CN1965439A - 可调谐滤波器，天线共用器和通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可抑制介入损耗增加的可调谐滤波器，在半同轴谐振腔各级处，固定在支撑元件(8)上的介质(11)分别穿过外导体并可移动，凸出至外导体外部的支撑元件耦合到耦合元件(9)，使耦合元件滑移或转动，从而使介质(11)和内导体(2)间的距离改变，从而使各谐振腔的频率同时变化。于是其具有高功率阻抗，不会引起互调失真，且允许滤波器的中心频率以高速无级变化。

Description

可调谐滤波器，天线共用器和通信设备

技术领域

本发明涉及使用半同轴谐振腔的可调谐滤波器，天线共用器和通信设备。

背景技术

允许其中心频率依照外界控制信号而变化到期望值的滤波器称为可调谐滤波器。可调谐滤波器的一个典型例子是专利文献1所揭示的可调谐变频带通滤波器。该滤波器有多个短路棒。各短路棒的一端分别固定在半同轴谐振腔内导体棒一定高度的侧表面，间隔均匀分布，且水平方向呈放射状扩展，然后约呈垂直向下弯曲，另一端则分别接触到外导体的底面，且该接触点在以上述内导体上的固定位置为中心的同心圆上，并且该另一端分别连接到固定在外导体底面的PIN二极管。在外部控制电压作用下，上述PIN二极管能使短路棒和外导体的底面电连接/断开，通过短路棒与外导体的短路连接时产生的电感元件的变化，来控制各个谐振腔的频率，从而改变滤波器的调节频率。

专利文献1：日本未审查的专利申请

公开号：特开平9-284097

发明内容

本发明所解决的问题

在上述结构中，由于在半同轴谐振腔的强电流的部分，连续接有多根与PIN二极管相连接的地线，因此，会出现谐振腔的Q值下降、连续装设该谐振腔的带通滤波器或带阻滤波器中的介入损失增加等问题。

另外，在这个结构中，由于频率随着PIN二极管的开通/断开而变化，所以出现了带通滤波器的中心频率或带阻滤波器的阻带中心频率只能离散地变化，而不能无级地连续变化的问题。

而且，为了使滤波器能通过高达几瓦至几十瓦的高电量有时需要在PIN二极管上施加容许的电压或者更高的电压。相应地，所述PIN二极管可能被烧坏，导致所述滤波器失效。

类似地，当使滤波器需要通过高达几瓦到几十瓦的高电量时，所述PIN二极管，以及所述PIN二极管连接的所述地线可能引起大的互调失真的出现。

解决所述问题的装置

为了解决上述的问题，根据本申请的发明构造如下。

权利要求1所述的发明是可调谐多级半同轴谐振腔带通滤波器，其中相邻级之间电磁耦合在一起，该滤波器包括：外导体，其内有由间隔板隔开的多个独立谐振腔；棒状内导体，其固定在每一个上述谐振腔底面，但是不固定到与每一个谐振腔底面相对的面上；频率调节螺杆，其由导体制成，从与每个谐振腔底面相对的面，或每个谐振腔的侧面螺旋穿过；输入/输出连接器，其连接到上述外导体；耦合缝，其位于相邻谐振腔之间的间隔板上。在每一个谐振腔，介质插入谐振腔并被一支撑元件固定，该支撑元件穿过外导体并可移动，并且该多个支撑元件分别有凸出部位，凸出到外导体外面，并且这些凸出部位用一个耦合元件耦合。

权利要求2所述的发明是半同轴谐振腔带阻滤波器，包括：外导体，其内具有由间隔板分离的多个独立谐振腔；棒状内导体，固定在每个谐振腔的底面，但不固定在与每一个谐振腔底面相对的面上；频率调节螺杆，其由导体构成并且螺旋穿过与每个谐振腔底面相对的面，或穿过每个谐振腔的侧面；传输线，具有连接到上述外导体的输入/输出装置；连接器，把传输线电连接到产生于每个谐振腔的谐振电磁场。其中在每个谐振腔，介质插入谐振腔并被支撑元件支撑，该支撑元件穿过所述外导体并可移动，且上述多个支撑元件分别具有凸出部位，凸出到外导体外部，这些凸出部位由耦合元件耦合。

权利要求3所述的发明是，根据权利要求1所述的可调带通滤波器，置于预定的谐振腔中的上述介质的可移动区域，是以上述预定谐振腔中耦合缝的开口部为底面，并以预定谐振腔中的内导体中心轴线上的任意一点为顶点所界定的锥体状区域以外的其他区域。

权利要求4所述的发明是，根据权利要求1或3所述的可调带通滤波器，还包括可单独地确定每个介质插入每个谐振腔的插入量的装置。

相对于权利要求2所述的可调带通滤波器，权利要求5所述的发明还包括可单独地确定每个介质插入每个谐振腔的插入量的装置。

根据权利要求6所述的发明是天线共用器，包括：至少两个滤波器；以及天线连接器，其以共享的方式连接到上述滤波器，其中至少一个上述滤波器是权利要求1，3或4所述的可调谐带通滤波器。

根据权利要求7所述的发明是通信装置，包括：根据权利要求6所述的天线共用器，连接到所述天线共用器的至少一个输入/输出连接器的发射电路；连接到剩余输入/输出连接器的接收电路；以及连接到所述天线共用器的天线连接器的天线。

发明的有益效果

根据权利要求1或2所述的发明，通过改变插在各个半同轴谐振腔中的介质相对于内导体的位置、角度，或者同时改变两者，就可施加干扰到产生于谐振腔的电场，从而改变每个谐振腔的谐振频率。另外，由于介质的支撑元件由耦合元件耦合，所以谐振腔的频率可同时迅速变化，并且变化量相同。由于耦合元件的偏移量在一个可变区域内可任意设定，这就提供了一个可调谐滤波器，其带通滤波器的中心频率或者带阻滤波器的阻带中心频率在可变范围内可以任意设定，并且具有良好的反应性能。

另外，由于把支撑元件可移动地耦合到耦合元件，所以可借助凸轮结构等使对各个谐振腔具有各自不同的干扰量。因此，即使所述滤波器配置为连续排列的具有不同谐振腔形状的谐振腔，不同谐振腔中的介质的偏移量也可以单独变化。从而谐振腔频率的变化量可以分别地随意设置，于是提供了一种可调节滤波器，其可以选择中心频率却不会导致滤波器特性的恶化。

由于介质引起的干扰是施加到谐振腔的电场中的，可以通过使用具有好的介质损耗因子的介质，来最大限度地限制谐振腔中Q值的下降。另外，由于在施加了极高电流的谐振腔中没有使用PIN二极管之类的有源元件，滤波器的耐电力性可以得到增强，从而增加可靠性，并且由于没有任何多余元件如PIN二极管或者伴随的地线等连接到滤波器，所以构成的可调谐滤波器不会由于这些多余元件而引起互调失真。

根据权利要求3所述的发明，由于介质棒的偏移所引起的干扰没有被施加到相邻谐振腔之间的电磁耦合区，因此可持续抑制相对于各级之间耦合系数的变化，而只有频率被改变。因此，本发明提供了一种回波损耗波形混乱较少的可调带通滤波器。

根据权利要求4或5所述的发明，提供了能适当确定用于改变频率的介质相对于各谐振腔的插入量的装置。因此，即使滤波器的具有不同形状谐振腔的谐振器以及接有输入/输出装置的谐振器中，谐振频率对介质偏移干扰的敏感度不同，仍然可以通过事先调整介质插入量以使谐振频率的干扰量一致。另外，这种构造还可以应用于调整滤波器时的频率微调。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的示意图；

图2是本发明第二个实施例的示意图；

图3是本发明第三个实施例的示意图；

图4是本发明第四个实施例的示意图；

图5是本发明第五个实施例的示意图；

图6是根据本发明的带通滤波器特性变化状态的示意图。

1a和1b 外导体          6    耦合缝

1c     间隔板          7    耦合探头

2      内导体          8    支撑元件

3      输入/输出连接器 9    耦合元件

4      频率调节螺杆    10   导向块

5      耦合调节螺杆    11   介质

12        驱动元件    23        内导体

13        支撑元件    24        中央导体

13a       凸缘        25        频率调节螺杆

14        耦合元件    26a至26b  耦合探头

15        导销        27        支撑元件

16        平动凸轮    28        耦合元件

17        导向孔      29        导向块

18        支撑元件    30        介质

19        耦合元件    31        驱动元件

20        导向块      32        长孔

21        驱动元件    33        长孔

22a至22c  外导体      34        输入/输出连接器

具体实施方式

参考图1，描述本发明的第一实施例。图1(a)是一个应用本发明的五级带通滤波器的平面图，显示了省略外导体1b的一部分后滤波器的内空间。图1(b)是图1(a)的侧视图，显示了省略外导体1a的一部分后滤波器的内空间。图1(c)是显示滤波器频率被改变后的状态与图1(b)中滤波器频率状态的对比图。下面参照这些图描述第一实施例。

外导体1a是个空心结构，具有一面为开口的谐振腔。空心结构被隔离板1c分割成多个谐振腔。外导体1b由板状构件组成且通过螺钉固定在与外导体1a的开口相对的位置上。内导体2固定在外导体1a的底面。内导体2可以直接和外导体1a作为一个整体来制作成型，也可以用螺钉拧在外导体1a的底面。图中显示内导体2为圆柱形，但也可以是横截面为椭圆或多边形的柱形。所述内导体2没有直接固定到与外导体1a的相对的外导体1b的表面上，而是在内导体2正上方，有一个导体材料制成的频率调节螺杆4螺旋穿过外导体1b，从而形成一个半同轴谐振腔。所述频率调节螺杆4可以设置内导体2正上方以外的区域，并且可以螺旋穿过外导体1a的侧表面。

隔离板1c的一部分打开形成缝6，以此实现每个谐振腔与相邻谐振腔的电磁场耦合。缝6的开口扩展到隔离板1c的上端表面。另外，耦合调节螺杆5由导体制成，螺旋穿过外导体1b并且凸出到缝6，来调节电磁场耦合度，使之达到一个期望值。

第一级和最后一级的谐振腔具有耦合探头7，来耦合谐振腔到输入/输出连接器3。

基于以上所描述的构造，第一实施例中是作为一个五级带通滤波器使用。注意级数可以根据所期望的特性来设计。

在外导体1b为每一个谐振腔提供了长孔32，支撑元件8穿过长孔32并可沿图中的水平方向移动。支撑元件8的一个终端凸出至外导体1b外，并且固定在板状耦合元件9。介质棒11与支撑元件8的另一端连接。耦合元件9和支撑元件8的材料可以从树脂、金属、陶瓷等材料中适当选择。介质棒11可以通过焊接、压装、敛缝、机械固定或这些方式的组合来固定在支撑元件8上。介质棒11的形状、长度、介质常数等可以适当地选定。介质棒11的形状可以是圆柱、椭圆柱、多边形柱、锥体、以及板状等。介质常数越高，对电场的干扰量越大，频率的可变范围越宽。为了防止当施加高电能时发生互调失真，耦合元件9和支撑元件8最好由没有导电性的树脂或陶瓷制成。

耦合元件9通过固定在外导体1b上的导向块10固定到外导体1b的表面，且在导向块10的导向作用下，沿耦合元件9本身的纵向方向可滑动，并且可以通过驱动元件12作用滑到期望的位置。所述驱动元件12可以通过响应外部电信号的电驱动方法，或者借助空气压力的驱动方法，或者手工驱动的方法来驱动耦合元件9。

图1(c)中显示了耦合元件9滑向图示右侧后的状态。所述分别插入谐振腔的介质棒11同时相对于内导体2移向右侧。至于谐振腔电场强度的分布，越靠近内导体2的部位强度越高，越远离内导体2的部位其强度越低。在图1(c)中，由于介质棒11从图1(b)显示的部位偏移到电场强度小的部位，介质棒11引起的对场强的干扰下降，各谐振腔的频率以几乎相同的幅度同时升高。

所述介质棒11可以位于可移动范围内的期望位置，从而滤波器的中心频率可持续变化，而不是离散变化。

为了简化接下来的描述，对应于支撑元件8的组件，所述耦合元件9，所述导向块10，所述介质棒11，以及所述驱动元件12在其他图中显示时，统称为调谐系统。

下面参考图2描述本发明的第二实施例。除了调谐系统，过滤器的基本配置与第一实施例的相同。

图2(a)示出应用了本发明的五级带通滤波器的平面图。耦合元件14有多个平行于其纵轴方向的导向孔17，和多个与其纵轴方向成预定角度的平动凸轮16(即图示的斜槽)。具有凸缘的导销15分别穿过各导向孔17，并且导销15固定在外导体1b的表面，从而耦合元件14连接到外导体1b表面，并且在滤波器的纵向方向可移动。

图2(c)是省略耦合元件14一部分的A部位的放大视图。图2(d)显示了根据所述放大视图的B-B截面。支撑元件13具有凸缘13a，并且插入外导体1b上带有凹槽的延长孔，其可相对外导体1b移动并且具有凸轮从动功能。如上所述连接的支撑元件13从外导体1b凸出的凸出部分插入平板凸轮16。所述介质棒11以与第一实施例相同的方式固定在支撑元件13上。

图2(b)显示了耦合元件14滑至图示左边的状态。耦合元件14可以在驱动元件12的驱动下滑到期望位置。支撑元件13通过在耦合元件14上的平动凸轮16的作用下移动。作为凸轮从动件，图中支撑元件13横向移动被抑制，由于平动凸轮16的作用，耦合元件14水平方向的移动被转化为支撑元件13在图中上下方向的移动，从而介质棒11和内导体2的距离发生改变。在图2(b)的示例中，相对于图2(a)，介质棒11距离内导体2更近。

在图2(b)中，当耦合元件14滑动到由导向孔17限制的最右位置时，支撑元件13沿图向下移动(没有示出)，同时因此介质棒11远离内导体2。正如第一实施例所描述的，由于半同轴谐振腔中内导体附近具有更高的电解密度，当介质棒11靠近内导体2时谐振腔的频率下降，相反地介质棒11远离内导体2时谐振腔的频率升高。由于这个操作在谐振腔中是同时完成的，可以实现调谐而维持谐振腔的中心频率波形基本不变。

在这类配置中，平动凸轮16与耦合元件14中心轴线的所成的角度在各个谐振腔间可以变化，于是耦合元件14水平滑动时，各个谐振腔中支撑元件13沿图纸上下方向的偏移量可以有所不同。如果需要每个谐振腔频率的干扰量都不同，适当调整平动凸轮16的角度就可以了。

介质棒11由相对介电常数为92并且由稀土钛酸钡混合物组成的材料做成。图6显示了耦合元件14位于图2(a)所示位置时的波形示例，当耦合元件14在导针15和导向孔17的限制下滑到图示的最左端位置[如图2(b)所示]时的波形示例，以及滑到图示最右端位置时的波形示例。滤波器的中心频率可以在150MHZ的范围内变化。

在第二个实施例中，耦合元件14的材料、支撑元件13的材料，以及介质棒11的形状与第一实施例所描述的相同。

下面参考图3描述本发明的第三个实施例。类似于第二个实施例，除了调谐系统，滤波器的基本配置与第一个实施例相同。

图3(a)是运用本发明的五级带通滤波器的平面图。图3(b)是图3(a)的侧视图，示出了省略外导体1a部分侧壁后的滤波器内部空间。图3(c)是图3(b)的沿c-c线截面的放大图。

耦合元件19是圆柱体，被固定在外导体1b上的导向块20所支撑，它可以以耦合元件19截面的中心位置为轴旋转。在每个谐振腔处外导体1b上有延长孔32，支撑元件18分别插入延长孔32并可沿图3中上下方向活动。支撑元件的一端从外导体1b向外凸出，固定在耦合元件19上。介质棒11与支撑元件18的另一端连接。

如图3(c)所示，当驱动元件21驱动耦合元件19旋转，介质棒11将绕耦合元件19截面的中心轴线旋转，并且改变了其与内导体2之间的距离。正如第一实施例已经描述的那样，由于半同轴谐振腔内导体周围有更高的电场强度，当介质棒11接近内导体2时谐振腔的频率下降，当介质棒11远离内导体2时谐振腔的频率升高。由于这个操作在谐振腔中同时进行，所以可在维持滤波器中心频率波形基本不变的情况下，实现调谐。

在这些实施例中，如果外导体1a和1b界定的每个谐振腔的内空间是大小为45mm的立方体，内导体2是直径为12mm的圆柱，那么谐振腔的无载Q值将变为大约4800。如果插入由稀土钛酸钡混合物组成的材料构成，相对介电常数为92，在2GHZ时介质损耗因子为0.0005，直径为5mm，长度为20mm的圆柱体的介质棒11，其无载Q值大约下降3％，所做成的滤波器介入损耗的增加也大约是3％。当五级滤波器的中心频率为2GHZ时，形成1.5％的带宽比时，其中没有使用调谐系统的滤波器的介入损耗大约为0.6dB，而使用调谐系统的滤波器的介入损耗大约为0.62dB。因此，介入损耗的增加非常小。另外，调谐系统不会造成耐电力性的下降或互调失真的出现，也可以形成具有良好特性的带通可调谐滤波器。

下面参考图4描述本发明的第四个实施例。图4(a)是应用了本发明的五级带阻滤波器的平面图，显示了省略外导体22b的一部分后滤波器的内部空间。图4(b)是图1(a)的侧视图，显示了省略外导体22a的一部分之后的滤波器内部空间。图4(c)是沿图4(b)的沿d-d线截面的放大视图。

内导体23固定在外导体22a的底面。内导体23既可以和外导体22a底作为一整体来制作，也可以用螺钉固定在外导体22a的底面上。本图中显示的内导体23为圆柱形，事实上内导体23也可以是多边棱柱。内导体23不固定在与外导体22a的相对的外导体22b上。频率调节螺杆25由导体制成，在内导体23正上方的部位，并螺旋穿过外导体22b，从而形成一个个半同轴谐振腔。频率调节螺杆25还可以安置于内导体23正上方以外的地方，并且可以螺旋穿过外导体22a的侧表面。虽然图中没有显示出，但外导体22b和22c是用螺钉固定在外导体22a上的。

每个谐振腔有完全封闭的空间。在每个内导体23引出耦合探头26a、26b，用来把每个内导体23耦合到接于外导体22a上的传输线中央导体24上。根据所期望的耦合量不同，耦合探头26a和26b在内导体23上的具体位置会不同，或者它们的形状不同。这同样可应用到图中未显示其内空间的谐振腔。

中央导体24位于外导体22a和22c的柱形腔内，并且形成阻抗为50Ω的传输线，中央导体24的终端分别连接到输入/输出连接器34。

在以上所述结构的基础上，第四实施例作为五级带阻滤波器工作。其级数可根据所期望的特性来设计。

包括支撑元件27、耦合元件28、导向块29、介质30和驱动元件31的调谐系统的构造、动作和效果，与第一权利要求所述的一样。

调谐系统的构造也可以用第二实施例或第三实施例所描述的系统代替。

下面参考图5描述本发明的第五实施例。图5(a)是一个五级带通滤波器的平面图，显示了省略部分上面板后的滤波器的内部。图5(b)是图5(a)的侧视图，并且显示了省略整个侧表面后的滤波器的内部。本实施例是第一实施例的变形，滤波器的基本构造和调谐系统的构造与第一实施例相同。

支撑元件8螺旋拧入耦合元件9，各个谐振腔中支撑元件8的拧入量可分别适当确定。图5(b)显示了在各个谐振腔中选择不同的支撑元件拧入量的状态。在本实施例中，介质棒11在铅垂方向上与内导体2的相对位置不同，介质棒如图1(c)所示，随着各个谐振腔中介质棒11的位置变化，谐振腔间的频率变化量也不相同。

为了能够在不改变滤波器的波形的条件下改变它的中心频率，谐振腔的频率必须均匀地变化。然而，由于耦合缝6的大小差异、频率调节螺杆8的插入量差异、以及耦合调节螺杆5的插入量差异的存在，各谐振腔中介质棒11的位置变化所引起的频率变化量也有差异。为了吸收各个槽中频率变化量的差异，我们有意地把每个谐振腔中介质棒11的插入量设为不同。各个介质棒的合适插入量可以用实验方法得到。

下面将讲述具体的调节方法：

首先，使介质棒在各个谐振腔以同一插入量插入。接着，指引耦合元件9滑动使得每个介质棒11位于离中央导体2的最远端。在这个状态下，介质棒11的插入量不会明显影响谐振腔的频率。保持这个状态不变，通过频率调节螺杆4和耦合调节螺杆5调节滤波器使之具有预定特性(即使调谐滤波器通带的中心频率达到最高的特性)。

接着，指引耦合元件9滑动使得介质棒11位于离中央导体2最近的位置。在这个状态下，如果给所有谐振腔施加相同的频率变化量，滤波器的通带保持其特性(通带的轮廓)，只有中心频率变化到低频状态。

当谐振腔间频率的偏移量不同，通带特性恶化时，可通过调节介质棒11的穿过量来优化这些特性。

用这种方法，可将滤波器通带的具有最高中心频率时和具有最低中心频率时的通带的特性，调节到我们所期望的特性。用这种方法调节的滤波器，其通带的中心频率被设定为最高点和最低点之间的任意值时，也会保持特性的稳定，从而得到一个可靠的带通可调谐滤波器。

在调节阶段，频率的调节通常是用频率调节螺杆4来实现。然而，在滤波器调节的最后阶段，可以通过调节介质棒11的插入量来实现频率微调。

第五实施例是以带通滤波器为例来说明的，事实上也可以应用于第4实施例所述的带阻滤波器。

另外，任何一个实施例都可以配备多个调谐系统。

Claims (7)

1.一种可调谐多级半同轴谐振腔带通滤波器，其中相邻级之间采用电磁耦合，包括：

外导体，其内含有多个由间隔板隔开的独立谐振腔；

棒状内导体，其固定在每个谐振腔的底面，但是不固定在与谐振腔底面相对的面上；

频率调节螺杆，其由导体制成，螺旋穿过每个与谐振腔底面相对的表面，或者穿过每个谐振腔的侧表面；

输入/输出连接器，连接到上述外导体；以及

耦合缝，位于相邻谐振腔的间隔板；

其中，在每个谐振腔内，由支撑元件支撑的介质被插入每个谐振腔，其中支撑元件穿过外导体并可移动；

多个上述支撑元件，分别有从外导体向外凸出的凸出部位，所述多个凸出部位由耦合元件耦合。

2.一种可调谐多级半同轴谐振腔带阻滤波器，包括：

外导体，其内含有多个由间隔板隔开的独立谐振腔；

棒状内导体，其固定在每个谐振腔的底面，但是不固定在与每个谐振腔底面相对的表面上；

频率调节螺杆，其由导体制成，其螺旋穿过与每个谐振腔底面相对的面，或者穿过每个谐振腔的侧面；

传输线，含有连接到外导体的输入/输出元件；以及

连接器，把上述传输线电连接到每个谐振腔中产生的谐振电磁场。

其中，在每个谐振腔内，由支撑元件支撑的介质被插入每个谐振腔，其中支撑元件则穿过外导体且可移动，

多个上述支撑元件，分别含有从外导体向外凸出的凸出部位，所述多个凸出部位由耦合元件耦合。

3.根据权利要求1的可调谐带通滤波器，其中，置于预定的谐振腔的介质的可移动的区域是，以预定谐振腔中偶合缝的开口部为底面，并以预定谐振腔中的内导体中心轴线上的任意一点为顶点所界定的锥体状区域以外的其他区域。

4.根据权利要求1或3的可调谐带通滤波器，其特征在于，还包括一个机构可以用来单独设定介质插入到各个谐振腔的插入量。

5.根据权利要求2所述的可调带阻滤波器，其特征在于，还包括一个机构可以用来单独设定介质插入各个谐振腔的的插入量。

6.一种天线共用器，包括：至少两个滤波器，和以共享方式连接到所述滤波器的天线连接器，其中至少有一个上述滤波器是根据权利要求1、3或4所述的可调谐带通滤波器。

7.一种通信设备，包括：权利要求书6所述的天线共用器；连接到该天线共用器的至少一个输入/输出连接器的发射电路；连接到该天线共用器其他的输入/输出连接器的接收电路；以及连接到上述天线共用器的天线连接器上的天线。

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