CN204481101U - 管片滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管片滤波器，属于微波通信领域，主要解决了现有技术中超窄带滤波器加工成本高的问题。所述管片滤波器包括至少3节金属管，至少2片耦合膜片,和2个输入输出结构。每一节金属管与两端的耦合膜片或输入输出结构构成谐振腔。每一片耦合膜片将位于其两端的谐振腔连通。所述节金属管的横截面形状相同，由同一根铟钢波导管材通过线切割加工而成。本实用新型结构简单，可以利用线切割加工并焊接，避免了铟钢等硬金属材料的铣切加工存在的困难和带来的材料浪费，主要用于相对带宽小于1%的超窄带微波通信等系统中。

Description

管片滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器，具体地说，是涉及一种相对带宽小于1%的超窄带带通滤波器。

背景技术

微波滤波器是许多现代微波、毫米波系统中一个极其重要的部分，其性能的优劣往往会直接影响整个系统的性能。由于无线电通信频率资源的日益紧张，各类通信系统的工作频率将向更高频率的微波甚至毫米波发展。为了更好地利用频谱资源，各种通信频点要求比较窄。这就催生了超窄带滤波器技术。微波滤波器的相对带宽小于1%时将遇到两个问题。一是滤波器通带插损急剧升高，而是由于环境温度变化导致的频率漂移是滤波器失去作用。微波界解决问题的办法是采用双模谐振腔提高谐振腔的Q值，同时采用铟钢等温度系数低的材料减小外界温度对滤波器通带频率的影响。这种方法将导致贵重高强度材料的使用和加工，必然导致器件的成本的急剧升高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种管片滤波器，克服现有技术中存在的问题，大大降低超窄带微波滤波器的成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：管片滤波器，其包括至少3节金属管、至少2片耦合膜片、2个输入输出结构，耦合膜片位于两节相邻金属管之间，耦合膜片连接在金属管的端口处，所有金属管和耦合膜片构成的总体结构称为管膜主体，2个输入输出结构分别设置在管膜主体的最左端和最右端；耦合膜片具有一个或几个耦合通孔，该耦合通孔的口径小于金属管的口径，相邻金属管通过耦合通孔互相连通，有一直线或曲线穿过所有耦合通孔和金属管的内腔区域，所述金属管中至少有3节金属管的横截面形状相同。

为了便于在金属管上安装频率调谐螺钉和耦合调节螺钉，同时为了节省材料，我们让金属管厚度在安装螺钉处比其它地方更厚。为此，至少一节金属管的壁厚在横截面方向变化，其中最大厚度比最小厚度大50%以上。

金属管与其两端的耦合膜片构成一个谐振腔，金属管与其一端的输入输出结构和与其另一端的耦合膜片也构成谐振腔，所述谐振腔为矩形谐振腔，其中至少有2个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模。

高次模的矩形谐振腔的工作模式为TE102模式；或者高次模的矩形谐振腔为高次模的矩形双模谐振腔，其工作模式为TE102和TE301模式。

所述管膜主体相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构；所述金属管的底部或顶部设置有至少2根金属柱； 在某一金属管中的所有金属柱中，至少有2根金属柱沿管膜主体轴线的纵向位置相同，该两根金属柱的中心轴线在垂直于管膜主体的垂直对称平面的方向上的横向距离为金属管的宽度的0.5~0.75倍。

所述金属管为铟钢金属管，或为热膨胀系数低于每摄氏度百万分之五的金属管。

所述金属管或/和耦合膜片或/和输入输出结构表面设置有镀银层，金属管与耦合膜片之间通过低温焊料层焊接。该低温焊料层的熔点低于或等于250摄氏度。输入输出结构可以采用一般金属，比如合金铝或黄铜。 当金属管采用铟钢等热膨胀系数很低的材料时，为了避免二种金属热膨胀系数不同造成的错位和断裂，金属管与输入输出结构之间不焊接。

还包括加强板，该加强板与2个输入输出结构之间通过连接螺钉连接。

耦合膜片上可以设置耦合调节螺钉，也可以不设置耦合调节螺钉。而设置耦合调节螺钉的条件是要看耦合膜片的厚度是否能承载耦合调节螺钉。而在本结构中是需要设置耦合调节螺钉的。如何设置耦合调节螺钉是本实用新型的一个关键。常规设置是直接将耦合调节螺钉设置在耦合膜片上。但为了降低铟钢的使用量，特别是避免对铟钢等硬材料的加工存在的困难。因此本实用新型的耦合膜片需要做到很小的厚度。因此，本实用新型的关键是怎么设置耦合调节螺钉的位置。为此，本实用新型采用了下述2种实现耦合调节螺钉的手段：当耦合膜片的厚度大于2.5毫米时，至少有一节耦合膜片设置有耦合调节螺钉，耦合调节螺钉延伸到耦合通孔内。当所述耦合膜片中至少有一个耦合膜片的厚度小于或等于2.5毫米。所述耦合膜片中至少有一个耦合膜片上没有耦合调节螺钉，而且与该耦合膜片相邻的2节金属管中，至少有一节金属管上设置有耦合调节螺钉。该耦合调节螺钉尽量靠近该金属膜片上的耦合通孔。这时，该耦合调节螺钉的轴线与该金属管的外壁相交点距离该金属膜片的距离小于该金属管的沿管膜主体轴线方向长度的15%。

输入输出结构为开孔的金属片， 其两个最大的相对面为平行的平面的一部分。

总的来说：管片滤波器，包括至少3节金属管，至少2片耦合膜片,2个输入输出结构。每一节金属管与两端的耦合膜片构成谐振腔或金属管与输入输出结构和耦合膜片构成谐振腔。每一片耦合膜片将位于其两端的谐振腔连通。上述结构的设置是为了节省成本，避免采用铣切加工铟钢等贵重材料导致的材料浪费，同时避免采用数控铣床加工该类高强度材料遇到的困难，本实用新型采用横截面形状相同的金属管材（比如标准波导管）通过线切割构成金属管。

金属管与其两端的耦合膜片构成一个谐振腔，金属管与其一端的输入输出结构和与其另一端的耦合膜片也构成谐振腔，所述谐振腔为矩形谐振腔，其中至少有2个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模。为了提高谐振腔的Q值，降低滤波器的插入损耗，所述谐振腔为矩形谐振腔，而且其中至少有2个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模， 其较佳的工作模式为TE102模式。这个模式的采用，根据该管片滤波器的工作频率，可以选用适当型号的标准波导管（其高度为其宽度的一半或更小）构成谐振腔并保证该谐振腔有较高的Q值。

为了利用双模谐振腔构成管片滤波器，所述谐振腔为矩形双模谐振腔，其工作模式为TE102和TE301模式。

为了使构成矩形管片滤波器的不同谐振腔的宽度和高度相同，我们在金属管中设置金属柱， 使得在采用同样横截面尺寸的金属管时，不同谐振腔的TE301模式的工作频率相同。这时，所述管膜主体相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构。进一步的管膜主体和输入输出结构构成的管片滤波器相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构。所述金属管的底部或顶部设置有至少2根金属柱。在某一金属管中的所有金属柱中，至少有两根金属柱沿该管膜主体轴线的纵向位置相同。该两根金属柱的中心轴线在垂直于该管膜主体的垂直对称平面的方向上的横向距离为该金属管的宽度的0.5~0.75倍。也就是，将该两个金属柱置于该矩形双模谐振腔的TE301的模式的三个电场集中处中的靠近谐振腔外壁的两个电场集中处。该金属柱可以通过螺帽固定在金属管的上壁或下壁上。

为了减小环境温度引起的谐振腔的谐振频率的变化，所述金属管的材料为铟钢（INVAR），或为热膨胀系数低于每摄氏度百万分之五的材料。

所述耦合膜片的材料可以为铟钢（INVAR），或为热膨胀系数低于每摄氏度百万分之五的材料。在所述耦合膜片很薄时，也可以采用普通材料，比如合金铝或黄铜。不同热膨胀系数的金属材料之间的焊接问题由于所述很薄的耦合膜片得到缓解。

为了进一步提高谐振腔的Q值，所述金属管或/和耦合膜片表面镀银，金属管和耦合片之间，还有低温焊料层。该低温焊料层的熔点低于250摄氏度。整个管片滤波器最后通过高温加热完成。

为了增强管片滤波器的强度，还设置了加强板，该加强板与输入输出结构之间通过连接螺钉连接。

为了进一步节省加工成本，所述耦合膜片或/和输入输出结构都可以用金属板材通过线切割加工成开孔的金属片，其两个最大的相对面为平行的平面的一部分。

为了进一步降低制造成本，所述耦合膜片可以设置为普通金属材料，比如合金铝或黄铜。为了减少环境温度对谐振腔之间的耦合度的影响，同时考虑到热膨胀系数不同的材料的焊接处在温度变化时可能受到的损伤，本实用新型采用的耦合膜片的厚度小于2.5毫米。较佳的情况，该耦合膜片的厚度可以为0.1毫米左右。

这时，在耦合膜片上安置耦合调节螺钉7的传统办法将很难实现。本实用新型选择将耦合调节螺钉安排在与该耦合膜片邻近的金属管的表面上，并尽量靠近该耦合膜片上的耦合孔。 因此，耦合螺钉的设计为，在耦合膜片很薄时，所述耦合膜片中至少有一个耦合膜片上没有设置任何调谐螺钉，而且与该耦合膜片相邻的至少一节金属管上设置有耦合调节螺钉。该耦合调节螺钉的轴线与该金属管的外壁相交点距离该金属膜片的距离小于该金属管的沿该管膜主体纵向方向长度的15%。较佳的方案，该耦合调谐螺钉靠近耦合膜片的耦合通孔，但要避免导致金属管表面的破损。

降低制造成本的最后一步，输入输出结构采用一般金属，比如合金铝或黄铜。 当金属管采用铟钢等热膨胀系数很低的材料时，为了避免二种金属热膨胀系数不同造成的错位和断裂，金属管与输入输出结构之间不焊接。

本实用新型将滤波器内的各主要结构模块化，采用铟钢等温度系数很低的金属管材和金属板材通过线切割加工而成，有效地避免了普通设计中的采用铟钢等硬金属块时，需要通过铣切对硬金属加工存在的困难，同时避免了材料的浪费，可以大大降低器件的制造成本。

附图说明

图1为本实用新型的垂直对称面处的剖视示意图， 同时图1也是实施实例1的示意图。

图2为金属管示意图。

图3为耦合膜片示意图。

图4为金属柱示意图。

图5为实施实例2的俯视示意图。

图6为实施实例3的俯视示意图。

附图中标号对应名称：1-金属管，2-耦合膜片，3-输入输出结构， 4-低温焊料层，5-金属柱，6-频率调谐螺钉， 7-耦合调节螺钉， 8-加强板， 9-连接螺钉。

本说明书中部分名词规定如下：

管膜主体纵向：即某金属管的轴线方向，也就是与该金属管横截面垂直的方向。宽度方向：该金属管横截面的宽边方向。高度方向：该金属管横截面的窄边方向。

具体实施方式

实施实例1

原理设计结构为：管片滤波器，其包括至少3节金属管1、至少2片耦合膜片2、2个输入输出结构3，耦合膜片2位于两节相邻金属管之间，耦合膜片2连接在金属管的端口处，所有金属管1和耦合膜片2构成的总体结构称为管膜主体，2个输入输出结构3分别设置在管膜主体的最左端和最右端；耦合膜片2具有一个耦合通孔，该耦合通孔的口径小于金属管1的口径，相邻金属管1通过耦合通孔互相连通，有一直线或曲线穿过所有耦合通孔和金属管的内腔区域，所述节金属管1中至少有3节金属管1的横截面形状相同。金属管1与其两端的耦合膜片构成一个谐振腔，金属管1与其一端的输入输出结构和与其另一端的耦合膜片也构成谐振腔。

所述金属管的壁厚在上方比其它方向大50%以上。

所述谐振腔为矩形谐振腔，其中至少有2个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模。高次模的矩形谐振腔的工作模式为TE102模式；或者高次模的矩形谐振腔为高次模的矩形双模谐振腔，其工作模式为TE102和TE301模式。所述管膜主体相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构；所述金属管的底部或顶部设置有至少2根金属柱5； 在某一金属管中的所有金属柱5中，至少有2根金属柱5沿管膜主体轴线的纵向位置相同，该两根金属柱5的中心轴线在垂直于管膜主体的垂直对称平面的方向上的横向距离为金属管的宽度的0.5~0.75倍。所述金属管1为铟钢金属管，或为热膨胀系数低于每摄氏度百万分之五的金属管。所述金属管1或/和耦合膜片2或/和输入输出结构3表面设置有镀银层，金属管1与耦合膜片2之间通过低温焊料层4焊接，金属管1与输入输出结构3之间也通过低温焊料层4焊接；该低温焊料层4的熔点低于或等于250摄氏度。还包括加强板8，该加强板8与2个输入输出结构3之间通过连接螺钉9连接。耦合膜片2上可以设置耦合调节螺钉7，也可以不设置耦合调节螺钉7，而设置耦合调节螺钉7的条件是要看耦合膜片2的厚度是否能承载耦合调节螺钉7。而在本结构中是需要设置耦合调节螺钉7的，如何设置耦合调节螺钉7是本实用新型的一个关键，常规设置是直接将耦合调节螺钉7设置在耦合膜片上，但为了减少结构体积，因此本实用新型的耦合膜片2需要做到很小的厚度，因此，本实用新型的关键是怎么设置耦合调节螺钉7的位置，为此，本实用新型采用了下述2种实现耦合调节螺钉7的手段：当耦合膜片2的厚度大于2.5毫米时，至少有一节耦合膜片2设置有耦合调节螺钉7，耦合调节螺钉7延伸到耦合通孔内。当所述耦合膜片2中至少有一个耦合膜片2的厚度小于或等于2.5毫米。所述耦合膜片2中至少有一个耦合膜片2上没有耦合调节螺钉，而且与该耦合膜片2相邻的2节金属管1中，至少有一节金属管1上设置有耦合调节螺钉7，该耦合调节螺钉7的轴线与该金属管1的外壁相交点距离该金属膜片2的距离小于该金属管1的沿管膜主体轴线方向长度的15%。

在本实施例中，具体的实施结构为：

如图1至图4所示，管片滤波器，包括4节金属管1，3片耦合膜片2,2个输入输出结构3。节金属管1与两端的耦合膜片2构成谐振腔或金属管1与输入输出结构3、耦合膜片2构成谐振腔。每一片耦合膜片2将位于其两端的谐振腔连通。本实用新型采用横截面形状相同的金属管材比如标准波导管通过线切割构成金属管1。

所述谐振腔为矩形谐振腔，而且其中4个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模，其工作模式为TE102模式。

所述金属管1的材料为铟钢（INVAR）。所述耦合膜片2的材料为铟钢INVAR或普通合金铝。后者可以导致制造成本的进一步下降，但可能牺牲器件在环境温度变化时的可靠性。

所述金属管1，耦合膜片2，输入输出结构3表面都镀银。金属管1和耦合片2之间，金属管1和输入输出结构3之间还有低温焊焊锡。整个管片滤波器最后通过高温加热通过低温焊锡焊接在一起。

还设置了加强板8， 该加强板8与输入输出结构3之间通过连接螺钉9连接。

所述耦合膜片2,或/和输入输出结构3都用金属板材通过线切割加工成开孔的金属片， 其两个最大的相对面为平行的平面的一部分。

为了便于对加工和设计误差进行补偿，在每一个金属管1上增加了两个频率调谐螺钉6，并在每一个耦合膜片2上面设置类一个耦合调节螺钉7。

实施实例2

如图5所示，实施实例2与实施实例1的区别仅在于，所述谐振腔为矩形双模谐振腔，其工作模式为TE102和TE301模式。

同时，在每一节金属管1中设置了2根金属柱5， 使得在采用同样横截面尺寸的金属管1时，不同谐振腔的TE301模式的工作频率相同。这时，所述管膜主体相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构，进一步的，所述管片滤波器相对于过其纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构。所述金属管的底部设置有2根金属柱5。该2根金属柱5沿该管膜主体轴线的纵向位置相同。该两根金属柱5的中心轴线在垂直于该管膜主体的垂直对称平面的方向上的横向距离为该金属管的宽度的0.67倍。也就是，将该两个金属柱5置于该矩形双模谐振腔的TE301的模式的三个电场集中处中的靠近谐振腔外壁的两个电场集中处。该金属柱5通过螺帽固定在谐振腔的下壁上。

每节金属管1的上表面上设置了4根频率调谐螺钉6。

实施实例3

如图6所示，实施实例2与实施实例1的区别仅在于，耦合膜片2很薄，因此无法在其上面设置耦合调节螺钉7。这时，在每一个所述金属管的上表面，靠近邻近的耦合膜片2的开口处设置了耦合调节螺钉7。该耦合调节螺钉的采用对谐振腔3的谐振频率的影响不大的结构，主要用于调节相邻谐振腔之间的耦合。选择很薄的耦合膜片2，有利于进一步降低器件的制造成本。

同时，每节金属管1的上表面上设置了2根频率调谐螺钉6。

如上则可较好实现本实用新型。

Claims (10)

1.管片滤波器，其特征在于：包括至少3节金属管（1）、至少2片耦合膜片（2）、2个输入输出结构（3），耦合膜片（2）位于两节相邻金属管之间，耦合膜片（2）连接在金属管的端口处，所有金属管（1）和耦合膜片（2）构成的总体结构称为管膜主体，2个输入输出结构（3）分别设置在管膜主体的最左端和最右端；耦合膜片（2）具有一个或几个耦合通孔，该耦合通孔的口径小于金属管（1）的口径，相邻金属管（1）通过耦合通孔互相连通，有一直线或曲线穿过所有耦合通孔和金属管的内腔区域，所述金属管（1）中至少有3节金属管（1）的横截面形状相同。

2.根据权利要求1所述的管片滤波器，其特征在于，所述耦合膜片（2）中至少有一个耦合膜片（2）的厚度小于或等于2.5毫米;所述耦合膜片（2）中至少有一个耦合膜片（2）上没有耦合调节螺钉，而且与该耦合膜片（2）相邻的2节金属管（1）中，至少有一节金属管（1）上设置有耦合调节螺钉（7），该耦合调节螺钉（7）的轴线与该金属管（1）的外壁相交点距离该金属膜片（2）的距离小于该金属管（1）的沿管膜主体该管片滤波器轴线方向长度的15%。

3.根据权利要求1所述的管片滤波器，其特征在于，至少一节金属管（1）的壁厚在横截面方向变化，其中最大厚度比最小厚度大50%以上。

4.根据权利要求1所述的管片滤波器，其特征在于，金属管（1）与其两端的耦合膜片构成一个谐振腔，金属管（1）与其一端的输入输出结构和与其另一端的耦合膜片也构成谐振腔，所述谐振腔为矩形谐振腔，其中至少有2个谐振腔的工作模式为该谐振腔的高次模。

5.根据权利要求4所述的管片滤波器，其特征在于，高次模的矩形谐振腔的工作模式为TE102模式；或者高次模的矩形谐振腔为高次模的矩形双模谐振腔，其工作模式为TE102和TE301模式。

6.根据权利要求5所述的管片滤波器，其特征在于，所述管膜主体相对于过所述某一金属管（1）纵向轴线的垂直对称平面构成一镜面对称结构；所有金属管（1）中至少有一节金属管（1）的底部或顶部设置有至少2根金属柱（5）； 在底部或顶部设置有金属柱（5）的某一金属管（1）中的所有金属柱（5）中，至少有2根金属柱（5）在沿管膜主体轴线方向上的纵向位置相同；该两根金属柱（5）的中心轴线在垂直于管膜主体的垂直对称平面的方向上的横向距离为金属管（1）的宽度的0.5~0.75倍。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的管片滤波器，其特征在于，所述金属管（1）为铟钢金属管，或为热膨胀系数低于每摄氏度百万分之五的金属管。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的管片滤波器，其特征在于，所述金属管（1）或/和耦合膜片（2）表面设置有镀银层，金属管（1）与耦合膜片（2）之间通过低温焊料层（4）焊接，金属管（1）与输入输出结构（3）之间不焊接；该低温焊料层（4）的熔点低于或等于250摄氏度。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的管片滤波器，其特征在于，还包括加强板（8），该加强板（8）与2个输入输出结构（3）之间通过连接螺钉（9）连接。

10.根据权利要求1至6中任意一项所述的管片滤波器，其特征在于，至少有一节耦合膜片（2）设置有耦合调节螺钉（7），耦合调节螺钉（7）延伸到耦合通孔内。