CN1841838A - 微波带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微波带通滤波器，它包括多个耦合的谐振器，其中至少包含一个同轴谐振器(1)。为了抑制高阶通带或者寄生通带，该滤波器的特征在于，中心孔(9)从所述至少一个同轴谐振器的内导体(6)的上端开始延伸内导体的至少一部分长度，该中心孔(9)形成截止频率高于带通滤波器的通带的波导部分，并且，波导部分的上部(11)包含一种低损耗介电材料，其介电常数充分高，使得波导部分的截止频率低于带通滤波器的第一高阶响应，并且，中心孔(9)的下端部(10)含有一种有损材料。

Description

微波带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种微波带通滤波器，它包括多个耦合的谐振器，其中至少包含一个同轴谐振器。
背景技术
电磁频谱的微波波段在各种技术领域里有着广泛的用途。其典型的应用包括像移动通信和卫星通信这样的无线通信系统，以及导航和雷达技术。微波技术的应用越来越广泛，增加了某个系统内部或者不同系统之间干扰的可能性。因此，微波波段被划分为多个不同的频带。为了保证某一特定的装置仅在分配给该装置的频带内通信，在发送和/或接收过程中，微波滤波器被用来实现带通和带阻的功能。相应地，这种滤波器用于分隔不同的频带以及区分有用和无用的信号频率，因此接收信号和发送信号的质量主要由滤波器的特性决定。一般而言，微波滤波器必须具备较小的带宽和较高的滤波质量。
举例来说，在基于蜂窝技术的通信网络，如广泛使用的GSM系统中，覆盖范围被分为多个不同的小区。每一个小区分配给一个基站。该基站包含一个收发机，它要与位于该小区内的多个移动装置同时进行通信。这种通信过程必须在最小的干扰下进行。因此，应用微波滤波器，将与这些小区相关的通信信号所使用的频率范围分成多个不同的频带。由于这些小区通常很小，而且同一时间里位于单个小区内的移动装置潜在数量很大，因此某个特定频带的带宽要尽可能地小。而且，为了满足效率要求和保持系统的灵敏度，滤波器必须具有较高的通带外部衰减和较低的通带插入损耗。因此，这种通信系统要求基站和移动装置都具有很高的频率选择性，这种频率选择性要求往往达到了理论极限。
一般而言，微波滤波器包含多个以各种结构耦合在一起的谐振部分。每个谐振部分组成一个独立的谐振器，并通常包含一个位于闭合或基本上闭合的传导面内的空间。在适当的外部激励下，一个振荡电磁场会保持在这个空间内部。这些谐振部分表现出显著的谐振效应，并由各自的谐振频率和带宽表征。为了使滤波器满足理想的滤波特性，关键在于这些耦合在一起组成滤波器的不同谐振器必须具有预定的谐振频率、带宽或者通带。这里的通带通常定义为相对于中心谐振频率有3dB衰减的频率之间的频率范围。
带通滤波器的一个常见问题是它们有很多无用的(或者“寄生(spurious)”)通带。无用通带的出现是由于谐振器产生高阶谐振，也称为相应结构的(本征)模。相应地，在高频处会出现周期性的高阶通带。在许多应用中，这种高阶通带是难以接受的。
该问题的一种解决方法是使用附加的低通滤波器。这是最常用的技术，但是附加的低通滤波器会产生额外的成本和占用更大的空间，同时会增加插入损耗。
此外，也有分散或阻尼带通滤波器的寄生响应的技术，如2003年德国慕尼黑第三十三届欧洲微波会议论文(1239～1242页)《一种具有宽阻带的电容性耦合波导滤波器》就介绍了这种技术。例如，对每一单个带通的谐振器采用不同的谐振结构来分散寄生响应。这样，在不同频率产生的高阶本征模以及滤波器的寄生带通传输会相应减少。
另一种可行办法是在谐振腔外部加入波导，波导的截止频率高于滤波器通带，其末端放置了有损材料吸收器。1993年西班牙马德里第三十二届欧洲微波会议论文(606～607页)、由W.Menzel等所著的《具有高阶通带衰减的波导带通滤波器》就介绍了采用这种技术的矩形波导带通。在滤波器的谐振器之间，放置了截止频率高于滤波器通带的小矩形波导。在这种结构中，只有频率高于小波导截止频率的电磁场可以穿透这些小波导，并因而被附加波导末端的有损材料所阻尼。这种结构的缺点是，需要为这些放置在滤波器的相邻谐振器之间的附加的小波导增加额外的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波滤波器，它包括多个谐振器，其中至少包含一个同轴谐振器，该微波滤波器能够有效抑制寄生通带或高阶通带，而不需要为额外组件增加空间。
该目的通过权利要求1中所限定的微波滤波器来实现。微波滤波器的优选实施方式陈述于从属权利要求中。
这种微波滤波器具有多个耦合的谐振器，其中至少包含一个同轴谐振器。同轴谐振器在谐振腔的底部装有一个圆柱形的内导体，该内导体延伸到预定高度，使其上端与谐振腔顶盖的内表面之间留有一定间隙。这种同轴谐振器也被称为梳型谐振器。根据本发明，所述的至少一个同轴谐振器的内导体中设有一个中心孔，该中心孔从内导体的顶端向下延伸内导体的至少一部分高度。这个中心孔形成一个截止频率高于滤波器通带的波导部分。这是因为内导体的中心孔的横向尺寸或截面尺寸要小于同轴谐振腔的内径。如下文将要说明，波导部分被进一步调整，使得其截止频率低于滤波器的第一高阶谐振频率。
中心孔的下部包含一种有损材料。有损材料可以是有损介电材料，如碳化硅陶瓷，或者有损磁性材料，如填充磁性材料的树脂基材料。
在这种结构中，频率高于波导部分的截止频率(其低于滤波器的第一高阶谐振频率或寄生通带频率)的电磁场会进入内导体的中心孔，并被中心孔底部的有损材料所阻尼或衰减。另一方面，对于通带内的频率，其底部的有损材料是“不可见的”，因为这些电磁场不能进入中心孔，而以指数方式衰减。这样，含有有损材料的中心孔不会影响滤波器在通带内的传输性能。
梳型谐振器的高度小于λ/4，通常为λ/8——这里的λ是相应于通带中心的波长。谐振器底部的短路(内导体与底板之间的电气连接)在谐振器顶部转换为一个电感，它与谐振器顶部的电容性间隙一起产生基频谐振。如果仅考虑横电磁(TEM-)波，第一高阶或寄生通带应位于大于基频通带频率接近3到5倍的频率区域内。除了TEM-波，还必须考虑谐振器的横电(TE-)模和横磁(TM-)模，与TEM-模相比，TE-模和TM-模与谐振器直径的相关性更强。因此，寄生通带可能会更接近目标通带。为使TE-模和TM-模在更高的频率，谐振器的外径应该很小——典型值应远小于基频通带频率的λ/2。谐振器外径与内导体外径间的比例应大约为3.6，以保证谐振器的高品质因数，因为在这一比例时，相应同轴线的阻尼常数最小。
为了能够得到低于第一高阶通带的截止频率，需要调整中心孔。中心孔的截止频率νcut对应于波长λcut＝2.61 r0，这里r0是充气中心孔的半径。在高于νcut的频率，一次模即TM01-模将能够传播。如果频率进一步增加，其它模也必须考虑。如果中心孔填充空气作为谐振腔，这个νcut通常对应于比通带内的谐振频率高很多倍的频率。另一方面，如前面所提到，由于第一高阶通带可能已经出现在3倍于通带频率的地方，因此需要降低中心孔的截止频率。可以通过在中心孔的上部安放低损耗介电材料，如陶瓷材料，来实现这一目的，这种材料具有足够高的相对介电常数，以使中心孔的截止频率低到接近于通带频率，这样，滤波器的第一高阶谐振就已经高于中心孔的截止频率。截止频率取决于波导部分的材料性质，即(εrμr)-1/2(εr为材料的相对介电常数，μr为材料的相对磁导率)。这样，采用εr大约为100、μr大约为1的材料，与充气波导部分相比，中心孔的截止频率可以降低1/10。
介电材料进一步由耗散因子D或者损耗角正切tanδ表征，二者是等价的。它们量化表示了材料的能量损耗特性。有损材料的特性是tanδ值高于0.1。另一方面，tanδ值低于0.01的介电材料就被认为是低损耗介电材料。它们是电绝缘体。在微波范围内，这些材料的介电特性随频率的变化相对很小。低损耗介电材料的损耗角正切值优选地低于0.001。
通常习惯下，这里定义中心孔的截止频率高于通带的性质意味着截止频率高于滤波器通带的3dB转角频率。
可以理解，采用本发明的设计，可以在不需要任何额外空间或附加组件的情况下抑制滤波器的高阶通带。因此，这种方法允许设计出非常高效、紧凑的微波滤波器。
以下将参照附图对本发明的具体实施例进行描述。
附图说明
图1为一四孔带通滤波器的透视示意图。
图2为在根据本发明的滤波器中所采用的同轴谐振器的示意性透视图。
图3示出了在有寄生模抑制和没有寄生模抑制两种情况下，滤波器输出输入功率比的频率响应。
具体实施方式
图1示出了包括四个串联耦合的同轴谐振器1的微波滤波器。该滤波器具有容性输入耦合20和容性输出耦合21。调整频率和耦合的调节螺钉没有示出。一般而言，滤波器不只是一连串的谐振器，还应该有耦合谐振器的二维布局。
图2示出了根据本发明的包括多个耦合谐振器的滤波器中所采用的单个同轴谐振器。该同轴谐振器1包含一个中空的圆柱形外壳2。外壳2由圆盘形底座3、从底座3向上延伸的侧壁4、以及紧固在侧壁4上端的圆盘形顶盖5构成。谐振器1还包含一个圆柱形内导体6，它位于外壳2内部的中央并且其下端7与底座3相连。内导体6沿着圆柱形外壳2的纵轴，从底座3向上延伸。它的长度低于外壳2的高度，这样在内导体6的上端8与外壳2的顶盖5之间形成一个电容性间隙。
内导体6设置有一个中心孔9，它从内导体的上端8向内导体6的内部延伸该内导体6的至少一部分长度。例如可以向内导体6内钻孔形成中心孔9。
中心孔9的下部10含有有损材料，其用作吸收器。这种有损材料例如可以是磁化环氧树脂这样的有损磁性材料，如美国马萨诸塞州伦道夫的爱莫生·康明微波产品公司所生产的Eccosorb MF系列吸收材料。例如Eccosorb MF190材料在3GHz时的介电常数εr为28，磁导率μr为4.5，损耗角正切tanδd和tanδm分别为0.04和0.09。或者，也可采用有损介电材料，如由碳化硅(SiC)粉烧结而成的碳化硅陶瓷。这种碳化硅陶瓷的介电常数通常为30至35，损耗角正切tanδd的范围在0.3到0.5。
有损材料可以部分或全部填充中心孔9的下端部分。
中心孔9的上部11优选地包含低损耗介电材料(如用于介电谐振器的陶瓷材料)。如上所述，该上部低损耗介电材料需要在中心孔9上部内提供足够高的相对介电常数εr来降低中心孔9的截止频率，以保证滤波器的第一高阶通带高于中心孔9的截止频率。下面的表1列出了适合用作中心孔9上部中的低损耗介电材料的例子。
            表1  低损耗陶瓷材料
材料成分   εr     Q*f(f为GHz)     4GHz处的损耗角正切     温度系数ppm/℃
BaTi4O9   38     40,000     0.0001     +4
Ba2Ti9O20   40     40,000     0.0001     +2
(Zr-Sn)TiO4   38     40,000     0.0001     -4至+10
Ba(Zn1/3Nb2/3)O2-Ba(Zn1/3Ta2/3)O2   30     100,000     0.00004     0至+10
BaO-PbO-Nd2O3-TiO2   90     5,000     1GHz时0.0002     +10至-10
MgTiO3-CaTiO3   21     55,000     0.00007     +10至-10
中心孔上部10中的低损耗介电材料与下部的有损材料之间的过渡可以是非连续过渡，如示意图所示，或者更优选的是平滑过渡。为了实现后一种过渡方式，比如，可以让下部10的有损介电材料的上表面相对于中心孔9的纵轴倾斜，同时让低损耗介电材料的下表面与有损介电材料的上表面成互补形状。平滑过渡是优选的，以便抑制两种介电材料过渡处的反射。或者，低损耗介电材料和有损材料经烧结过程形成，使得各自材料的粉末在过渡区互相混和，这样也可以实现平滑过渡。
中心孔9的作用是一个圆柱形波导。必须选择合适的尺寸(直径)和填充其上部11的低损耗介电材料，使得截止频率高于滤波器的通带但低于滤波器的第一高阶或寄生通带。在这种方式下，中心孔对于通带内的频率是不“可见的”，这样就不会影响滤波器在通带内的性能。为了保证谐振器保持高的品质因数，上部11的介电材料的损耗应尽可能低。
对于中心孔截止频率以上的频率，中心孔9能够传播这些波。对这样的频率，中心孔9将能够传播这些波，并且中心孔9底部的有损材料对于这种频率的电场是“可见的”。由于中心孔9的截止频率被调整到低于滤波器的第一高阶或寄生通带，滤波器所有的高阶模或寄生模将得到衰减或抑制。这种情况下，滤波器的阻带特性得到提高。
这些结果显示在图3中，其中的实线表示，在没有采用本发明的高通带抑制方法的情况下，滤波器的性能(输出输入功率比)。这种滤波器响应示出了基频通带和在高频处所不希望的高阶或寄生通带。由图3中的虚线可见，采用本发明所设计的具有含中心孔的内导体的同轴谐振器，高阶通带得到了衰减。

Claims (8)

1.一种微波带通滤波器，包括多个耦合谐振器，其中至少包含一个同轴谐振器(1)，其特征在于，中心孔(9)从所述至少一个同轴谐振器的内导体(6)的上端开始延伸内导体的至少一部分长度，该中心孔(9)形成截止频率高于带通滤波器的通带的波导部分，该波导部分的上部(11)包含一种低损耗介电材料，其介电常数充分高，使得波导部分的截止频率低于带通滤波器的第一高阶响应，并且，中心孔(9)的下端部(10)含有一种有损材料。
2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，在中心孔(9)的下端部(10)里的有损材料是一种有损介电材料或有损磁性材料。
3.如权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于，低损耗介电材料的损耗角正切tanδ低于0.001。
4.如权利要求2或3所述的带通滤波器，其特征在于，有损材料是一种结构为碳化硅(SiC)陶瓷的有损电介质。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的带通滤波器，其特征在于，中心孔具有圆柱形形状。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的带通滤波器，其特征在于，中心孔(9)内的低损耗材料与有损材料间的过渡沿中心孔的轴向是渐变的。
7.如权利要求6所述的带通滤波器，其特征在于，有损材料的上表面相对于中心孔的纵轴是倾斜的，而低损耗介电材料具有与其互补的下表面。
8.如权利要求6所述的带通滤波器，其特征在于，有损材料和低损耗介电材料由烧结的粉末材料制成，并且各自的粉末材料在过渡区互相混合。
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