CN116960591A - 一种矩形波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导滤波器，本发明双层空心波导，上下层各有2个空心波导构成4个矩形谐振腔，同层相邻空心波导通过作为耦合窗的第一耦合空心波导连通，使滤波器结构更加紧凑，损耗更低，更适合应用到现代微波毫米波电路系统中，上下相邻空心波导通过作为耦合窗的空心矩形波导、空心圆柱波导、第三耦合空心波导、第二耦合空心波导连通，由此设置的耦合窗，不仅不会影响主模TM₁₁₀的耦合，同时还可以抑制高次模TM₂₁₀的耦合，从而达到保持高选择性的同时延伸滤波器阻带的效果。

Description

一种矩形波导滤波器

技术领域

本发明涉及一种矩形波导滤波器，属于微波技术领域。

背景技术

作为射频微波电路系统中的重要组成器件，滤波器一直被应用于绝大多数通信设备中,波导滤波器优势明显，其 Q 值更高、功率容量更大、结构更加稳定。

由于现代通信电路系统越来越集成化，使得集成多种器件的电路会存在多种信号频率相互交织甚至交叉重叠，毫无疑问会严重影响到信号的接收效果、降低通信信号质量、甚至使得通信系统无法正常工作。另一方面，射频前端内部的很多非线性有源器件，如混频器、倍频器等，同样会存在各种信号交织在一起的情况，这严重影响收发机性能。

为了解决以上问题，这就需要滤波器不仅要有很好的通带传输特性，而且还要有更高的选择性和足够宽的阻带来抑制不需要的谐波信号，因此，急需研究具有高选择性和宽阻带的滤波器。

发明内容

本发明提供了一种矩形波导滤波器，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种矩形波导滤波器，包括输入空心波导、输出空心波导、上层单元和下层单元；

上层单元和下层单元均包括通过第一耦合空心波导连通第一空心波导和第二空心波导，输入空心波导通过第二耦合空心波导连通上层单元的第一空心波导，输出空心波导通过第三耦合空心波导连通上层单元的第二空心波导，上层单元的第一空心波导和下层单元的第一空心波导通过空心圆柱波导连通，上层单元的第二空心波导和下层单元的第二空心波导通过一对空心矩形波导连通；

上层单元的第一空心波导和第二空心波导、下层单元的第一空心波导和第二空心波导均构成矩形谐振腔，所有耦合空心波导、空心矩形波导和空心圆柱波导均构成连通矩形谐振腔耦合窗；空心圆柱波导位于主模TM₁₁₀的电场最强处；空心矩形波导位于主模TM₁₁₀的磁场最强处，并且位于高次模TM₂₁₀的电场最弱处和磁场最弱处；第一耦合空心波导的中心位于高次模TM₂₁₀的电场最弱处和磁场最弱处。

空心圆柱波导提供主模TM₁₁₀的电耦合，调节空心圆柱波导的半径，控制主模TM₁₁₀电耦合量。

空心矩形波导提供主模TM₁₁₀的磁耦合，调节空心矩形波导的长度，控制主模TM₁₁₀的磁耦合量。

输入空心波导、输出空心波导、第一空心波导、第二空心波导、所有耦合空心波导均为矩形结构。

空心圆柱波导的中心轴线穿过上层单元第一空心波导的中心和下层单元第一空心波导的中心。

一对空心矩形波导均与第一耦合空心波导平行，并且该对空心矩形波导分别位于下层单元第二空心波导的两侧。

第二耦合空心波导和第三耦合空心波导均与第一耦合空心波导垂直，并且第二耦合空心波导位于上层单元第一空心波导的A侧 ，第三耦合空心波导位于上层单元第二空心波导的B侧；其中，A侧和B侧为相对的两侧。

第二耦合空心波导距离上层单元第一空心波导A侧侧边l/4，第三耦合空心波导距离上层单元第二空心波导B侧侧边l/4；其中，l为第一空心波导和第二空心波导的横边长度。

本发明所达到的有益效果：本发明双层空心波导，上下层各有2个空心波导构成4个矩形谐振腔，同层相邻空心波导通过作为耦合窗的第一耦合空心波导连通，使滤波器结构更加紧凑，损耗更低，更适合应用到现代微波毫米波电路系统中，上下相邻空心波导通过作为耦合窗的空心矩形波导、空心圆柱波导、第三耦合空心波导、第二耦合空心波导连通，由此设置的耦合窗，不仅不会影响主模TM₁₁₀的耦合，同时还可以抑制高次模TM₂₁₀的耦合，从而达到保持高选择性的同时延伸滤波器阻带的效果。

附图说明

图1为矩形波导滤波器的三维结构图；

图2为矩形波导滤波器的俯视图；

图3为矩形波导滤波器的电路拓扑结构图；

图4（a）为上层单元的第一耦合空心波导分别与主模TM₁₁₀和高次模TM₂₁₀耦合系数的关系图；

图4（b）为空心矩形波导分别与主模TM₁₁₀和高次模TM₂₁₀耦合系数的关系图；

图5为滤波器的通带S参数图；

图6为滤波器的带外S参数图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和2所示，一种矩形波导滤波器，包括输入空心波导1、输出空心波导2、上层单元和下层单元。上层单元和下层单元均包括通过第一耦合空心波导5连通第一空心波导3和第二空心波导4，输入空心波导1通过第二耦合空心波导7连通上层单元的第一空心波导3，输出空心波导2通过第三耦合空心波导6连通上层单元的第二空心波导4，上层单元的第一空心波导3和下层单元的第一空心波导3通过空心圆柱波导8连通，上层单元的第二空心波导4和下层单元的第二空心波导4通过一对空心矩形波导9连通；其中，输入空心波导1、输出空心波导2、第一空心波导3、第二空心波导4、所有耦合空心波导均为矩形结构，并且连通时均垂直所连空心波的平面。

上层单元的第一空心波导3和第二空心波导4、下层单元的第一空心波导3和第二空心波导4均构成矩形谐振腔，所有耦合空心波导、空心矩形波导9和空心圆柱波导8均构成连通矩形谐振腔耦合窗。

空心圆柱波导8位于主模TM₁₁₀的电场最强处，空心圆柱波导8提供主模TM₁₁₀的电耦合，调节空心圆柱波导8的半径，控制主模TM₁₁₀电耦合量。具体的，空心圆柱波导8的中心轴线穿过上层单元第一空心波导3的中心和下层单元第一空心波导3的中心。

空心矩形波导9位于主模TM₁₁₀的磁场最强处，并且位于高次模TM₂₁₀的电场和磁场最弱处，空心矩形波导9提供主模TM₁₁₀的磁耦合，调节空心矩形波导9的长度，控制主模TM₁₁₀的磁耦合量。具体的，一对空心矩形波导9均与第一耦合空心波导5平行，并且该对空心矩形波导9分别位于下层单元第二空心波导4的两侧，中心线均位于对应矩形谐振腔的平分线上。

第一耦合空心波导5的中心设置在高次模TM₂₁₀的电场和磁场最弱处，可有效为了抑制高次模TM₂₁₀。

第二耦合空心波导7和第三耦合空心波导6均与第一耦合空心波导5垂值，并且第二耦合空心波导7位于上层单元第一空心波导3的A侧 ，第三耦合空心波导6位于上层单元第二空心波导4的B侧；第二耦合空心波导7距离上层单元第一空心波导3A侧侧边l/4，第三耦合空心波导6距离上层单元第二空心波导4B侧侧边l/4；其中，A侧和B侧为相对的两侧，l为第一空心波导3和第二空心波导4的横边长度。

如图3， R1、R2、R3、R4是四个矩形谐振腔，即分别为上层单元的第一空心波导3对应的矩形谐振腔、下层单元的第一空心波导3对应的矩形谐振腔、下层单元的第二空心波导4对应的矩形谐振腔、上层单元的第二空心波导4对应的矩形谐振腔，S和L分别对应输入空心波导1和输出空心波导2，实线表示谐振腔之间的存在磁耦合，虚线表示谐振腔之间存在电耦合，该电路拓扑可以设计出在通带两侧各有一个传输零点的四阶带通滤波器。空心圆柱波导8提供R1和R2之间的主模TM₁₁₀的电耦合量，调节空心圆柱波导8的半径，可以控制R1和R2之间主模TM₁₁₀的电耦合量。一对空心矩形波导9提供R3和R4之间主模TM₁₁₀的磁耦合，调节空心矩形波导9的长度，可以控制R3和R4之间主模TM₁₁₀的磁耦合量。

从图2可以看出输入输出耦合窗均向谐振腔中心偏移，偏移至距腔体边缘约为腔体边长的1/4，这种偏移结构使得第二耦合空心波导7、第三耦合空心波导6位于TM₂₁₀的电场最强、磁场最弱处，由于输入空心波导1、输出空心波导2是通过磁耦合分别与上层单元的与第一空心波导3、第二空心波导4进行耦合，而此位置TM₂₁₀磁场最弱，因此难以激励高次模TM₂₁₀，可以从源头将高次模TM₂₁₀抑制掉；同时谐振腔在此处产生的高次模TM₁₂₀的磁场与第二、三耦合窗口相互垂直，使其难以激励出高次模TM₁₂₀(TM₁₂₀与TM₂₁₀是一对简并模)模式。

另外高次模TM₂₁₀还可以通过将提供磁耦合的第一耦合空心波导5和空心矩形波导9均放置在高次模TM₂₁₀的驻波节点处进行抑制，再结合端口，高次模TM₁₂₀也可以被抑制，最终高次模TM₂₁₀和TM₁₂₀都可以被抑制。

图4（a）所示，为提取的主模TM₁₁₀和高次模TM₂₁₀模的耦合系数与上层单元的第一耦合空心波导5的关系，图4（b）所示，为提取的主模TM₁₁₀和高次模TM₂₁₀模的耦合系数与空心矩形波导9的关系。结果显示，高次模TM₂₁₀模的耦合系数都远远小于主模TM₁₁₀的耦合系数，可以实现对高次模的抑制。

图5为滤波器的通带S参数曲线，滤波器中心频率为12.8 GHz，3-dB相对带宽为1.9%，带内回波损耗S11均位于-18 dB以下，在通带两侧分别产生了一个传输零点。图6是滤波器的带外S参数曲线，-38 dB的阻带抑制可以延伸到30.5 GHz 。可以看出，采用上述结构设计的滤波器阻带可以延伸到2.4f ₀(f ₀为滤波器中心频率)，在保持高选择性的同时拓宽了矩形波导滤波器的阻带宽度。

综上，本发明双层空心波导，上下层各有2个空心波导构成4个矩形谐振腔，同层相邻空心波导通过作为耦合窗的第一耦合空心波导5连通，使滤波器结构更加紧凑，损耗更低，更适合应用到现代微波毫米波电路系统中，上下相邻空心波导通过作为耦合窗的空心矩形波导9、空心圆柱波导8、第三耦合空心波导6、第二耦合空心波导7连通，由此设置的耦合窗，不仅不会影响主模TM₁₁₀的耦合，同时还可以抑制高次模TM₂₁₀的耦合，从而达到保持高选择性的同时延伸滤波器阻带的效果；并且本发明提出的结构并不局限于矩形金属波导，同样可以应用于基片集成波导中来实现高选择性和宽阻带。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种矩形波导滤波器，其特征在于，包括输入空心波导、输出空心波导、上层单元和下层单元；

上层单元和下层单元均包括通过第一耦合空心波导连通第一空心波导和第二空心波导，输入空心波导通过第二耦合空心波导连通上层单元的第一空心波导，输出空心波导通过第三耦合空心波导连通上层单元的第二空心波导，上层单元的第一空心波导和下层单元的第一空心波导通过空心圆柱波导连通，上层单元的第二空心波导和下层单元的第二空心波导通过一对空心矩形波导连通；

上层单元的第一空心波导和第二空心波导、下层单元的第一空心波导和第二空心波导均构成矩形谐振腔，所有耦合空心波导、空心矩形波导和空心圆柱波导均构成连通矩形谐振腔耦合窗；空心圆柱波导位于主模TM₁₁₀的电场最强处；空心矩形波导位于主模TM₁₁₀的磁场最强处，并且位于高次模TM₂₁₀的电场最弱处和磁场最弱处；第一耦合空心波导的中心位于高次模TM₂₁₀的电场最弱处和磁场最弱处。

2.根据权利要求1所述的矩形波导滤波器，其特征在于，空心圆柱波导提供主模TM₁₁₀的电耦合，调节空心圆柱波导的半径，控制主模TM₁₁₀电耦合量。

3.根据权利要求1所述的矩形波导滤波器，其特征在于，空心矩形波导提供主模TM₁₁₀的磁耦合，调节空心矩形波导的长度，控制主模TM₁₁₀的磁耦合量。

4.根据权利要求1~3任一项所述的矩形波导滤波器，其特征在于，输入空心波导、输出空心波导、第一空心波导、第二空心波导、所有耦合空心波导均为矩形结构。

5.根据权利要求4所述的矩形波导滤波器，其特征在于，空心圆柱波导的中心轴线穿过上层单元第一空心波导的中心和下层单元第一空心波导的中心。

6.根据权利要求4所述的矩形波导滤波器，其特征在于，一对空心矩形波导均与第一耦合空心波导平行，并且该对空心矩形波导分别位于下层单元第二空心波导的两侧。

7.根据权利要求4所述的矩形波导滤波器，其特征在于，第二耦合空心波导和第三耦合空心波导均与第一耦合空心波导垂直，并且第二耦合空心波导位于上层单元第一空心波导的A侧 ，第三耦合空心波导位于上层单元第二空心波导的B侧；其中，A侧和B侧为相对的两侧。

8.根据权利要求7所述的矩形波导滤波器，其特征在于，第二耦合空心波导距离上层单元第一空心波导A侧侧边l/4，第三耦合空心波导距离上层单元第二空心波导B侧侧边l/4；其中，l为第一空心波导和第二空心波导的横边长度。