具有更好的设计灵活度。
此外，通过改变二分之一波长谐振器的长度，该滤波器的传输零点的位置可以灵活调整，零点可以设置在通带频率较低或较高的一端，也可以设置在通带的两端，从而使得滤波器的频率选择性可控。
本发明提出的基于异类双模谐振器的小型化介质波导滤波器同时具有小型化和高选择性的优点，且通带范围均可覆盖3400MHz到3500MHz（中国电信的5G主力频段）。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1是本发明所使用的异类双模介质波导谐振器三维结构示意图。
图2是四阶双模介质波导滤波器三维爆炸图。
图3是本发明所用二分之一波长谐振器示意图。
图4是本发明提供传输零点在通带频率较低端介质波导滤波器实施例的仿真结果。
图5是本发明提供传输零点在通带频率较低端随二分之一波长谐振器的长度l 1、l 2变化的仿真结果。
图6是本发明提供传输零点在通带频率较高端介质波导滤波器实施例的仿真结果。
图7是本发明提供传输零点在通带频率较高端随二分之一波长谐振器的长度l 1、l 2变化的仿真结果。
图8是本发明提供传输零点在通带频率两端介质波导滤波器实施例的仿真结果。
图9是本发明提供传输零点在通带频率两端随二分之一波长谐振器的长度l 1、l 2变化的仿真结果。
图10是本发明提供两个传输零点在通带频率低端介质波导滤波器实施例的仿真结果（l 1=13.58mm, l 2=13.68mm）。
图11是本发明提供两个传输零点在通带频率高端介质波导滤波器实施例的仿真结果（l 1=12.71mm, l 2=12.63mm）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，本实施例异类双模谐振器包括表面金属化的介质波导谐振器A，该介质波导谐振器A的上表面开设有下沉的矩形环结构B，矩形环结构B表面未金属化，矩形环结构B的中央形成凸台C，矩形环结构B的底部紧贴设置有二分之一波长带状线D，二分之一波长带状线D构成二分之一波长谐振器，凸台C上表面设置有第一金属化盲孔E，介质波导谐振器的下表面设置第二金属化盲孔F。该异类双模谐振器，具有两个模式，分别为介质波导谐振器的TM110模和设置在介质波导谐振器内的二分之一波长谐振器的TEM模。
利用此异类双模介质波导谐振器设计滤波器可以将谐振器的数量减半，即设计一个四阶的介质波导滤波器仅需要两个双模介质波导谐振器，这使得滤波器的整体尺寸可以降低52%左右。同时，与现有同类双模技术相比，本发明具有更好的设计灵活度。
此外，通过改变二分之一波长谐振器的长度，该滤波器的传输零点的位置可以灵活调整，零点可以设置在通带频率较低或较高的一端，也可以设置在通带的两端，从而使得滤波器的频率选择性可控。
其中，第一金属化盲孔E用于控制介质波导谐振器TM110模的谐振频率；第二金属化盲孔F用于控制异类双模谐振器两个模式之间的耦合；通过改变二分之一波长带状线的长度调节异类双模谐振器的传输零点位置。
该异类双模谐振器除了矩形环结构B表面，其他部分均金属化。
实施例二
如图2所示，本实施例基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，包括介质块1和盖在介质块1上方的印刷电路板2，介质块1包括通过外表面金属化的耦合窗口7连接的两个实施例一的异类双模谐振器。如图所示，第一异类双模谐振器由第一二分之一波长谐振器R1和第一介质波导谐振器R2构成，第二异类双模谐振器由第二二分之一波长谐振器R4和第二介质波导谐振器R3构成。
印刷电路板2的上、下表面均覆盖金属层，印刷电路板2的上表面设置有输入端口P1和输出端口P2，输入端口P1经第一探针81连接第一异类双模谐振器的二分之一波长谐振器R1，输出端口P2经第二探针82连接第二异类双模谐振器的二分之一波长谐振器R4。
印刷电路板2的上表面设置有与金属层绝缘的输入微带线31和输出微带线32，印刷电路板2的下表面设置有与金属层绝缘的第一金属圆盘51和第二金属圆盘52，输入微带线31的外端连接输入端口P1，内端经第一金属化通孔41与第一金属圆盘51连接；输出微带线32的外端连接输出端口P2，内端经第二金属化通孔42连接第二金属圆盘52；所述第一金属圆盘51与第一探针81电接触，第二金属圆盘52与第二探针82电接触。
本例中，第一金属圆盘51和第二金属圆盘52的周围刻蚀环形非金属部分，使得第一金属圆盘51和第二金属圆盘52与印刷电路板2下表面金属层绝缘。通过对输入微带线31和输出微带线32的外围做刻蚀处理，使得输入微带线31和输出微带线32与印刷电路板2上表面金属层绝缘。
下面描述该四阶滤波器的工作过程：
信号由输入端口P1经输入微带线31、第一金属化通孔41、第一金属圆盘51和第一探针81馈入第一二分之一波长谐振器R1，激励起第一二分之一波长谐振器R1的TEM模， TEM模经过由第一异类双模谐振器的第二金属化盲孔61耦合为第一介质波导谐振器R2的TM110模，该TM110模经耦合窗口7耦合为第二介质波导谐振器R3的TM110模，该TM110模经过由第二异类双模谐振器的第二金属化盲孔64耦合为第二二分之一波长谐振器R4的TEM模，最后经过第二探针82、第二金属圆盘52、第二金属化通孔42、输出位带线32从输出端口P2输出。
本发明是一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，通过改变图2中谐振器R1的长度l 1与谐振器R4的长度l 2（具体长度标注在图3中展示），传输零点位置可以灵活调整。当谐振器R1的长度l 1与谐振器R4的长度l 2相等且较短时，滤波器的仿真结果如图4所示，滤波器的传输零点的位置处于通带频率较低的一端，且由图5可以看出，随着二分之一波长谐振器的长度l 1、l 2变大，滤波器的位于通带左侧的传输零点的位置也随之向频率更低的方向移动；当谐振器R1的长度l 1与谐振器R4的长度l 2相等且较长时，滤波器的仿真结果如图6所示，滤波器的传输零点的位置处于通带频率较高的一端，且由图7可以看出，随着二分之一波长谐振器的长度l 1、l 2变大，滤波器的位于通带右侧的传输零点的位置也随之向频率更低的方向移动；当谐振器R1的长度l 1与谐振器R4的长度l 2不等即一方较长一方较短时，滤波器的仿真结果如图8所示，滤波器通带频率的高端和低端都具有传输零点，且由图9可以看出，随着二分之一波长谐振器的长度l 1变大、l 2变小，滤波器的位于通带左右两侧的传输零点的位置向远离通带的方向移动。
除此之外，本方案还给出了通带频率较低端和较高端存在两个传输零点的情况，其仿真结果分别如图10和图11所示（图10中的l 1=13.58mm、l 2=13.68mm，图11中的l 1=12.71mm、l 2=12.63mm）。由上可以看出该发明的传输零点充分灵活可控。本发明设计的介质波导滤波器的滤波通带均可覆盖3400MHz到3500MHz（中国电信的5G主力频段），可行性与实用性较高。（上述仿真结果均为计算机模拟结果）。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种异类双模谐振器，包括表面金属化的介质波导谐振器，其特征在于：所述介质波导谐振器的上表面开设有下沉的矩形环结构，矩形环结构的中央形成凸台，所述矩形环结构的底部紧贴设置有二分之一波长带状线，所述二分之一波长带状线构成二分之一波长谐振器，所述凸台上表面设置有第一金属化盲孔，介质波导谐振器的下表面设置第二金属化盲孔，所述异类双模谐振器具有两个模式，分别为介质波导谐振器的TM110模和设置在介质波导谐振器内的二分之一波长谐振器的TEM模；所述第一金属化盲孔用于控制介质波导谐振器TM110模的谐振频率；所述第二金属化盲孔用于控制异类双模谐振器两个模式之间的耦合；通过改变二分之一波长带状线的长度调节异类双模谐振器的传输零点位置。
2.根据权利要求1所述的异类双模谐振器，其特征在于：所述矩形环结构表面未金属化。
3.一种基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：包括介质块（1）和盖在介质块（1）上方的印刷电路板（2），所述介质块（1）包括通过外表面金属化的耦合窗口（7）连接的两个如权利要求1-2任一项所述的异类双模谐振器，印刷电路板（2）的上、下表面均覆盖金属层，印刷电路板（2）的上表面设置有输入端口（P1）和输出端口（P2），输入端口（P1）经第一探针（81）连接第一异类双模谐振器的二分之一波长谐振器（R1），输出端口（P2）经第二探针（82）连接第二异类双模谐振器的二分之一波长谐振器（R4）。
4.根据权利要求3所述的基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：所述印刷电路板（2）的上表面设置有与金属层绝缘的输入微带线（31）和输出微带线（32），印刷电路板（2）的下表面设置有与金属层绝缘的第一金属圆盘（51）和第二金属圆盘（52），输入微带线（31）的外端连接输入端口（P1），内端经第一金属化通孔（41）与第一金属圆盘（51）连接；输出微带线（32）的外端连接输出端口（P2），内端经第二金属化通孔（42）连接第二金属圆盘（52）；所述第一金属圆盘（51）与第一探针（81）电接触，第二金属圆盘（52）与第二探针（82）电接触。
5.根据权利要求4所述的基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：第一金属圆盘（51）和第二金属圆盘（52）的周围刻蚀环形非金属部分，使得第一金属圆盘（51）和第二金属圆盘（52）与印刷电路板（2）下表面金属层绝缘。
6.根据权利要求4所述的基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：通过对输入微带线（31）和输出微带线（32）的外围做刻蚀处理，使得输入微带线（31）和输出微带线（32）与印刷电路板（2）上表面金属层绝缘。
7.根据权利要求6所述的基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：第一异类双模谐振器由第一二分之一波长谐振器（R1）和第一介质波导谐振器（R2）构成，第二异类双模谐振器由第二二分之一波长谐振器（R4）和第二介质波导谐振器（R3）构成。
8. 根据权利要求7所述的基于异类双模谐振器的零点可控介质波导滤波器，其特征在于：信号由输入端口（P1）经输入微带线（31）、第一金属化通孔（41）、第一金属圆盘（51）和第一探针（81）馈入第一二分之一波长谐振器（R1），激励起第一二分之一波长谐振器（R1）的TEM模， TEM模经过由第一异类双模谐振器的第二金属化盲孔（61）耦合为第一介质波导谐振器（R2）的TM110模，该TM110模经耦合窗口（7）耦合为第二介质波导谐振器（R3）的TM110模，该TM110模经过由第二异类双模谐振器的第二金属化盲孔（64）耦合为第二二分之一波长谐振器（R4）的TEM模，最后经过第二探针（82）、第二金属圆盘（52）、第二金属化通孔（42）、输出位带线（32）从输出端口（P2）输出。
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