CN117638435A - 一种交叉耦合介质波导滤波器和通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉耦合介质波导滤波器，包括介质波导体，介质波导体上设置第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器和盲槽；第一谐振器、第二谐振器、第五谐振器、第六谐振器处在同一直线上，第三谐振器、第四谐振器沿着该直线两侧对称设置；第一谐振器、第二谐振器之间、第五谐振器、第六谐振器之间均设置耦合盲孔和阵列分布的通孔一；第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器的中心处设置盲槽；第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器两两之间分别设置深盲孔或浅盲孔；深盲孔附近设通孔二。本发明具有两个传输零点的六阶交叉耦合滤波器，在现代5G通信基站系统中具有较高的应用价值。

Description

一种交叉耦合介质波导滤波器和通信设备

技术领域

本发明涉及通信设备领域，具体为一种交叉耦合介质波导滤波器和通信设备。

背景技术

近几年，为了满足下一代移动通信的基站滤波器需求，具有小体积、低插损和大功率特定的介质波导滤波器越来越引起人们的关注。在目前的5G基站通信3.5GHz频段内，如何实现更加优异的性能，成为研究的热点。一般而言，具有带外传输零点的带通滤波器可以满足使用需求。然而，在实际应用中，为了实现交叉耦合传输零点，滤波器的整体结构大多为环形或折叠结构，不能满足“直入直出”的高集成度外形需求，且在该技术下的滤波器体积和重量会增加运输和安装的成本，因此不利于现代射频电路集成应用。小体积，低成本和高集成度才是日后通信行业发展的要求。

目前现有的交叉耦合传输零点均是通过谐振器环形布局方式使非相邻腔体谐振器之间产生交叉耦合，滤波器均是从同端输入且同端输出，输入端口、输出端口的距离较近，虽然能够在通带低端和高端各产生一个零点，提高了滤波器的选择性，但是在大功率使用时，容易出现信号干扰等问题，无法满足工业界对滤波器“直入直出”的高集成化外形要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种提高了带外传输零点选择性、尺寸较小、重量较轻的交叉耦合介质波导滤波器，本发明的另一目的是提供一种相对带宽、带外抑制、矩形系数明显提高的通信设备。

技术方案：本发明所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，包括介质波导体，介质波导体上设置第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器和盲槽；第一谐振器、第二谐振器、第五谐振器、第六谐振器处在同一直线上，第三谐振器、第四谐振器沿着该直线两侧对称设置；第一谐振器、第二谐振器之间、第五谐振器、第六谐振器之间均设置耦合盲孔和阵列分布的通孔一；第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器的中心处设置盲槽，盲槽能够隔开第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器以实现磁耦合；第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器两两之间分别设置深盲孔或浅盲孔；深盲孔附近设置通孔二，以实现电耦合。

进一步地，盲槽为T形矩形盲槽。斜边耦合结构由至少四个依次排列放置的圆形通孔和一个耦合盲孔实现，直角边耦合结构由一个T形矩形盲槽和至少一个耦合盲孔实现，通过一个T形矩形盲槽和深的耦合盲孔的级联实现了非相邻谐振器之间的交叉耦合。

进一步地，第一谐振器包括第一谐振盲孔、第一馈电盲孔，第一谐振盲孔的直径、深度均大于第一馈电盲孔，第一谐振盲孔设置在介质波导体的顶面，第一馈电盲孔设置在介质波导体的底面，以实现I/O耦合。第一谐振盲孔、第一馈电盲孔均为圆柱形，数量为至少一个。

进一步地，第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器的连线为正方形，形成四个等腰直角三角形的谐振腔。

进一步地，第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器的结构相同。第二谐振器包括上谐振盲孔、下谐振盲孔，上谐振盲孔、下谐振盲孔的直径、深度均相同，上谐振盲孔设置在介质波导体的顶面，下谐振盲孔设置在介质波导体的底面。上谐振盲孔、下谐振盲孔均为圆柱形，上下对称。上谐振盲孔、下谐振盲孔均设计在等腰直角三角形的重心位置处，通过调节上谐振盲孔、下谐振盲孔的直径和深度可以灵活控制谐振器的中心频率。

进一步地，第六谐振器包括第二谐振盲孔、第二馈电盲孔，第二谐振盲孔的直径、深度均大于第二馈电盲孔，第二谐振盲孔设置在介质波导体的顶面，第二馈电盲孔设置在介质波导体的底面。

进一步地，第一谐振器与第二谐振器之间、第二谐振器与第三谐振器之间、第二谐振器与第四谐振器之间、第四谐振器与第五谐振器之间、第五谐振器与第六谐振器之间均为磁耦合，第三谐振器、第五谐振器之间为电耦合。

进一步地，耦合盲孔、通孔一、通孔二的直径相同。

进一步地，第一谐振盲孔、上谐振盲孔、第二谐振盲孔的直径相同，均为1.45～1.55mm。上谐振盲孔的深度为1.47～1.49mm。第一馈电盲孔、第二馈电盲孔的直径为0.95～1.05mm，深度为0.99～1.01mm。

进一步地，介质波导体的形状为平行六边形，由介质介电常数为20.5的陶瓷材料制成，表面完全镀银金属化处理。

本发明所述的一种通信设备，包括上述任一的交叉耦合介质波导滤波器。带宽为3.4～3.6GHz之间时，回波损耗大于20dB，插入损耗小于1.0dB，分别在3.27GHz和3.72GHz频点处产生左右两个传输零点，带外抑制均大于50dB，能够满足现代5G基站通信系统的要求。

工作原理：使用六个等腰直角三角形之间的直角边耦合和斜边耦合组合的方式，实现了一种六阶交叉耦合带通滤波器。其中，输入谐振器(第一谐振器)与第二谐振器之间、输出谐振器(第六谐振器)与第五谐振器之间利用阵列隔离的通孔一和耦合盲孔实现了耦合，第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器通过“T”形矩形盲槽和至少一个浅盲孔实现磁耦合，其中第三谐振器与第五谐振器之间通过深盲孔和至少一个通孔二实现电耦合，第二谐振器和第五谐振器通过盲槽和盲孔(T形矩形盲槽、浅盲孔、深盲孔)级联的形式实现了交叉耦合，因此带外分别产生了两个传输零点。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、利用等腰直角三角形的直角边耦合和斜边耦合实现了一种具有两个传输零点的六阶交叉耦合滤波器，该滤波器克服了“直入直出”的外形结构很难实现两个两端带外传输零点的特点，在现代5G通信基站系统中具有较高的应用价值；

2、以等腰直角三角形谐振腔为基础，通过对多个三角形谐振腔之间的斜边耦合和直角边耦合，实现了一种平行六边形交叉耦合滤波器，输入输出端口在六边形的两个顶点位置，两边分别增加传输零点，并提高了带外选择性；

3、输入输出端口在滤波器的两端，端口隔离度较高，不易收到干扰，可以满足工业器件集成化应用；

4、通孔二的不同位置可以决定带外传输零点的位置，改变阵列分布的通孔一数量、直径、位置，可灵活改变耦合系数在0～0.5之间变化；

5、交叉耦合介质波导滤波器具有带宽为3.4～3.6GHz之间时，回波损耗大于20dB，插入损耗小于1.0dB，分别在3.27GHz和3.72GHz频点处产生左右两个传输零点，带外抑制均大于50dB。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的仰视图；

图4是本发明A-A面剖视图；

图5是本发明的电路耦合矩阵图；

图6是本发明的滤波性能图。

具体实施方式

实施例1

如图1，交叉耦合介质波导滤波器的介质波导体1为平行六边形介质波导腔体，包含六个相同大小的等腰直角三角形谐振腔，六个谐振腔依据“直入直出”的外形结构呈直线排列，也可以看成是由两个输入输出谐振腔和一个由四个谐振腔拼成的正方形腔体组成。介质波导体1上设有第一谐振器2、第二谐振器3、第三谐振器4、第四谐振器5、第五谐振器6、第六谐振器7和盲槽8，分别设置在六个谐振腔上。交叉耦合介质波导滤波器的内部为介质，外表面为金属薄层，进行完全镀银金属化处理。交叉耦合介质波导滤波器的两个输入输出谐振腔为等腰直角三角形。第一谐振器2、第二谐振器3、第五谐振器6、第六谐振器7处在同一直线上，第三谐振器4、第四谐振器5沿着该直线两侧对称设置。第二谐振器3、第三谐振器4、第四谐振器5、第五谐振器6的连线为正方形。第二谐振器3、第三谐振器3、第四谐振器5、第五谐振器6的中心处设置盲槽8，盲槽8为T形矩形盲槽，宽度6.7mm±0.05mm。

第一谐振器2、第二谐振器3之间有圆柱形的耦合盲孔9和垂直于直线方向阵列分布的、圆形的通孔一10，第五谐振器6、第六谐振器7之间也对称设有耦合盲孔9和阵列分布的通孔一10。通孔一10的直径为1.0mm±0.05mm，耦合盲孔9的直径1.0mm±0.05mm、深度1.85mm±0.01mm，实现等腰直角三角形谐振器之间的斜边耦合。盲槽8能够隔开第二谐振器3、第三谐振器4、第四谐振器5以实现磁耦合，且盲槽8的T形所指向的方向上分别设有浅盲孔12，T形背向有一个深盲孔11，深盲孔11附近有用于实现相邻谐振器间负耦合的圆柱形的通孔二13。深盲孔11的直径为1.0mm±0.05mm、深度为4.28mm±0.01mm，通孔二13的直径为1.0mm±0.05mm，实现了内部谐振器之间的直角边耦合。浅盲孔12的直径1.0mm±0.05mm、深度1.8mm±0.01mm，用于耦合量调试。

如图2～4，第一谐振器2包括圆柱形的第一谐振盲孔201、圆柱形的第一馈电盲孔202，第一谐振盲孔201的直径、深度均大于第一馈电盲孔202。第一谐振盲孔201设置在介质波导体1的顶面，第一馈电盲孔202设置在介质波导体1的底面。第二谐振器3、第三谐振器4、第四谐振器5、第五谐振器6的结构相同。第二谐振器3包括圆柱形的上谐振盲孔301、圆柱形的下谐振盲孔302，上谐振盲孔301设置在介质波导体1的顶面，下谐振盲孔302设置在介质波导体1的底面。第六谐振器7包括圆柱形的第二谐振盲孔701、圆柱形的第二馈电盲孔702，第二谐振盲孔701的直径、深度均大于第二馈电盲孔702，第二谐振盲孔701设置在介质波导体1的顶面，第二馈电盲孔702设置在介质波导体1的底面。

第一谐振盲孔201、上谐振盲孔301、下谐振盲孔302、第二谐振盲孔701的直径均为1.5mm(±0.05mm)，深度均为1.48mm(±0.01mm)。第一馈电盲孔202、第二馈电盲孔702的直径均为1.0mm(±0.05mm)，深度均为1.0mm(±0.01mm)。谐振盲孔(第一谐振盲孔201、上谐振盲孔301、下谐振盲孔302、第二谐振盲孔701)均设计在等腰直角三角形的重心位置处，通过调节其直径和深度，改变谐振器等效电容的大小，进而可以灵活控制谐振器的中心频率。

深盲孔11和通孔二13实现了谐振器3和5之间的电耦合，深盲孔11、浅盲孔12、和盲槽8的组合级联结构，实现了非相邻谐振器(第二谐振器3、第五谐振器6)之间的交叉耦合，产生了两个带外传输零点。通孔二13的不同位置可以决定带外传输零点的位置。改变阵列分布的通孔一10数量、直径、位置可灵活改变耦合系数。T形矩形盲槽和深盲孔11、浅盲孔12相互配合，达到耦合调试目的，当然应用时可灵活调整盲槽8、深盲孔11、浅盲孔12以调试耦合。

如图5，本滤波器的具体耦合机制为：第一谐振器2与第二谐振器3之间、第二谐振器3与第三谐振器4之间、第二谐振器3与第四谐振器5之间、第四谐振器5与第五谐振器6之间、第五谐振器6与第六谐振器7之间均为磁耦合，第三谐振器4、第五谐振器6之间为电耦合，因此带外产生了两个陡峭的传输零点。各谐振器的参数耦合系数如下：m11＝-0.02，m22＝-0.02，m33＝0.61，m44＝-m33,m55＝m22，m66＝m11，ms1＝1.03，m12＝0.84，m23＝0.42，m24＝0.42，m25＝0.07，m35＝m23，m45＝-m24，m56＝-m12，mL6＝1.03。

对本实施例的交叉耦合介质波导滤波器进行整机滤波性能测试，具体是用矢量网络分析仪对滤波器进行S参数测试，如图6，六边形交叉耦合介质波导滤波器具有带宽为3.4～3.6GHz之间时，回波损耗大于20dB，插入损耗小于1.0dB，分别在3.27GHz和3.72GHz频点处产生左右两个传输零点，带外抑制均大于50dB。该滤波器选取介质介电常数为20.5的陶瓷介质，整体物理尺寸为测试结果表明，该六边形交叉耦合滤波器具有优异的性能，能够满足现代5G基站通信系统的要求。

实施例2

一种通信设备，包括实施例1的交叉耦合介质波导滤波器。

Claims (10)

1.一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：包括介质波导体(1)，所述介质波导体(1)上设置第一谐振器(2)、第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)、第五谐振器(6)、第六谐振器(7)和盲槽(8)；所述第一谐振器(2)、第二谐振器(3)、第五谐振器(6)、第六谐振器(7)处在同一直线上，所述第三谐振器(4)、第四谐振器(5)沿着该直线两侧对称设置；所述第一谐振器(2)、第二谐振器(3)之间、第五谐振器(6)、第六谐振器(7)之间均设置耦合盲孔(9)和阵列分布的通孔一(10)；所述第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)、第五谐振器(6)的中心处设置盲槽(8)，所述盲槽(8)能够隔开第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)以实现磁耦合；所述第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)、第五谐振器(6)两两之间分别设置深盲孔(11)或浅盲孔(12)；所述深盲孔(11)附近设置通孔二(13)，以实现电耦合。

2.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述盲槽(8)为T形矩形盲槽。

3.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振器(2)包括第一谐振盲孔(201)、第一馈电盲孔(202)，所述第一谐振盲孔(201)的直径、深度均大于第一馈电盲孔(202)，所述第一谐振盲孔(201)设置在介质波导体(1)的顶面，所述第一馈电盲孔(202)设置在介质波导体(1)的底面。

4.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)、第五谐振器(6)的连线为正方形。

5.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第二谐振器(3)、第三谐振器(4)、第四谐振器(5)、第五谐振器(6)的结构相同。

6.根据权利要求5所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第二谐振器(3)包括上谐振盲孔(301)、下谐振盲孔(302)，所述上谐振盲孔(301)、下谐振盲孔(302)的直径、深度均相同，所述上谐振盲孔(301)设置在介质波导体(1)的顶面，所述下谐振盲孔(302)设置在介质波导体(1)的底面。

7.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第六谐振器(7)包括第二谐振盲孔(701)、第二馈电盲孔(702)，所述第二谐振盲孔(701)的直径、深度均大于第二馈电盲孔(702)，所述第二谐振盲孔(701)设置在介质波导体(1)的顶面，所述第二馈电盲孔(702)设置在介质波导体(1)的底面。

8.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振器(2)与第二谐振器(3)之间、第二谐振器(3)与第三谐振器(4)之间、第二谐振器(3)与第四谐振器(5)之间、第四谐振器(5)与第五谐振器(6)之间、第五谐振器(6)与第六谐振器(7)之间均为磁耦合，所述第三谐振器(4)、第五谐振器(6)之间为电耦合。

9.根据权利要求1所述的一种交叉耦合介质波导滤波器，其特征在于：所述耦合盲孔(9)、通孔一(10)、通孔二(13)的直径相同。

10.一种通信设备，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的交叉耦合介质波导滤波器。