TWI399884B - 具有單模與雙模共振腔之微波濾波器 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種微波濾波器,尤指一種具有單模與雙模共振腔之微波濾波器。
請參閱第一圖,於文獻1與文獻2中係揭露一種雙模波導濾波器100。該雙模波導濾波器100係包含兩個相互耦合(couple)之雙模共振腔110、120,該雙模共振腔110係具有一開口111,一輸入波導管(圖未示)係經由該開口111與該雙模共振腔110耦合(couple),該雙模共振腔120係具有一開口121,一輸出波導管(圖未示)係經由該開口121與該雙模共振腔120耦合(couple)。
該雙模波導濾波器100係設計為電感性不連續接面(inductive discontinuities)之矩形波導結構,以取代製造與設計上較為因難之圓形或橢圓型之波導結構。該雙模波導濾波器100亦稱之為全電感性雙模濾波器(all-inductive dual-mode filter)。於設計全電感性雙模濾波器時,共振腔之尺寸與輸入輸出波導管之間的孔隙(iris)係影響了共振頻率(resonant frequency)之模式以及耦合強度(coupling strength)。該全電感性雙模濾波器係具有較為簡單之設計、模擬與製造上之優點。此外,全導濾雙模波器可產生明顯之有限頻率傳輸零點可呈現良好之頻率選擇性。
但是於文獻1與文獻2所揭露之全電感性雙模濾波器,依據文獻3之描述,由於濾波器之耦合拓樸(coupling topology)十分的複雜,需要精細的設計和調整多個物理尺寸參數,造成設計與製造上之困難,實為有待改進之缺點。
文獻1係為美國第6,538,535號之專利說明書;
文獻2請參考Marco Guglielmi,Pierre Jarry,Eric Kerherve,Oliver Roquebrun,and Dietmar Schmitt,“A new family of all-inductive dual-mode filters”,IEEE trans. On Microwave theory & Tech.,vol.10,Oct. 2001,pp.1764-1769;
文獻3請參考Rosenberg,U. Amari,S.,“Novel design possibilities for dual-mode filters without intracavity couplings”,Microwave and Wireless Components Letters,Aug 2002,pp.296-298”
文獻4請參考Ching-Ku Liao,Pei-Ling Chi,and Chi-Yang Change,“Microstrip realization of generalized Chebyshec filters with box-like coupling schemes”,IEEE trans. On Microwave theory & Tech.,Jan. 2007,pp. 147-153;以及
文獻5請參考S. Amari and U.Rosenberg,“New building blocks for modular design of elliptic and self-equalized filters”,IEEE trans. On Microwave theory & Tech.,vol.52,Feb. 2004,pp.721-736。
為了改善上述習知技術之缺點,本發明之目的係提供一種結合單模與雙模共振腔之微波濾波器,其具有習知全電感性雙模濾波器之優點外,於本發明中由於使用了單模共振腔與雙模共振腔,可使本發明之微波濾波器具有簡單化之濾波器耦合拓樸(coupling topology)。
為了達成上述之目的,本發明係提供一種具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,此濾波器其用以針對由一輸入波導管輸入之電磁波加以濾波,並將其經由一輸出波導管輸出,該微波濾波器係包含一雙模共振腔與一單模共振腔。
該雙模共振腔係具有對稱於一對稱參考平面之物理結構係,並具有一第一側與一第二側。該第一側與該第二側係對稱於該對稱參考平面。該輸入波導管係沿一延伸軸耦接於該第一側。該輸出波導管亦沿該延伸軸耦接於該第二側。該延伸軸係垂直於該對稱參考平面,並相對於該雙模共振腔之一中心參考平面距離一間距。該單模共振腔係與該雙模共振腔互相耦合,並對稱於該對稱參考平面,該單模共振腔係經由一連接通道連接於該雙模共振腔。
此外,該雙模共振腔係為矩形結構並於其內呈現兩個明確之橫向電模態(Transverse Electric mode)。該單模共振腔係為矩形結構,並於其內呈現一個橫向電模態(Transverse Electric mode),其響應該雙模共振腔內之兩橫向電磁模態中之一者。於該雙模共振腔與單模共振腔之場分佈(field distribution)係可對稱於該對稱參考平面。該單模共振腔之橫向電磁模態若只與該雙模共振腔之橫向電磁模態之一相耦合者,即可被稱為延伸耦極架構(extended doublet configuration)。
綜上所述,本發明之微波濾波器係產生兩個有限頻率傳輸零點,此濾波器具有良好之頻率選擇性。本發明之微波濾波器係具有物理尺寸上之對稱性,因此於設計該微波濾波器時,僅需要調整一半之微波濾波器之物理尺寸參數,即可符合所需之預定響應,因此本發明之微波濾波器可相對於第一圖所揭露之習知技術更可以簡單的被設計與製造。
於電性參數方面,本發明之微波濾波器具有延伸耦架構,可以於該高抑制頻帶與低抑制頻帶產生一對有線頻率傳輸零點。因此本發明可相較於具有兩個雙模共振腔之習知技術,其需要控制大量之物理尺寸參數與控制產生兩個有限頻率傳輸零點,能更簡單地設計與製造。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱第二圖至第五圖,第二圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例之立體圖;第三圖係為本發明之微波濾波器耦接於一輸入波導管與一輸出波導管;第四圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例之等效電路圖;以及第五圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例上視示意圖。
該微波濾波器(microwave filter)400係基於單模共振腔420與雙模共振腔410,以針對由一輸入波導管300(waveguide)輸入之電磁波加以濾波,並將濾波後之電磁波經由一輸出波導管500輸出。該微波濾波器400可以是一帶通濾波器,因此該微波濾波器400可以允許電磁波之特定頻率輸出於輸出波導管500,並將其餘頻率之電磁波加以阻擋。
該微波濾波器400可包含一雙模共振腔(dual-mode cavity)410、單模共振腔(single-mode cavity)420、與複數個結合通道(binding passage)430、430a。
該雙模共振腔410係可為一矩形結構,並對稱於一對稱參考平面S與一中心參考平面C,其中該中心參考平面C係垂直於該對稱參考平面S。。該雙模共振腔410具有一第一側411、一第二側412、一第三側413與一第四側414。該第一側411與該第二側412係對稱於該對稱參考平面S對稱設置。該第三側413與該第四側414係對稱於該中心參考平面C對稱設置。
該輸入波導管300係沿一延伸軸E耦接於第一側411,該輸出波導管500亦沿該延伸軸E耦接於該第二側412。該延伸軸E係垂直於該對稱參考平面S並相距該中心參考平面C一間距。
該結合通道430係對稱地沿該延伸軸E由該第一側411延伸而出,並以該延伸軸E為中心連接該輸入波導管300與該雙模共振腔410。該結合通道430a係對稱地沿該延伸軸E由該第二側412延伸而出,並以該延伸軸E為中心連接該輸出波導管500與該雙模共振腔410。
該單模共振腔420係對稱於該對稱參考平面S,並以一連接通道450連接於該雙模共振腔410。該連接通道450可有效率地控制共振腔間之耦合強度(coupling strength)。於本實施例中,該單模共振腔420係可為矩形結構,並且該連接通道450亦可為中空矩形柱狀體。上述之連接通道450係可由該第三側413延伸而出,並連接該單模共振腔420與雙模共振腔410。
於此實施例中,該結合通道430、430a之長度L1係可為3.000mm,寬度W1係可為10.740mm。該雙模共振腔410之長度L2係可為29.076mm,寬度W2係可為29.501mm。該連接通道450之長度L3係可為3.000mm,寬度W3係可為6.700mm。該單模共振腔420之長度L4係可為15.380mm,寬度W4係可為26.125mm。界於中心參考平面C以及延伸軸E之該間距係可為8.396mm。該雙模共振腔410、該連接通道450、單模共振腔420之高度H係可為9.525mm。
該雙模共振腔410內係可呈現於兩個橫向電模態(Transverse Electric mode,TE mode),以及單模共振腔420內係可呈現一個橫向電模態。該雙模共振腔410與單模共振腔420內之橫向電模態之場分佈(field distribution)係可對稱於該對稱參考平面S。於該雙模共振腔410內所響應之該二橫向電模態可以為TE201
(Transverse Electric,TE)mode和TE102
mode。當該TE102
mode相對於該對稱參考平面S呈現奇對稱時,該TE201
mode係相對於該對稱參考平面S呈現偶對稱。
為了使得於該單模共振腔420內之該橫向電模態,只針對於該雙模共振腔410內之該二橫向電模態中之一個產生響應,於該單模共振腔420內之該橫向電模態必須對應於該對稱參考平面S偶對稱或是奇對稱。於此實施例中,於該單模共振腔420內之橫向電模態係為呈現偶對稱之TE101
mode。
請參閱第四圖,係為本發明之微波濾波器400之等效電路圖。該等效電路於係依據該微波濾波器400之延伸耦架構呈現,該等效電路於參考文獻中係稱之為extended doublet(延伸耦)。假使我們利用於該單模共振腔420內之TE101
mode,而該TE101
mode僅針對於雙模共振腔410內之TE201
mode作響應,將產生如第四圖中所顯示之於正規頻率域(normalized frequency domain)中之電網絡(electrical network)。於第四圖之Mij
係為理想導納轉換器(admittance inverter)。於該正規頻率域中,有限頻率傳輸零點(finite frequency transmission zero)可以下列之方程式表示。
其中Ω係為於正規頻率域中之有限頻率傳輸零點。此外,真實頻率域(real frequency domain)與正規頻率域之關係,可以下列之公式表示。
其中之f 0
andBW
係分別為該微波濾波器400之中心頻率(center frequency)與頻帶寬(bandwidth),若給定一個預定響應(prescribed response),於第四圖之Mij
可以經由文獻3所揭露之方法加以合成(synthesis)。
該電性網路之拓撲(topology)請參考文獻4與文獻5之extended doublet(延伸耦)。然而,使用本發明利用該單模共振腔420與雙模共振腔410以實現該延伸耦設定,係為前所未見的。
以下係為利用本發明之微波濾波器400之一實施例。請參閱第六圖,係為根據第一實施例之實驗結果所繪製之反射損耗曲線(return loss curves)S11以及介入損失曲線(insertion loss curve)S21。該微波濾波器400係於高抑制頻帶(stopband)以及低抑制頻帶呈現兩個傳輸零點Z1,Z2,其代表具有良好之頻率選擇性。該微波濾波器400之中心頻率f0
係為11GHz以及百分頻寬(fractional bandwith)係為2%。該雙模共振腔410之初始尺寸(initial dimension)可以經由文獻1與文獻2之方法獲得。該單模共振腔420之初始尺寸(initial dimension)可以經由教科書中的公式獲得(可參考Microwave Engineering,2nd
edition,David M. Pozar,Wiley)。
於獲得該微波濾波器400之初始尺寸之後,可以藉由調整該微波濾波器400之物理尺寸,使得所產生相對應之電性參數以符合一個預定響應,以達最佳化程序。第五圖係顯示該微波濾波器400之一最佳化尺寸,其對應之響應經由Ansoft HFSS之程式模擬後,繪製於第六圖。
請參閱第七圖,係為本發明之微波濾波器之第二實施例之示意圖。其中,該單模共振腔420係改經由該雙模共振腔410之第四側414延伸而出。第七圖之實施例係與第五圖之實施例有著幾乎相同之響應(response)。因此,無論選擇第五圖或第七圖之設定均可得到良好之響應結果。
本發明所揭露之結合雙模共振腔410與單模共振腔420(其中該單模共振腔420係對稱於該對稱參考平面S,並經由該雙模共振腔410延伸而出)係可以利用更高階數之濾波器之設計。請參閱第八圖,係為利用本發明所設計之五階(5th
order)微波濾波器400。一第一連接共振腔440係沿該延伸軸E連接該輸入波導管300與該雙模共振腔410。一第二連接共振腔440a係沿該延伸軸E連接該輸出波導管500與該雙模共振腔410。該第一連接共振腔440與該第二連接共振腔440a係對稱於該對稱參考平面S。因此,我們可以基於該雙模共振腔410與該單模共振腔420可產生一有限頻率傳輸零點之結合基礎(如一基礎方塊)與設計於更高階(3,5,7,...,2n+1)之濾波器。
綜上所述,本發明之微波濾波器係產生兩個有限頻率傳輸零點可具有良好之頻率選擇性。本發明之微波濾波器係具有物理尺寸上之對稱性,因此於設計該微波濾波器時,僅需要調整一半之微波濾波器之物理尺寸參數,即可符合所需之預定響應,因此本發明之微波濾波器可以更簡單的被設計與製造。於電性參數方面,該微波濾波器亦可以於該高抑制頻帶與低抑制頻帶產生一對有線頻率傳輸零點。因此可相較於具有雙模共振腔之習知技術,其需要控制所有之物理尺寸參數與分別控制兩個有限頻率傳輸零點。
藉由以上較佳具體實施例之詳述,係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神,而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地,其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
100...雙模波導濾波器
100、120...雙模共振腔
111、121...開口
300...輸入波導管
400...微波濾波器
410...雙模共振腔
411...第一側
412...第二側
413...第三側
414...第四側
420...單模共振腔
430、430a...結合通道
440...第一連接共振腔
440a...第二連接共振腔
450...連接通道
500...輸出波導管
C...中心參考平面
E...延伸軸
L1、L2、L3、L4...長度
W1、W2、W3、W4...寬度
H...高度
S...對稱參考平面
S11...回波損耗曲線
S12...植入損失曲線
Z1、Z2...傳輸零點
offest...間距
f0
...中央頻率
Zo...阻抗
第一圖係為習知之雙模波導濾波器之立體示意圖;
第二圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例之立體圖;
第三圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例耦接於一輸入波導管與一輸出波導管之立體示意圖;
第四圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例之等效電路圖;
第五圖係為本發明之微波濾波器之第一實施例上視示意圖;
第六圖係為根據第一實施例之實驗結果所繪製之回波損耗曲線以及植入損失曲線;
第七圖係為本發明之微波濾波器之第二實施例之示意圖;以及
第八圖係為利用本發明之微波濾波器之第三實施例之示意圖。
400...微波濾波器
410...雙模共振腔
411...第一側
412...第二側
413...第三側
414...第四側
420...單模共振腔
430、430a...結合通道
450...連接通道
S...對稱參考平面
Claims (10)
- 一種具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其用以針對由一輸入波導管輸入之電磁波加以濾波,並將其經由一輸出波導管輸出,該微波濾波器係包含:一雙模共振腔,具有對稱於一對稱參考平面之物理結構係,並具有一第一側與一第二側,該第一側與該第二側係對稱於該對稱參考平面,該輸入波導管係沿一延伸軸耦接於該第一側,該輸出波導管亦沿該延伸軸耦接於該第二側,該延伸軸係垂直於該對稱參考平面,並相對於該雙模共振腔之一中心參考平面距離一間距;一單模共振腔,係耦接於該雙模共振腔,並對稱於該對稱參考平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該雙模共振腔係為矩形結構並於其內呈現兩個橫向電模態(transversal electric modes,TE modes)。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該中心參考平面係垂直於該對稱參考平面,該雙模共振腔係對稱於該中心參考平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該單模共振腔係為矩形結構,並於其內呈現一個橫向電模態,其響應該雙模共振腔內之兩橫向電模態中之一者。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,係依據延伸耦極設定呈現一等效電路。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該雙模共振腔與單模共振腔之高度相同。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該雙模共振腔內係呈現兩個橫向電模態,其分別為TE201 mode與TE102 mode。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該單模共振腔係呈現一個橫向電模態,其為TE101 mode。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,更進一步包含一第一連接共振腔,係沿該延伸軸連接於該輸入波導管與該雙模共振腔;一第二連接共振腔,係沿該延伸軸連接於該輸出波導管與該雙模共振腔。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有單模與雙模共振腔之微波濾波器,其中該單模共振腔係經由一連接通道連接於該雙模共振腔,該連接通道係用以控制於該單模共振腔與該雙模共振腔之間之耦接強度。
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