CN1192593A - 介质谐振滤波器 - Google Patents

Abstract

介质谐振滤波器,包括:有输入输出端子的长方形金属箱;输入、输出耦合探针;TEM谐振器,仅输出金属箱内截止频率以上频率和预定长度的递增N倍的频率;具有较高谐振Q值的输出介质谐振滤波器,仅输出TEM模谐振器的递增N倍频率和金属箱内截止频率以上频率中TE_01δ模及寄生模;通过金属箱中的输出介质谐振器截止寄生模,在滤波器输入输出端或介质谐振器间插入同轴谐振器,可除去寄生模,以提高滤波性能,具有轻、薄、小型的效果。

Description

介质谐振滤波器

本发明涉及介质谐振滤波器(Dielectric Resonator Filter；以下称DR滤波器)，特别是涉及使用同轴谐振器清除寄生模(Spurious Mode)的介质谐振滤波器的结构。

在目前的超高频通信技术领域中，为了零件的小型、轻量和低价格化，正在采用介质谐振器。称为DR滤波器的滤波器与用金属制作成的空腔型(Cavity type)例如波导管、同轴谐振器等一样，具有使从输入端子上输入的任何高频损耗最小、进行滤波、在输出端子上仅输出期望的特定带宽频率的功能。上述介质谐振器为小型并低损耗，由于除适合于微波集成电路外，与现有的谐振器相比，还具有谐振频率的温度特性良好的特点，所以目前得到快速发展。上述那样的介质谐振器最广泛适用于微波部件的领域是作为仅对最小损耗的发射或接收频率进行滤波输出的滤波器部件。图1表示由现有技术实现的介质谐振滤波器的结构。

图1是表示现有技术的三极(Pole)介质谐振器的主视图，构成为使用TE₀₁模，(其中，TEW是有横向电磁波磁场成分的电子波)的实例。

图1中标号10是一定大小的长方形金属箱，表示打开盖后的内部平面结构。在上述金属箱10中，用于输入来自外部的高频的高频输入端子12和在内部的用于输出滤波后频率的输出端子14设置在一个侧面上。在上述那样的金属箱10的内部，具有预定介电常数的三个介质谐振器16、18、20以预定间隔分隔开。一般来说采用陶瓷(瓷器)元件作为这种介质谐振器16、18、20的材料。

而且，设置在上述金属箱10的外部的频率输入端子12和频率输出端子14分别与在上述金属箱10的内部延伸的耦合探针(coupling probe)(又称为耦合环)22、24连接。上述那样的金属箱10大多使用传导率良好的铝或黄铜等金属材料，耦合探针22、24也可使用纯铜、黄铜等金属材料。为了提高传导率，最好在上述金属上镀白金、金和银等金属。

图2是表示图1所示的介质谐振器的剖面结构，它是由用于谐振频率调节的螺杆等形成的盖(CAP)组装成的导波管的剖视图。

参照图2，由支架(support)26从金属箱10的底面按预定的高度维持在金属箱10内位置隔开的三个介质谐振器16、18、20，上述介质谐振器16、18、20分别有固定的介电常数。此时，上述支架26可使用频率损耗较小且介电常数较小的聚四氟乙烯或聚碳酸酯氧化铝等非导体材料。采用这种非导体材料的理由是为了防止介质谐振器的能量直接传送给金属箱10的缘故。

在上述金属箱10的上部覆盖的盖11上，连接着位于上述介质谐振器16、18、20的上部位置用于调节谐振频率的螺杆30，在这些螺杆30下部、上述金属箱10的内侧、在三个介质谐振器16、18、20的上部位置设置着调谐板32。必须根据谐振频率的调节准确度来适当选择上述调谐板30的直径。

首先，参照图1和图2的结构，说明由现有技术实现的介质谐振滤波器的工作。

假设图1所示那样构成的三极介质谐振滤波器的金属箱10内设置的多个介质谐振器16、18、20的谐振频率为f₀，那么就有下式【式1】：

上述【式1】中Dr和Lr是介质谐振器16、18、20的直径和厚度，单位是英寸。有上述【式1】那样的谐振频率f₀的介质谐振器限定为TE_01δ模谐振器。

采用介质谐振器实现滤波的方法有很多，其中在最一般的方法中，一般有采用TEM模的方法和采用TE_01δ模的方法。

因金属箱10内设置的介质谐振器数目不同，介质谐振滤波器的滤波性能差异较大。其中，图中表示了三极滤波器的例子。

目前，如果把任意频率的高频输入给输入端子12，那么上述高频的能量就通过与上述输入端子12耦合的耦合探针22传送至金属箱10的内部。此时，沿上述耦合探针22上的方向35形成电场E，和形成以上述耦合探针为中心的磁场H。

由与上述输入端子12连接的耦合探针22形成的磁场H，向隔开的介质谐振器16传送(激励)。此时，通过与从耦合探针22传送的磁场H的耦合，上述介质谐振器16在隔开的介质谐振器18中激励起具有按上述【式1】决定的谐振频率f₀的高频。

如果来自介质谐振器16的磁场H被激励，那么在隔开的介质谐振器18的圆周方向上形成电场E，和形成从中心向外周方向上的磁场H。此时，在上述介质谐振器18中形成的磁场H激励邻近的分隔开的另一个介质谐振器20，在上述介质谐振器20中形成的磁场H通过与输出端子14连接的耦合探针24向外部输出。

在上述那样的工作中，如果分别调整处于介质谐振器16、18、20上部位置的螺杆30，就可改变介质谐振器16、18、20上部的表面与上述螺杆30之间的距离L。通过改变上述距离L，能够在初期设定的谐振频率f₀的75％左右调整介质谐振器的谐振频率。因此，通过调整三个螺杆30，图1和图2所示的介质谐振器就仅通过在输入端子12上输入的高频信号中的期望带宽的频率。

此时，上述结构中，耦合探针22与介质谐振器16之间的间隔、耦合探针24与介质谐振器20和介质谐振器16、18、20相互之间的间隔是决定与磁场H的耦合密度、对滤波器的性能和特性产生很大影响的重要因素之一。因此，上述构成要素的间隔应充分考虑所设计的滤波器的性能和特性。

可是，图1和图2所示那种结构中，TE₀₁₀、TE_01δ、TE_011+δ模等很多个模都在工作。TE₀₁₀、TM_01δ、TM_011+δ模是圆盘形态的介质谐振器16、18、20内通过不期望的不需要的频率的原因。其中，所谓不需要的频率是指除主要工作模之外的其它模，称为寄生模。例如，对于TE_01δ模的信号，滤波器仅输出期望带宽的频率，但对于TM₀₁₀、TM_011+δ模的频率信号，因通过了期望带宽以上的频率，所以会产生使滤波性能大大降低的问题。

本发明的目的在于提供可解决现有技术的问题、能够滤波期望工作模以外的寄生模的频率的介质谐振滤波器。

再有，本发明的另一目的在于提供利用频率同轴谐振器除去不期望的寄生模信号的介质谐振滤波器。

再有，本发明的另一目的在于提供利用工作模不同的两个谐振器除去不期望的寄生模信号的带通滤波器。

为了解决上述课题，本发明提供一种介质谐振滤波器，在超高频的介质谐振滤波器中，包括：长方形金属箱，带有用于输入输出高频信号的输入端子和输出端子；与上述输入端子连接、把从该输入端子输入的高频信号与上述金属箱耦合的输入耦合探针，和把上述金属箱内的高频信号与上述输出端子耦合的输出耦合探针；和有预定谐振Q值的TEM谐振器，对由邻接的频率能量耦合体激励的高频信号滤波，仅输出所述金属箱内侧的截止频率以上的频率和预定长度的递增N倍的频率，有比上述TEM模谐振器的谐振Q值高的谐振Q值的输出介质谐振器，对由邻接的频率能量耦合体激励的高频信号滤波，仅输出上述TEM模谐振器的递增N倍频率和所述金属箱内侧的截止频率以上频率中TE_01δ模及寄生模，通过内装在上述金属箱中的输出介质谐振器，截止作为附着结构的上述介质谐振模以外的寄生模的信号。

图1是表示现有技术的介质谐振滤波器的平面结构图。

图2是表示图1的介质谐振滤波器的剖视图，是展示把用于谐振频率调节的螺杆形成的帽组装在波导管中的形态的剖视图。

图3是表示本发明的介质谐振滤波器的平面结构图。

图4是表示图3的介质谐振滤波器的剖视结构图，展示把用于谐振频率调节的螺杆形成的帽组装在波导管中的形态的剖视图。

下面，参照附图说明本发明的实施例。再有，对各实施例之间的共同部分采用同一标号，并省略重复的说明。

图3表示本发明第1实施例中的介质谐振滤波器的平面结构的图。参照图3，在与形成在金属箱10上的输入端子12耦合的输入耦合探针22和与输出端子14连接的输出耦合探针24的每一个上，分别隔开设置第1和第2TEM模谐振器34、36(例如，具有谐振频率为λ/4长度的同轴谐振器)。上述第1、第2 TEM谐振器34、36通过耦合螺杆装设在金属箱10中，在与上述第1、第2 TEM谐振器34、36相隔预定间隔的位置上形成预定厚度的隔膜38、42。在上述隔膜38、42的上部、例如金属箱10的侧面，设置用于调节激励磁场H的耦合量的耦合调谐螺杆44、48。而且，在上述隔膜38、42之间，分隔开地设置两个介质谐振器16、18，在介质谐振器16、18之间形成预定厚度的隔膜40。在上述隔膜40的下部，设置用于调节两个介质谐振器16、18相互之间磁场H的耦合量的耦合调谐螺杆46。此时，上述金属箱10为上述的铝或黄铜等金属，为提高在表面上的传导率电镀了银。

图4展示图3所示的介质谐振器的剖面结构，是表示把螺杆形成的帽组装在波导管上的形态的剖视图。参照图4，由隔膜38、40、42将金属箱10分为四个极。在处于由上述三个隔膜38、40、42分成的四个极中，装设有输入和输出耦合探针22、24的极区中，设置第1和2TEM模谐振器34、36，在上述第1、第2 TEM模谐振器34、36的侧上部放置的盖11上分别设置用于TEM模谐振频率调整的螺杆31。

再有，在金属箱10内，分别在位置隔开的两个介质谐振器16、18的下部，设置具有低损耗及低介电常数的支架26，从金属箱10的底面按预定高度维持上述介质谐振器16、18。分别由低介电常数的固定螺杆28将上述介质谐振器16、18固定在金属箱10中上述支架26的上部。此时，上述支架26可采用频率损耗小且介电常数低的聚四氟乙烯或聚碳酸酯氧化铝的非导体材料，以上这些能够最大限度地维持由陶瓷材料构成的介质谐振器16、18的电磁场能量。

在上述金属箱10的上部覆盖的盖11上，设置位于上述介质谐振器16、18的上部的用于谐振频率调整的螺杆30，在这些螺杆30的下部上述金属箱10内侧，形成调谐板32。此时，上述调谐板32位于两个介质谐振器16、18的上部侧位置。应依据谐振频率调节的正确率适当选择上述调谐板32的直径。

下面，参照图3和图4，说明本发明实施例的介质谐振滤波器的作用。

首先，如果在输入端子12上输入任意的高频信号，那么就通过输入耦合探针22把它传送至金属箱10的内部。此时，沿上述耦合探针22上的方向35形成电场E，并形成以上述耦合探针22为中心的磁场H。输入的高频信号在上述输入耦合探针22上形成的磁场H在同一极内激励隔开设置的第一TEM模谐振器34。

上述第一TEM模谐振器34有预定的谐振Q值。把距金属箱10的下部底面的长度L设定得比谐振频率的λ/4短一些。上述那样的第一TEM谐振器34进行滤波仅通过固有谐振频率和金属箱10内侧的截止频率以上的频率以及谐振器长度L的递增N倍频率的信号并在周围激励起该信号。此时，上述第一TEM谐振器34的谐振模为TEM模。上述第一TEM谐振器34的磁场H以轴为中心输出，通过隔膜38与耦合调谐螺杆44之间的间隔，该磁场激励位于第二极位置的介质谐振器16。上述耦合调谐螺杆44设置在金属箱10的侧面，根据连结程度调节隔膜38与耦合调谐螺杆44之间的间隔，从而调节从第一TEM模谐振器34向介质谐振器16激励的磁场H的耦合(激励)量。

为了仅传送来自第一TEM模谐振器34的递增N倍的频率和金属箱10内侧的截止频率以上的频率，上述介质谐振器16若使TE_01δ模的谐振频率与TEM谐振器一致，则使TE_01δ模以外的寄生模信号不能传送。此时，上述介质谐振器16把来自上述第一TEM模谐振器34的滤波输出的信号按上述【式1】那样的谐振频率再次滤波，邻接与其对应的磁场H，并且激励另一个介质谐振器18。此时，通过隔膜40和由耦合调谐螺杆46调节的间隔来控制与介质谐振器16邻接的介质谐振器18上的耦合量。因此，只要通过上述第一TEM模谐振器34的TEM模谐振器长度L的递增N倍的频率和金属箱10内侧的截止频率以上的频率与介质谐振器16和18的谐振寄生模不一致，就不能够通过介质谐振器16、18。

通过隔膜42与耦合调谐螺杆48的间隔，对应来自上述介质谐振器18的已滤波的高频信号的磁场H激励位于输出端位置的第二TEM模谐振器36。此时，上述第二TEM模谐振器36经再次滤波除去介质谐振器16、18的通过频带以上的频率，通过输出耦合探针24输出给输出端子14。

在上述实施例中，排列着第一TEM模谐振器34、介质谐振器16、18和第二TEM模谐振器36，即使该排列顺序不同，也具有同样的滤波特性。再有，在本发明的实施例中，说明了在位于输入和输出耦合探针侧位置的两个TEM模谐振器(同轴谐振器)之间插入两个介质谐振器的结构，但上述介质谐振器的数目可依据特性选为N个(其中，N为1、2、3、…、N为整数)。还有，这种谐振器的个数的选择对于同轴谐振器也同样适用。

其中，应注意是，根据介质谐振器的个数与TEM模谐振器的个数比，滤波器的特性将表现出个数多的一方的性能。例如，在TEM模谐振器的个数多于介质谐振器的个数的情况下，滤波器的特性就显示出更强的TEM模的性能，在相反的情况下，就显示出TE_01δ模的性能。

本发明通过在介质谐振滤波器的输入输出端或介质谐振器之间插入同轴谐振器，可容易地除去介质谐振器的最大缺点，即寄生模，从而能够提高滤波器的性能，由于与仅用圆盘型的介质谐振器构成的滤波器相比能够减小尺寸，所以具有能够获得制作轻、薄、小型的微波滤波器的效果。

Claims (20)

1.一种微波滤波器，包括：

带有导电性内表面的外壳；

输入和输出装置，把电磁能量引入所述外壳和从所述外壳中提取电磁能量；和

多个谐振器，装在所述外壳内，按耦合关系顺序排布在所述输入和输出装置之间，所述多个谐振器至少包括一个适用于以TEM模谐振的TEM模谐振器和至少一个适用于以选择模谐振的介质谐振器，所述多个谐振器以基本相同的谐振频率进行谐振，以便将所述基本相同的谐振频率从所述输入装置把电磁能量传导给所述输出装置，

其特征在于，其前面设置有所述TEM模谐振器的任何所述介质谐振器与所述前置TEM模谐振器的寄生模相配合，以衰减所述前置TEM模谐振器的所述寄生模，其前面设置有所述介质谐振器任何所述TEM模谐振器与所述前置的介质谐振器的寄生模相配合，以衰减所述前置介质谐振器的所述寄生模。

2.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，还包括在所述多个顺序排列的每个谐振器之间调整所述耦合的装置。

3.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，还包括调整所述TEM模谐振器的谐振频率的装置。

4.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，还包括调整所述介质谐振器的谐振频率的装置。

5.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，由所述外壳的所述内表面限定的所述外壳的内部大致构成一个长方体。

6.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，所述TEM模谐振器包括导电杆，所述杆的一端对所述外壳短路，以便所述杆与所述外壳的内表面形成同轴谐振器。

7.如权利要求6所述的微波滤波器，其特征在于，所述杆的导电长度大致等于四分之一所述谐振频率波长。

8.如权利要求7所述的微波滤波器，其特征在于，所述TEM模谐振器的所述寄生模包括有所述外壳截止频率以上的频率的模和有所述TEM模谐振器的谐振频率的整数倍频率的更高级别的模，所述整数大于1。

9.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，所述介质谐振器的所述选择模为TE_01δ模。

10.如权利要求9所述的微波滤波器，其特征在于，所述介质谐振器包括相对于所述外壳的所述内表面电绝缘并与其隔开的大致圆筒形的介质圆盘。

11.如权利要求1所述的微波滤波器，其特征在于，相互隔开并相互邻近地配置所述多个谐振器。

12.如权利要求11所述的微波滤波器，其特征在于，还包括配置在所述多个谐振器中的相邻的两个之间、用于电隔离所述多个谐振器中的相邻的两个的隔离装置，所述隔离装置与所述外壳一起形成多个互相靠近的空腔，每个所述空腔包括对应于所述多个谐振器的其中一个，所述隔离装置还用于在相邻的所述空腔之间提供一定量的耦合电磁能量。

13.如权利要求12所述的微波滤波器，其特征在于，还包括在相邻的所述空腔之间调整耦合的电磁磁能量的装置。

14.如权利要求12所述的微波滤波器，其特征在于，所述隔离装置包括配置在相邻的所述空腔之间的电隔离墙，所述隔离墙至少有一个形成在其内的耦合孔，设置所述耦合孔并设定其尺寸，以便在所述相邻的所述空腔之间提供所述量的耦合电磁能量。

15.如权利要求14所述的微波滤波器，其特征在于，所述空腔的内部大致构成为长方体。

16.如权利要求14所述的微波滤波器，其特征在于，所述输入和输出装置从所述外壳的外部延伸至相应的所述空腔的相对端部的内部，所述输入和输出装置在所述端部的空腔的所述内部中的部分用于与位于所述端部空腔内的所述多个谐振器的相应端部耦合电磁能量。

17.如权利要求14所述的微波滤波器，其特征在于，所述TEM模谐振器包括导电长度约等于所述谐振频率四分之一波长的导电杆，所述杆的一端与所述多个空腔的相应的一个短路，使所述杆与所述相应的空腔的内表面形成四分之一波长的同轴谐振器。

18.如权利要求17所述的微波滤波器，其特征在于，所述TEM模谐振器的寄生模包括有所述对应空腔的截止频率以上频率的模和有所述TEM模谐振器的谐振频率的整数倍频率的更高级别的模，所述整数大于1。

19.如权利要求14所述的微波滤波器，其特征在于，所述介质谐振器的所述选择模为TE_01δ模。

20.如权利要求19所述的微波滤波器，其特征在于，所述介质谐振器包括相对于所述多个空腔中相应的一个的所述内表面电绝缘并与其隔开的大致圆筒形的介质圆盘。

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