CN115295991B - 一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器。本发明包括金属腔体及设置于金属腔体内的四模介质谐振器；四模介质谐振器由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器正交排列得到；四模介质谐振器的下端通过支撑座与金属腔体的底面固定连接；金属腔体一侧壁上固定设置输入端口；在与固定设置输入端口的金属腔体一侧壁相互垂直连接的两个侧壁上，分别固定设置若干个输出端口N、若干个输出端口N‑1；输出端口N、输出端口N‑1关于四模介质谐振器为中心相互对称设置；四模介质谐振器为十字形四模介质谐振器；十字形四模介质谐振器在夹角处设有圆弧倒角；圆弧倒角用于调节TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对中的两个正交简并模的谐振频率。

Description

一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器

技术领域

本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器。

背景技术

随着通信频谱的日益拥挤，对滤波器的需求也在迅速增长。因此，滤波器的融合设计对于提高系统集成度，降低损耗具有重要的研究价值。无源器件如功分器和滤波器通常占据射频前端的大部分体积。将带通响应和功率分配两种功能集成在一个器件中，可以有效地减少滤波器的数量，近年来得到了广泛的研究。

一般情况下，射频通信系统的体积会随着通道数、端口数的增加而显著增大，导致设计与制造的难度增加。如何在滤波功分器的融合设计过程中实现多路输出，对于未来的多通道系统而言，具有重要的现实意义。

此外，随着通信系统兼容的通信频段和制式不断增加，可提高频谱利用率的双通带设计也是研究的热点。据此，具有同相/反相输出的双通带滤波器/功分器均时有报道。一个重要的设计方法是引入两个或更多的谐振频率/模式到滤波结构或谐振器中。与单模谐振器相比，多模谐振器在减小电路尺寸方面有更多的优点。因此，利用多模谐振器进行滤波功分器的研究，可以获得融合设计和多模谐振器的双重小型化优势，有利于整体性能的优化。

对于未来的小型化基站，介质谐振器在体积、功率容量和无载品质因数方面是金属波导与平面电路之间的一种折中选择。同时，介质谐振器的三维结构和低损耗特性也有利于多模工作以及高性能设计。然而，到目前为止，基于多模介质谐振器并且可实现多路输出的双通带滤波功分器还很少被提出。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，将双通带滤波器和功分器集成在一起并实现多路输出，从而使电路结构更加紧凑。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，包括金属腔体及设置于金属腔体内的四模介质谐振器；所述四模介质谐振器由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器正交排列得到；所述四模介质谐振器的上端通过紧固螺钉与金属腔体的顶面固定连接；所述四模介质谐振器的下端通过支撑座与金属腔体的底面固定连接；所述金属腔体一侧壁上固定设置输入端口；在与固定设置输入端口的金属腔体一侧壁相互垂直连接的两个侧壁上，分别固定设置若干个输出端口N、若干个输出端口N-1；所述输出端口N、输出端口N-1关于四模介质谐振器为中心相互对称设置；所述四模介质谐振器为十字形四模介质谐振器；所述十字形四模介质谐振器在夹角处设有圆弧倒角；所述圆弧倒角用于调节TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对中的两个正交简并模的谐振频率；所述TE^m ₁₁₀模式对形成低通带；所述TE^m ₂₁₀模式对形成高通带。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述输出端口N、输出端口N-1均等距设置，且每个输出端口的外部品质因数均为输入端口的外部品质因数的N-1倍。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述N为奇整数且大于等于3。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对的极化方向均偏转45°。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述输入端口、输出端口N及输出端口N-1均通过馈线与十字形四模介质谐振器耦合。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述馈线沿着十字形四模介质谐振器中的电场极化方向设置。

进一步的作为本发明的优选技术方案，所述支撑座为Al₂O₃支撑座；所述Al₂O₃支撑座通过螺钉固定在金属腔体的底面。

本发明所述的一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明涉及一种可实现多路输出的基于多模谐振器的双通带滤波功分器。本发明只要相邻输出端口的间距合适，且不影响安装，输出端可以沿着水平方向持续增加个数，从而获得多路输出。本发明所提出的四模谐振器是由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器经过正交排列后得到的。选择两对不受银制带条影响的模式对来分别构建两个通带，而其他模式可被调整到不出现在这两个通带之间。本发明的双通带滤波功分器的插入损耗低，通带之间的隔离良好，还可以实现同相/反相输出特性，在小型化的双通带多路无线通信系统中具有竞争力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的四模介质谐振器中的TE^m ₁₁₀模式对电场分布示意图；

图4为本发明的四模介质谐振器中的TE^m ₂₁₀模式对电场分布示意图；

图5为本发明的双通带多路滤波功分器拓扑结构示意图；

图6为本发明当N为3时基于四模介质谐振器的双通带两路滤波功分器示意图；

图7为本发明当N为3时基于四模介质谐振器的双通带两路滤波功分器俯视示意图；

图8为本发明基于四模介质谐振器的双通带两路滤波功分器的仿真S参数示意图；

图9为本发明的仿真相位差和幅度不平衡性能示意图；

图10为本发明当N为5时基于四模介质谐振器的双通带两路滤波功分器示意图；

图11为本发明基于四模介质谐振器的双通带四路滤波功分器的仿真S参数示意图；

图12为本发明的双通带四路滤波功分器端口2和3之间的相位差(∠S21-∠S31)示意图；

图13为本发明的双通带四路滤波功分器端口2和4之间的相位差(∠S21-∠S41)示意图；

图14为本发明的双通带四路滤波功分器端口4和5之间的相位差(∠S41-∠S51)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1-3所示，一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，包括金属腔体及设置于金属腔体内的四模介质谐振器；四模介质谐振器由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器正交排列得到；四模介质谐振器的上端通过紧固螺钉与金属腔体的顶面固定连接；四模介质谐振器的下端通过支撑座与金属腔体的底面固定连接；金属腔体一侧壁上固定设置输入端口；在与固定设置输入端口的金属腔体一侧壁相互垂直连接的两个侧壁上，分别固定设置若干个输出端口N、若干个输出端口N-1；输出端口N、输出端口N-1关于四模介质谐振器为中心相互对称设置；四模介质谐振器为十字形四模介质谐振器；十字形四模介质谐振器在夹角处设有圆弧倒角；圆弧倒角用于调节TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对中的两个正交简并模的谐振频率；TE^m ₁₁₀模式对形成低通带；TE^m ₂₁₀模式对形成高通带。

输出端口N、输出端口N-1均等距设置，且每个输出端口的外部品质因数均为输入端口的外部品质因数的N-1倍。N为奇整数且大于等于3。TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对的极化方向均偏转45°。输入端口、输出端口N及输出端口N-1均通过馈线与十字形四模介质谐振器耦合。馈线沿着十字形四模介质谐振器中的电场极化方向设置。只要相邻输出端口N及输出端口N-1的间距不影响安装，则输出端口N及输出端口N-1可以在水平方向上沿着输出端口N及输出端口N-1所在的两个侧壁持续增加个数，从而获得多路输出。在具体的实施过程中，需要微调输出端口N及输出端口N-1的馈线长度。越靠近所在腔体侧壁中间的馈线越短，越往两侧排列的馈线长度越长，从而保证输出端口的外部品质因数一致。支撑座为Al₂O₃支撑座；Al₂O₃支撑座通过螺钉固定在金属腔体的底面。

具体的，将两个相同的矩形介质谐振器正交排列后，得到所示的十字形四模介质谐振器。沿着两个正交方向，即a方向和b方向，将TE110模式和TE210模式分别重新定义为TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对，其中，m＝a或b。如图3-4中，给出了这四个模式的电场分布。每一对模式工作在相同的谐振频率，例如TE^a110和TE^b110。通过在十字形四模介质谐振器的夹角处设置圆弧倒角的方法，可以调节TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对中的两个正交简并模的谐振频率。根据图3-4中的电场分布，这两对模式将分别构建双通带滤波功分器的两个通带。

图5为基于单个四模谐振器的双通带多路滤波功分器拓扑结构，每个通带均具有二阶滤波响应。S表示输入端口，L_i(i＝1,2,…,N-1)表示输出端口。TE^m ₁₁₀和TE^m ₂₁₀模式对分别形成低通带和高通带。

具体的实施例一如图6-7所示，当N为3时，基于四模介质谐振器的双通带两路滤波功分器，该实施例的设计指标如下：低通带中心频率为1.78GHz，0.17-dB纹波带宽为0.73％；高通带中心频率为2.01GHz，0.11-db纹波带宽为0.65％。根据上述设计指标，可以得到与低通带设计指标对应的低通原型的集总参数为：g₀＝1，g₁＝0.9855，g₂＝0.6634，g₃＝1.4856；与高通带设计指标对应的低通原型的集总参数为：g₀＝1，g₁＝0.8692，g₂＝0.6309，g₃＝1.3777。因此，构建这两个通带所需的外部品质因数均接近135。

经过上述分析并进行优化后，该四模双通带滤波功分器的设计参数可以确定。最终的金属腔尺寸为45×45×53mm³，与之对应的电尺寸为

其中λ_0L为低通带中心频率对应的自由空间波长。可以看出，该功分器体积是非常紧凑的。此外，银制层的长度为21mm。用于微扰的介质条具有与四模介质谐振器相同的介电常数，将对各模式的谐振频率产生微小影响。为了使谐振模式的工作频率接近所需的双通带中心频率，微扰介质条的横截面边长设置为3.9mm。三个端口的馈线长度分别设置为：l₁＝28mm、l₂＝l₃＝30mm。所有端口的高度均为33mm。三根馈电探针与介质谐振器之间的距离分别为2mm、3.2mm和3.2mm。上述与馈线相关的三个参数(长度、高度、间距)由输入/输出端口的外部品质因数决定。

图8展示了该四模双通带两路滤波功分器的仿真幅频响应。S₂₁和S₃₁的插入损耗在低通带均优于-3.39dB，在高通带均优于-3.23dB。由于模式之间的交叉耦合，在每个通道的两个通带之间都产生了两个传输零点，提高了通带之间的隔离。

图9展示了该两路功分器的仿真相位差和幅度不平衡性能。可以看出，两个输出端在低通带是反相的，在高通带是同相的，刚好对应于图3-4中的电场方向。两个通带的幅度不平衡在0.34dB以内，展现出良好的一致性。

具体的实施例二如图10所示，当N为5时，基于四模介质谐振器的双通带四路滤波功分器，图11展示了该双通带四路滤波功分器的仿真S参数，其通带性能继承了图8中的两路滤波功分器。

如图12所示，为本发明的双通带四路滤波功分器端口2和3之间的相位差(∠S21-∠S31)示意图；如图13所示，为本发明的双通带四路滤波功分器端口2和4之间的相位差(∠S21-∠S41)示意图；如图14所示，为本发明的双通带四路滤波功分器端口4和5之间的相位差(∠S41-∠S51)示意图。该双通带四路滤波功分器不同输出端口之间的相位差。可以看出，端口2和3在低通带处反相，而在高通带处同相；端口2和4之间一直处于同相状态；端口4和5之间的相位差与端口2和3的情形一致。上述仿真结果也间接表明，端口3和5之间一直处于同相状态。

发明涉及一种可实现多路输出的基于多模谐振器的双通带滤波功分器。本发明只要相邻输出端口的间距合适，且不影响安装，输出端可以沿着水平方向持续增加个数，从而获得多路输出。本发明所提出的四模谐振器是由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器经过正交排列后得到的。选择两对不受银制带条影响的模式对来分别构建两个通带，而其他模式可被调整到不出现在这两个通带之间。本发明的双通带滤波功分器的插入损耗低，通带之间的隔离良好，还可以实现同相/反相输出特性，在小型化的双通带多路无线通信系统中具有竞争力。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，其特征在于，包括金属腔体及设置于金属腔体内的四模介质谐振器；所述四模介质谐振器由两个中间嵌入银制层的矩形介质谐振器正交排列得到；所述四模介质谐振器的上端通过紧固螺钉与金属腔体的顶面固定连接；所述四模介质谐振器的下端通过支撑座与金属腔体的底面固定连接；所述金属腔体一侧壁上固定设置输入端口；在与固定设置输入端口的金属腔体一侧壁相互垂直连接的两个侧壁上，分别固定设置若干个输出端口N、若干个输出端口N-1；金属腔体为矩形腔体；若干个输出端口N、若干个输出端口N-1均等距设置，且每个输出端口的外部品质因数均为输入端口的外部品质因数的N-1倍；N为奇整数且大于等于3；所述输出端口N、输出端口N-1关于四模介质谐振器为中心相互对称设置；所述四模介质谐振器为十字形四模介质谐振器；所述十字形四模介质谐振器在夹角处设有圆弧倒角；所述圆弧倒角用于调节TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对中的两个正交简并模的谐振频率；所述TE^m ₁₁₀模式对形成低通带；所述TE^m ₂₁₀模式对形成高通带。

2.根据权利要求1所述的一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，其特征在于，所述TE^m ₁₁₀模式对和TE^m ₂₁₀模式对的极化方向均偏转45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，其特征在于，所述输入端口、输出端口N及输出端口N-1均通过馈线与十字形四模介质谐振器耦合。

4.根据权利要求3所述的一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，其特征在于，所述馈线沿着十字形四模介质谐振器中的电场极化方向设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于多模谐振器的双通带滤波功分器，其特征在于，所述支撑座为Al₂O₃支撑座；所述Al₂O₃支撑座通过螺钉固定在金属腔体的底面。

Images