CN118173992A - 一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，包括金属腔、介质谐振器、调谐螺钉、PCB馈电网络、金属板；两个介质谐振器位于金属腔内，每个介质谐振器上开设有矩形槽；用于级间耦合的金属板被两个介质谐振器夹在中间，板上分布有两对耦合槽，两对耦合槽相互垂直且尺寸不一致；四对调谐螺钉与金属腔壁相连，对称分布在金属板的左右两侧，同一侧的调谐螺钉相互垂直且尺寸不一致；PCB馈电网络包括输入PCB馈电网络和输出PCB馈电网络，分别位于滤波器结构左右两侧壁。本发明采用PCB馈电网络、调谐螺钉和金属板的方式可实现介质谐振器上的四个模式的激励和调谐，该滤波器具有小型化、高选择性、高模式利用率等优势。

Description

一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器

技术领域

本发明属于射频无源电路技术领域，特别涉及一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器。

背景技术

通信技术不断变革下，无线通信正朝着高频化、高集成、高性能方向迅速发展，射频电路的高集成度设计成为大势所趋，介质谐振器因具有高介电常数、小型化体积、大功率容量和良好的温度稳定性，能被广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达定位监测等高标准系统中。

目前，大部分利用介质谐振器设计的滤波器基本限于单个模式，当使用单模介质谐振器设计高阶滤波器时，所需要的介质谐振器也就越多，导致滤波器体积大，成本高，模式利用率不高，达不到卫星通信和移动通信低成本、高性能、小体积的要求。同时，基于介质谐振器设计的滤波器的馈电方式通常采用馈电探针结构，自由度不够方便灵活且易于引入其他平面电路。而使用多模介质谐振器虽然可以减小滤波器件的体积、降低制造成本、满足滤波高性能的要求，但在使用多模介质谐振器设计滤波器时，对于多个模式的构建、激励、耦合和频率调控等问题难度较大。

综上所述，现有的介质谐振器在实际的滤波器设计当中还有待进一步开发。

发明内容

本发明的目的在于至少克服现有技术的不足和缺点之一，提出了一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器。本发明的双通带滤波器通过PCB馈电网络、介质谐振器、金属板、调谐螺钉的使用，可实现介质谐振器上的两对正交简并模式同时激励，并通过金属板上的两对耦合槽实现级间耦合，基于四模介质谐振器完成了双通带的滤波器设计，具有小型化、高选择性、高模式利用率等优势。

为实现本发明目的，本发明提供的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，包括PCB馈电网络、金属腔、两个介质谐振器、金属板和调谐螺钉；

PCB馈电网络包括输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络；

两个介质谐振器位于金属腔内，介质谐振器上开设有矩形槽，且两个介质谐振器分别通过输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络进行馈电以在两个介质谐振器上激励出两对正交简并模式；

金属板位于金属腔内且夹设在两个介质谐振器之间，金属腔上沿x轴方向和y轴方向分别设置有一对耦合槽且两对耦合槽关于金属板中心对称，耦合槽用于对两对正交简并模式进行级间耦合；

在金属板的两侧各设置有两对调谐螺钉，同一侧的两对调谐螺钉相互垂直，且调谐螺钉设置在金属腔的内壁上。

进一步地，输入端PCB馈电网络包括输入微带线和与输入微带线连接的输入端同轴探针，输出端PCB馈电网络包括输出微带线和与输出微带线连接的输出端同轴探针，输入微带线和输出微带线分别位于金属腔的两相对内侧壁上，且与两介质谐振器接触。

输入端PCB馈电网络、输出端PCB馈电网络分别与介质谐振器的两侧直接相连，金属板直接介质谐振器的另一侧相连，PCB板的金属地作为金属腔的金属壁，金属板也与金属腔相连，金属壁位于整个结构的最外层。

输入同轴探针垂直于输入微带线，输出同轴探针垂直于输出微带线，输入端和输出端的PCB馈电网络都可以激励出两个介质谐振器上的两对正交简并模；两个介质谐振器的两对正交简并模通过中间的金属板上的两对耦合槽进行级间耦合。

进一步地，两个介质谐振器位于金属腔的中心，每个介质谐振器的左右两侧分别被挖去一个矩形槽。

进一步地，输入微带线和输出微带线均呈十字交叉阶梯型，均包括两条分别沿x轴和沿y轴方向的阶梯型微带线。

进一步地，每条阶梯型微带线的末端一端接地短路而另一端开路，形成关于中心非对称的结构。

进一步地，通过调节十字交叉阶梯型微带线的长度和宽度来调控两对正交简并模式的耦合强度。

进一步地，通过调节金属板上的两对耦合槽的长和宽来调控两对正交简并模式的级间耦合强度。

进一步地，金属板上的两对耦合槽相互垂直且尺寸不同。

进一步地，金属腔的壁上开设有螺纹孔，调谐螺钉螺纹连接在螺纹孔内，通过改变调谐螺钉在螺纹孔内的旋进深度来改变其位于金属腔的伸出深度以微调双通带的中心频率。

金属腔内壁连接了四对调谐螺钉，在沿金属板中心对称的左右两侧各插入了两对调谐螺钉，同一侧的两对调谐螺钉相互垂直。

进一步地，位于金属板同一侧的两对调谐螺钉的伸出深度不同。

进一步地，通过介质谐振器的长宽高以及介质谐振器上矩形槽的长宽深来调控双通带的中心频率。

进一步地，所述输入微带线、输出微带线可以激励出介质谐振器上的四个模式，四个模式分别为模式1，模式2，模式3和模式4，而且模式1和模式3为一对正交简并模，模式2和模式4为一对正交简并模。

进一步地，金属板与两个介质谐振器、金属腔直接接触，并被挖去了两对矩形孔作为耦合槽，这两对矩形耦合槽可以实现介质谐振器上的两对正交简并模式的级间耦合。

进一步地，所述介质谐振器的介电常数为38.5。

进一步地，PCB馈电网络中的介质基板的介电常数为3.55。

进一步地，所述金属腔的材质为镀银氧化铝。

进一步地，所述金属板的材质为黄铜。

进一步地，所述调谐螺钉的材质为碳钢。

进一步地，调谐螺钉的材质为碳钢。

进一步地，所述输入微带线、输出微带线的特性阻抗均为50Ω。

本发明通过通过调节调谐螺钉的伸进金属腔的长度、介质谐振器的长宽高以及被挖去的矩形槽的长宽深可以对双通带的中心频率进行调控，以上设计可以增加双通带的设计灵活性和调控独立性。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明采用微带线作为介质谐振器的馈电网络，馈电网络与介质谐振器直接接触维持了介质谐振器的电壁边界条件，体积小、易集成。

(2)本发明通过微带线直接与介质谐振器接触的方式激励了介质谐振器上的两对正交简并模式，且两个介质谐振器上的模式1和模式2组建成低频通带，模式3和模式4组建成高频通带，并且通过金属板上的两对耦合槽来控制介质谐振器上的两对正交简并模的级间耦合强度。

(3)本发明所设计的双通带滤波器通带损耗可以低于0.65dB，具有低损耗、小型化、独立调控、高模式利用率的优点。

(4)本发明引入了螺钉调谐结构，通过调节调谐螺钉的尺寸，可以对双通带的谐振频率进行调控，增加了双频通带的设计灵活性和调控独立性。

(5)本发明两通带中的距离小于95MHz，且通带间存在一个零点，该滤波器具有小型化、高选择性、高模式利用率等优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器的整体结构示意图。

图2是本发明实施例中基于四模介质谐振器的双通带滤波器的俯视图。

图3是本发明实施例中输入端PCB板的内侧面结构示意图。

图4是本发明提供实施例的介质谐振器在(a)模式1(b)模式2(c)模式3和(d)模式4的电场和磁场示意图。

图5是本发明实施例提供的介质谐振器上的四个模式的激励示意图。

图6是本发明实施例提供的介质谐振器上的四个模式级间耦合示意图。

图7是本发明实施例中S参数响应曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，包括金属腔1、两个介质谐振器2、PCB馈电网络、调谐螺钉7和金属板8。

两个介质谐振器2位于金属腔1的中心，每个介质谐振器2的左右两侧分别被挖去一个矩形槽，矩形槽的长度可以影响模式1、2的谐振频率，宽度可以影响模式3、4的谐振频率，深度也可以影响模式2、4的谐振频率。同时，矩形槽的存在也为实际测试时同轴探针与微带线焊接预留了一定的空间。

PCB馈电网络包括输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络，输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络分别设置在所述金属腔1的左右两侧壁，所述金属腔1的内部设有输入微带线4，与输入端同轴探针3直接连接馈电，输入微带线4、输入端同轴探针3即组成输入端PCB馈电网络。所述金属腔1的内侧壁与输入微带线4相对的另一侧设有输出微带线6，输出微带线6与输出端同轴探针5直接连接馈电，输出带线6、输出端同轴探针5即组成输出端PCB馈电网络。

在本发明的其中一些实施例中，所述输入微带线4和输出微带线6呈十字交叉阶梯型，可以看成是由两条分别沿x轴和沿y轴方向的两条阶梯型微带线组成的，如图3所示，每条阶梯型微带线的末端都是一端短路而另一端开路，形成关于中心非对称的阶梯型微带线结构，所以构成的十字交叉阶梯型微带线的四个末端中有两端短路而另外两端开路。阶梯型微带线的可调自由度更高，有利于调整微带线与模式之间的耦合强度从而实现滤波电路的匹配。

所述输入端同轴探针3的个数和输出端同轴探针5的个数均为1个，相应的同轴探针与相应的微带线直接连接馈电，输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络可以分别在两个介质谐振器2上激励出所需要的两对正交简并模式，这四个模式的电磁场如图4所示，其中模式1和模式3为一对正交简并模，模式2和模式4为一对正交简并模，且组成十字交叉阶梯型微带线的两条阶梯型微带线分别只激励其中的两个模式，激励原理可以由图4所示，沿x轴方向的微带线电磁场与模式1、2的均有同向分量，所以沿x轴方向这部分微带线激励出模式1和模式2，而沿y轴方向的微带线电磁场与模式3、4的均有同向分量，所以沿y轴方向这部分微带线激励出模式3和模式4，可以通过改变两条微带线的长和宽来分别独立调控这两对正交模式的耦合强度，增加双频通带的设计灵活性和调控独立性。

在本发明的其中一些实施例中，所述输入端PCB馈电网络的金属地也作为所述金属腔1的金属壁，位于整个结构的最外层，所述输入十字交叉阶梯型微带线4设在所述金属腔1的内部，与第一介质谐振器21直接接触并直接耦合。所述输出端PCB馈电网络的金属地也作为所述金属腔1的金属壁，位于整个结构的最外层，所述输出十字交叉阶梯型微带线6设在所述金属腔1的内部，与第二介质谐振器22直接接触并直接耦合。在本发明的其中一些实施例中，所述输入输出端十字交叉阶梯型微带线的介质基板的介电常数均为3.55。

在本发明的其中一些实施例中，所述用于级间耦合的金属板8被两个介质谐振器2夹在中间，如图1和图2所示，金属板的材质为黄铜。金属板8上被挖去两对矩形孔作为耦合槽，两对耦合槽的分布均关于中心对称，耦合槽的电磁场如图6所示，其中平面1为xoz平面，平面2为yoz平面，耦合槽的电场平行于金属板8平面，而磁场既有平行也有垂直金属板平面的分量，两个介质谐振器2的两对正交模式之间可以通过这两对耦合槽分别进行级间耦合。耦合原理可以从图6得知，两对耦合槽的电场均与模式1-4的电场垂直，耦合槽与模式的电耦合均为零。沿x轴方向的一对耦合槽的磁场与模式3和模式4有同向分量而与模式1和模式2的磁场垂直，磁耦合非零，所以沿x轴方向的一对耦合槽控制模式3和模式4的级间耦合强度；沿y轴方向的一对耦合槽的磁场与模式1和模式2有同向的分量而与模式3和模式4的磁场垂直，磁耦合非零，所以沿y轴方向的一对耦合槽控制模式1和模式2的级间耦合强度。由于低频通带是由模式1和模式2组建而成的，高频通带是由模式3和模式4组建而成的，通过分别改变两对耦合槽的长和宽实现对模式的级间耦合进行调控，增加了双频带的调控独立性。

在本发明的其中一些实施例中，如图1所示，所述金属腔1内设有四对调谐螺钉7，在金属板8的左右两侧各插入了两对调谐螺钉7，位于同一侧的两对调谐螺钉7相互垂直，如图1所示，同一侧的两对调谐螺钉7包括沿x轴分布的一对调谐螺钉71和沿y轴分布的一对调谐螺钉72，金属腔1的壁上开有相应的螺纹孔，调谐螺钉7与螺纹孔螺纹连接，通过改变调谐螺钉7在螺纹孔内的旋进深度来改变其位于金属腔1的伸出深度，其中，同一侧的调谐螺钉71和调谐螺钉72的伸出深度不同。优选地，所述调谐螺钉7为日常使用的螺钉，材质为碳钢。在具体实施过程中，本发明引入了调谐螺钉调谐结构，通过调整调谐螺钉7伸出金属腔的长度，可以对双通带的中心频率进行调控，增加了双频通带的设计灵活性和调控独立性。

在本发明的其中一些实施例中，所述输入微带线4和输出微带线6的特性阻抗均为50Ω。

在本发明的其中一些实施例中，所述金属腔1的材质为镀银氧化铝。

对在本发明的其中一些实施例中，对双通带滤波器进行仿真测试，如图2到图6所示，各项参数如下：金属腔1的长度L₃＝27.5mm，宽度L₄＝28.5mm，高度H₂＝34mm；介质谐振器的长度L₁＝14.1mm，宽度L₂＝12.1mm，宽度H₁＝15.8mm，介质上的矩形槽的长为6mm，宽为4mm，深度为2mm；十字交叉阶梯型微带线的具体参数的含义如图3所示，沿x轴方向的阶梯型微带线长和宽分别为：L₅＝22.5mm，W₅＝2.3mm，L₆＝13.6mm，W₆＝7.6mm，沿y轴方向的阶梯型微带线长和宽分别为：L₇＝16.9mm，W₇＝2.2mm，L₈＝6.9mm，W₈＝6.9mm；金属板8的厚度H₃＝0.6mm，两对呈矩形的耦合槽的具体参数含义如图6所示，沿x轴方向分布的耦合槽的长度为L₉＝4.3mm，宽度为W₉＝1.8mm，沿y轴方向分布的耦合槽的长度为L_10＝3.8mm，宽度为W₁₀＝2.2mm；金属腔1内壁嵌入的调谐螺钉7的直径D₂＝D₃＝4mm，调谐螺钉71的深度为H₄＝1.7mm，调谐螺钉72的深度为H₅＝0.5mm；输入输出十字交叉阶梯型微带线4、6的介质基板采用罗杰斯4003的板材，其介电常数3.55，厚度为0.813mm，介质损耗正切为0.0027；金属腔1的壁厚D₁为5mm，金属腔1采用的材质是镀银铝。

测试结果如图7所示，图7包含S₁₁和S₂₁两条滤波响应曲线，该双通带滤波器分别在两个介质谐振器2上激励四个模式，形成两个通带，第一个通带模式为两个介质谐振器上的模式1和模式2，第二个通带模式为两个介质谐振器2上的模式3和模式4。第一个通带的中心频率为2.71GHz，插入损耗为0.61dB，回波损耗小于21dB，第二个通带的中心频率为2.84GHz，插入损耗为0.64dB，回波损耗小于18dB。第一个通带的上截止频率和第二个通带的下截止频率相距小于95MHz，两个通带间存在低于40dB的传输零点，使得该滤波器具有通带近且选择性好的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，包括PCB馈电网络、金属腔(1)、两个介质谐振器(2)、金属板(8)和调谐螺钉(7)；

PCB馈电网络包括输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络；

两个介质谐振器(2)位于金属腔(1)内，介质谐振器(2)上开设有矩形槽，且两个介质谐振器(2)分别通过输入端PCB馈电网络和输出端PCB馈电网络进行馈电以在两个介质谐振器(2)上激励出两对正交简并模式；

金属板(8)位于金属腔(1)内且夹设在两个介质谐振器(2)之间，金属腔(1)上沿x轴方向和y轴方向分别设置有一对耦合槽且两对耦合槽关于金属板(8)中心对称，耦合槽用于对两对正交简并模式进行级间耦合；

在金属板(8)的两侧各设置有两对调谐螺钉(7)，同一侧的两对调谐螺钉(7)相互垂直，且调谐螺钉(7)设置在金属腔(1)的内壁上。

2.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，输入端PCB馈电网络包括输入微带线(4)和与输入微带线(4)连接的输入端同轴探针(3)，输出端PCB馈电网络包括输出微带线(6)和与输出微带线(6)连接的输出端同轴探针(5)，输入微带线(4)和输出微带线(6)分别位于金属腔(1)的两相对内侧壁上，且与两介质谐振器(2)接触。

3.根据权利要求2所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，输入微带线(4)和输出微带线(6)均呈十字交叉阶梯型，均包括两条分别沿x轴和沿y轴方向的阶梯型微带线。

4.根据权利要求3所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，每条阶梯型微带线的末端一端接地短路而另一端开路，形成关于中心非对称的结构。

5.根据权利要求3所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，通过调节十字交叉阶梯型微带线的长度和宽度来调控两对正交简并模式的耦合强度。

6.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，通过调节金属板(8)上的两对耦合槽的长和宽来调控两对正交简并模式的级间耦合强度。

7.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，金属板(8)上的两对耦合槽的尺寸不同。

8.根据权利要求1所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，金属腔(1)的壁上开设有螺纹孔，调谐螺钉(7)螺纹连接在螺纹孔内，通过改变调谐螺钉(7)在螺纹孔内的旋进深度来改变其位于金属腔(1)的伸出深度以微调双通带的中心频率。

9.根据权利要求8所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，位于金属板(8)同一侧的两对调谐螺钉(7)的伸出深度不同。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于四模介质谐振器的双通带滤波器，其特征在于，通过介质谐振器(2)的长宽高以及介质谐振器(2)上矩形槽的长宽深来调控双通带的中心频率。