CN207320282U - 谐振器及椭圆函数型低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种谐振器。本实用新型谐振器包括一个等效电容结构和一个等效电感结构；等效电容结构包括一个U型金属结构以及一个与U型金属结构等高但厚度较小的金属隔板，金属隔板设置于U型金属结构正中间并将U型金属结构的厚度方向等分为对称的两部分；等效电感结构为一根金属杆，其下端与金属隔板的上边缘固定连接。本实用新型还公开了一种椭圆函数型低通滤波器。本实用新型椭圆函数型低通滤波器采用特殊结构的谐振器，整个滤波器不需要调谐，所需零部件少，多个部件采用共型结构，具有整体结构紧凑、易于制造装配的优点，并且具有插入损耗小、功率容量大、带外抑制好的特性，尤其适用于较低频率的大功率应用场合。

Description

谐振器及椭圆函数型低通滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种用于低通滤波器的谐振器以及基于该谐振器的椭圆函数型低通滤波器。

背景技术

在电子设备中，不论采用哪种频率综合方式，由于其固有特性，都会产生谐波和杂散，这些谐波和杂散经过放大器放大后会干扰电子设备的正常工作。另外现代雷达和通信设备为了追求更远的作用距离而增加输出的峰值功率和平均功率，但是高功率发射机必然会带来过高的谐波功率，这些大功率发射机的谐波能量会严重干扰甚至烧毁电子设备。另外输出谐波不合格的电子设备也无法获得无线电管理委员会的出厂许可证。因此必须在射频前端滤除电子设备输出的谐波频谱能量。

目前用于波导射频前端滤除谐波的低通滤波器主要有:同轴糖葫芦形低通滤波器。糖葫芦结构的低通滤波器性能良好，结构简单，被广泛的运用。

但是由于糖葫芦形式的低通滤波器没的传输响应曲线是切比雪夫响应曲线，没有传输零点，因此必须要很多阶才能获得较好的带外抑制特性。这就导致滤波器的体积较大，特别是频率较低的频段，例如几百MHz频段。另外由于滤波器的阶数多，插损大，会恶化系统的性能。在大功率的应用场合，由于插损大，导致的损耗大，发热量大，可能烧毁整个滤波器。

为了克服传统糖葫芦形式的低通滤波器的不足，有研究者提出了一种新型的低通滤波器，该低通滤波器的频率响应曲线满足椭圆函数曲线(椭圆函数响应曲线带外具有和通带内相同数目的传输零点)，因此称其为椭圆函数型低通滤波器。例如，中国实用新型专利CN102354778公开了一种椭圆函数型低通滤波通路，其金属腔体设置有多个顺次相连通的子腔，相邻两个子腔之间设有谐振柱，谐振柱上方设有导体棒，导体棒对应每个谐振柱处设有通孔，每个谐振柱均有一调谐螺杆穿过相应的通孔并深入该谐振柱以使调谐螺杆与该谐振柱容性耦合，导体棒两端分别形成两个连接端口。又如，中国实用新型专利CN103855447所公开的椭圆函数型低通滤波器采用一组包括以导线绕折而成的电感元件和印制有调谐盘的介质板的谐振单元，所述介质板横跨所述纵长型腔体的顶部的横向设置，所述电感元件一端与所述介质板的调谐盘接触连接，另一端与所述传输杆接触连接。以上两种低通滤波器都存在尺寸较大，结构复杂，零件多，组装要求高，组装精度不容易控制，需要调谐螺钉进行调谐等问题。另外由于有调谐螺钉，电场在调谐螺钉处集中，在大功率情况下，很容易在该调谐螺钉处打火，因而其功率容量受到极大限制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有椭圆函数型低通滤波器所存在的不足，首先提供一种结构简单、便于制造且电气性能稳定可靠的谐振器，并在其基础上提供一种结构紧凑，插入损耗小，功率容量大，带外抑制好的椭圆函数型低通滤波器。

本实用新型谐振器包括一个等效电容结构和一个等效电感结构；所述等效电容结构包括一个U型金属结构以及一个与所述U型金属结构等高但厚度较小的金属隔板，所述金属隔板设置于U型金属结构正中间并将U型金属结构的厚度方向等分为对称的两部分；所述等效电感结构为一根金属杆，其下端与金属隔板的上边缘固定连接。

优选地，所述金属杆整体呈直线、折线、曲线或蛇形线。

优选地，所述金属杆的上端设置有用于穿过导线的通孔。

进一步优选地，在所述通孔侧面还设置有一个用于辅助焊接的盲孔。

优选地，所述等效电容结构和等效电感结构一体成型。

本实用新型椭圆函数型低通滤波器，包括由两片完全对称的半壳体组合成的壳体，所述壳体内部形成有容腔；在所述容腔两端相对位置处的壳体壁上各自设置有一个电连接器，两个电连接器在容腔中通过一根导线电连接；在所述容腔内所述导线的下方，沿导线走向依次设置有一组如上任一技术方案所述谐振器，每个谐振器的金属杆上端与所述导线电连接。

优选地，每个谐振器配置有两片对称的绝缘介质套，用于将谐振器固定于所述容腔中；两片绝缘介质套分别对应于该谐振器的U型金属结构被金属隔板所分隔开的两部分，每片绝缘介质套紧密贴合地套住其所对应的U型金属结构部分。

优选地，所述绝缘介质套的材质为聚四氟乙烯。

进一步地，每个绝缘介质套的背面均形成有一处凹陷，与每个绝缘介质套相对应位置处的壳体内壁上均设置有一个凸台，每个凸台可紧密地嵌入其所对应绝缘介质套背面凹陷中，实现对谐振器的定位和夹紧。

优选地，各凸台与其所在半壳体一体成型。

所述导线优选镀银铜线。

进一步地，相邻谐振器之间均设置有防止两者之间信号耦合的隔墙，隔墙的高度低于所述导线在容腔中的高度。

优选地，每个隔墙均由对称的两半构成，每一半隔墙与其同侧的半壳体一体成型。

优选地，所述谐振器共有2n个，每个谐振器的传输极点谐振频率均在该滤波器的传输通带内，每个谐振器的传输零点谐振频率在该滤波器的带外抑制处；这2n个沿导线走向依次设置的谐振器中的第i个与第2n+1-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率；其中，n为非零自然数，i＝1，2，…，n。

或者，所述谐振器共有2n+1个，每个谐振器的传输极点谐振频率均在该滤波器的传输通带内，每个谐振器的传输零点谐振频率在该滤波器的带外抑制处；这2n+1个沿导线走向依次设置的谐振器中除第n+1个以外的2n个谐振器被分为n组，第i个与第2n+2-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率，第n+1个谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率与任意一组谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率都不同；其中，n为非零自然数，i＝1，2，…，n。

相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型椭圆函数型低通滤波器采用特殊结构的谐振器，整个滤波器不需要调谐，所需零部件少，多个部件采用共型结构，具有整体结构紧凑、易于制造装配的优点，并且具有插入损耗小、功率容量大、带外抑制好的特性，尤其适用于较低频率的大功率应用场合。

附图说明

图1为具体实施方式中五阶低通滤波器的等效电路原理图；

图2为具体实施方式中五阶低通滤波器的外观示意图；

图3为具体实施方式中五阶低通滤波器的结构爆炸图；

图4为半壳体的结构示意图；

图5为第一级谐振器的结构示意图；

图6、图7为第一级谐振器所配套PTFE套的结构示意图；

图8为第一级谐振器的频率响应曲线；

图9为第二级谐振器的结构示意图；

图10、图11为第二级谐振器所配套PTFE套的结构示意图；

图12为第二级谐振器的频率响应曲线；

图13为第三级谐振器的结构示意图；

图14、图15为第三级谐振器所配套PTFE套的结构示意图；

图16为第三级谐振器的频率响应曲线；

图17为五阶低通滤波器的频率响应曲线。

图中各标号含义如下：

1为半壳体，2为电连接器，3为导线，4为第一级谐振器，5为第一级谐振器的PTFE套，6为第二级谐振器，7为第二级谐振器的PTFE套，8为第三级谐振器，9为第三级谐振器的PTFE套，100为通道，101为隔墙，102为凸台。

具体实施方式

本发明采用若干特殊结构的谐振器构建椭圆函数型低通滤波器，每个谐振器的传输极点谐振频率均在该滤波器的传输通带内，每个谐振器的传输零点谐振频率在该滤波器的带外抑制处。为了取得最佳的电气性能，本发明优选采用中心对称的谐振器布局结构，具体而言，

当谐振器总数为偶数时，即所述谐振器共有2n个，这2n个沿导线走向依次设置的谐振器中的第i个与第2n+1-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率；

当谐振器总数为奇数时，即谐振器共有2n+1个，这2n+1个沿导线走向依次设置的谐振器中除第n+1个以外的2n个谐振器被分为n组，第i个与第2n+2-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率，第n+1个谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率与任意一组谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率都不同；

其中，n为非零自然数，i＝1，2，…，n。

为了便于公众理解，下面以一个工作于300MHz的5阶低通滤波器为例并结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。该5阶低通滤波器要求的工作通带为360MHz—400MHz，要求的带外420MHz处抑制大于40dB。

图1显示了该五阶低通滤波器的等效电路原理，该低通滤波器由6个电容和电感串联到地的谐振器，以及串联该6个谐振器的高阻抗传输线组成。

图2是该五阶低通滤波器的外观，图3是该五阶低通滤波器的结构爆炸图。如图2、3所示，该五阶低通滤波器的壳体由两片完全对称的半壳体1组合而成，壳体内部形成一个横向狭长的容腔，容腔左右两端相对位置处的壳体壁上各自设置有一个电连接器2，两个电连接器2在容腔中通过一根导线3电连接，在所述容腔内导线3的下方，沿导线3的走向依次设置了6个谐振器，这6个谐振器包括两个相同的一级谐振器4、两个相同的二级谐振器6、两个相同的三级谐振器8。如图3所示，这6个谐振器对称布置，两个一级谐振器4设置于容腔的左右两端，再往容腔中心是两个二级谐振器6，容腔中心的位置是两个三级谐振器8。每个谐振器都配有相应的两片对称的绝缘介质套，用于将谐振器固定于容腔中。本实施例中的绝缘介质套材料采用聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简写为PTFE)，该材料又称特氟龙，具有良好的密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化能力、耐高温能力以及抗腐蚀能力。PTFE套5、7、9的形状、尺寸分别与一级谐振器4、二级谐振器6、三级谐振器8相适配。其他阶数的低通滤波器也是按照同样的原理构成，只是所使用谐振器的个数不同。

图4显示了半壳体1的具体结构。如图4所示，其容腔的上部分为供导线3穿过的通道100，该通道和导线3构成了信号通道；该信号通道在此种形式的低通滤波器中一般要求为特性阻抗大于50欧姆的高阻抗线；信号通道的腔体越大，则对应导线3的特性阻抗就越大，得到所需要电感量的导线3就越短；反之若信号通道空腔的尺寸越小，则导线3的特性阻抗就越小，得到所需要的电感量的导线3也就越长。本实施例中的导线3为镀银铜线，该镀银铜线等效电路模型相当于一个电感量较大的电感，其电感量由该镀银铜线的长度和其在腔体中的特性阻抗决定的。通道100的下方是安放谐振器的部分。为了防止两个谐振器之间存在有害的信号耦合，如图4所示，在相邻谐振器之间都设置有隔墙101。安放谐振器的容腔部分的尺寸形状与安装在其内部包裹谐振器的PTFE套的外部尺寸形状正好相同，这样就能将谐振器固定在容腔中。本实施例中PTFE套中各面的厚度基本相同，这样就会在背面外部形成一处凹陷(也可以采用其他方式获得这种凹陷)。本实施例中，在对应PTFE套外部凹陷处，半壳体1内壁上正设置有一个与之形状尺寸相匹配的凸台102。当安装谐振器时，凸台102可以将已经被PTFE套包裹住的谐振器牢牢的卡在腔体中，不但有很好的定位作用，而且因为有很好的接触而具有良好的散热效果，有利于其运用于大功率工作的场合。上述半壳体1、隔墙101、凸台102等部件可采用一体成型工艺一体成型得到，提高了生产效率，降低了生产成本。

本实施例中一级谐振器、二级谐振器、三级谐振器的结构分别如图5、图9、图13所示。从图中可以看出，本实用新型所采用的谐振器由两部分组成：下部的等效电容结构和上部的等效电感结构；所述等效电容结构包括一个U型金属结构以及一个与所述U型金属结构等高但厚度较小的金属隔板，所述金属隔板设置于U型金属结构正中间并将U型金属结构的厚度方向等分为对称的两部分；所述等效电感结构为一根金属杆，其下端与金属隔板的上边缘固定连接。其中的等效电容结构作用是形成一个并联到地的电容，该结构是两面对称的；相对较细的金属杆结构(等效电感结构)的主要作用是形成一个较小的电感。本实施例中，在作为等效电感结构的金属杆的顶端侧面都开有一个洞穿的通孔，该通孔用于在装配的时候，穿过镀银铜线，此外，在金属杆顶端的上面还开有一个较小的盲孔，该盲孔用于辅助焊接，在焊接镀银铜线和谐振器金属杆时便于焊锡流淌，确保焊接的质量。从图中可以看出，一级谐振器、二级谐振器、三级谐振器的等效电容结构和等效电感结构的具体尺寸存在区别，由此带来各谐振器电气性能的不同。此外，作为等效电感结构的金属杆可以采用直线、折线、曲线或蛇形线等各种结构。如图13所示，本实施例中三级谐振器的等效电感结构采用蛇形线结构，使用蛇形线结构是为了缩短电感结构的长度，减小体积；采用直线结构同样能够得到同样的性能。该谐振器结构十分简单，不需要调谐，可采用一次成型工艺一体成型，制造成本低廉。

图6和图7，图10和图11，图14和图15分别显示了一级谐振器、二级谐振器、三级谐振器所对应PTFE套的结构。如图所示，两片PTFE套分别对应于该谐振器的U型金属结构被金属隔板所分隔开的两部分，每片PTFE套紧密贴合地套住其所对应的U型金属结构部分。因此，PTFE套的形状和尺寸都是由它所要包裹的谐振器的等效电容结构所决定的。在进行装配时，用PTFE套将谐振器的等效电容结构套住后直接压紧就可将完成谐振器在容腔中的固定安装。本实施例中PTFE套每一个面的厚度基本一致，这样，在套的背面都会产生相应的凹陷，以便在装配时被半壳体1内壁上的凸台卡住，既能定位以保证装配尺寸的准确度，又由于是紧配合，可保证产品的可靠性。

本实用新型谐振器的等效电路模型相当于一个大的接地电容串联一个电感量很小的电感。该谐振器具有两个谐振频率，其传输极点谐振频率在所需要的传输通带内，其传输零点谐振频率在要求的带外抑制处。图8、图12、图16分别显示了本实施例中一级谐振器、二级谐振器、三级谐振器的频率响应曲线；从图中可以看出，本实用新型谐振器的频率响应曲线都包含有一个传输零点，这些传输零点构成了低通滤波器的带外抑制零点。该传输零点的谐振频率满足式中L和C分别是串联到地的电容和电感量的大小。具体的电容和电感量可以通过基本电学原理设计得到，例如通过商业软件ADS优化仿真获得。

图17是该低通滤波器的频率响应曲线图。由图17可见，该低通滤波器因为存在有限传输零点，若以滤波器的阶数为n，则带外抑制零点的个数满足(n+1)/2(n为奇数)、n/2+1(n为偶数)，因此该低通滤波具有极其优越的带外抑制性能。若要用普通的糖葫芦形式的低通滤波器，其频率响应为切比雪夫响应函数，达到同样的带外抑制特性则需要至少12阶以上。

综上可知，本实用新型低通滤波器的传输频率响应是椭圆函数响应，存在多个传输零点，只需要较少的阶数就能获得较大的带外抑制，因此体积紧凑，插损小，特别适合应用在对体积要求高，功率大的场合。

在相同指标的情况下，本实用新型低通滤波器的体积不到常规糖葫芦型低通滤波器体积的1/4，且插损更小，成本也更低。相应的也可以降低其所在系统的体积，提高其性能，降低成本。

相较于常规糖葫芦型低通滤波器，本实用新型低通滤波器还具有最高抑制可达10倍频以上的优点。

Claims (15)

1.一种谐振器，其特征在于，包括一个等效电容结构和一个等效电感结构；所述等效电容结构包括一个U型金属结构以及一个与所述U型金属结构等高但厚度较小的金属隔板，所述金属隔板设置于U型金属结构正中间并将U型金属结构的厚度方向等分为对称的两部分；所述等效电感结构为一根金属杆，其下端与金属隔板的上边缘固定连接。

2.如权利要求1所述谐振器，其特征在于，所述金属杆整体呈直线、折线、曲线或蛇形线。

3.如权利要求1所述谐振器，其特征在于，所述金属杆的上端设置有用于穿过导线的通孔。

4.如权利要求3所述谐振器，其特征在于，在所述通孔侧面还设置有一个用于辅助焊接的盲孔。

5.如权利要求1～4任一项所述谐振器，其特征在于，所述等效电容结构和等效电感结构一体成型。

6.一种椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，包括由两片完全对称的半壳体组合成的壳体，所述壳体内部形成有容腔；在所述容腔两端相对位置处的壳体壁上各自设置有一个电连接器，两个电连接器在容腔中通过一根导线电连接；在所述容腔内所述导线的下方，沿导线走向依次设置有一组如权利要求1～5任一项所述谐振器，每个谐振器的金属杆上端与所述导线电连接。

7.如权利要求6所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，每个谐振器配置有两片对称的绝缘介质套，用于将谐振器固定于所述容腔中；两片绝缘介质套分别对应于该谐振器的U型金属结构被金属隔板所分隔开的两部分，每片绝缘介质套紧密贴合地套住其所对应的U型金属结构部分。

8.如权利要求7所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，所述绝缘介质套的材质为聚四氟乙烯。

9.如权利要求7所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，每个绝缘介质套的背面均形成有一处凹陷，与每个绝缘介质套相对应位置处的壳体内壁上均设置有一个凸台，每个凸台可紧密地嵌入其所对应绝缘介质套背面凹陷中，实现对谐振器的定位和夹紧。

10.如权利要求9所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，各凸台与其所在半壳体一体成型。

11.如权利要求6所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，所述导线为镀银铜线。

12.如权利要求6所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，相邻谐振器之间均设置有防止两者之间信号耦合的隔墙，隔墙的高度低于所述导线在容腔中的高度。

13.如权利要求12所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，每个隔墙均由对称的两半构成，每一半隔墙与其同侧的半壳体一体成型。

14.如权利要求6所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，所述谐振器共有2n个，每个谐振器的传输极点谐振频率均在该滤波器的传输通带内，每个谐振器的传输零点谐振频率在该滤波器的带外抑制处；这2n个沿导线走向依次设置的谐振器中的第i个与第2n+1-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率；其中，n为非零自然数，i＝1，2，…，n。

15.如权利要求6所述椭圆函数型低通滤波器，其特征在于，所述谐振器共有2n+1个，每个谐振器的传输极点谐振频率均在该滤波器的传输通带内，每个谐振器的传输零点谐振频率在该滤波器的带外抑制处；这2n+1个沿导线走向依次设置的谐振器中除第n+1个以外的2n个谐振器被分为n组，第i个与第2n+2-i个为一组，每一组中的两个谐振器相同，属于不同组的谐振器具有不同的传输极点谐振频率和不同的传输零点谐振频率，第n+1个谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率与任意一组谐振器的传输极点谐振频率和传输零点谐振频率都不同；其中，n为非零自然数，i＝1，2，…，n。