CN105896002A - 一种谐波抑制差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合介质和同轴谐振器的谐波抑制差分带通滤波器，解决了现有技术中基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，本发明滤波器包括：金属腔体；两个介质谐振器和一个同轴谐振器；分别固定设置在两个介质谐振器旁侧，且一一对应与两个介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的两个差分激励结构；设置在金属腔体的外壁上，与两个差分激励结构连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头；两个差分激励结构中的一个为差分激励信号输入结构，而另一个为差分激励信号输出结构；本发明滤波器能够改善基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高其差模阻带宽度和共模抑制水平。

Description

一种谐波抑制差分带通滤波器

技术领域

本发明涉及射频通信滤波技术领域，尤其涉及一种基于混合介质和同轴谐振器的谐波抑制差分带通滤波器。

背景技术

近几十年来，介质谐振器凭借其高品质因数值(Q)、低制造成本、高温度稳定性等优越特性越来越广泛地应用于各种微波组件和子系统中，特别是在高性能带通滤波器中。但是，介质谐振器由于拥挤的谐振模式，造成不期望出现的谐波模式和所需要的工作模式相距较为紧密，导致介质滤波器具有较差的谐波特性。然而，许多通信系统要求滤波器能实现二次或三次谐波模式的抑制。

目前，为了改善介质滤波器的谐波性能，许多研究人员通过采取一些措施来进行谐波抑制。例如，在介质谐振器的中心引入一个孔，以提高主模与高次模式的分离程度，但是滤波器阻带拓展能力很有限；Nishikawa等学者提出了“一个介质谐振器的四分之一形式可以进一步提高滤波器谐波性能”的观点，但是滤波器的设计会变得很复杂。

另外，在无线射频/微波系统中，差分电路至关重要，这是由于其在恶劣环境中具有很高的抗噪音和抗电磁干扰的能力。作为最重要的射频前端的功能性无源器件之一，差分带通滤波器发挥了关键作用并广泛应用于现代通信系统中。为了顺应这一发展趋势，一些研究人员利用介质谐振器设计了差分滤波器，有效验证了介质谐振器在差分电路应用中的发展潜力。但是上述研究没有考虑到谐波抑制的问题，这导致了滤波器差模阻带和共模抑制水平达不到令人满意的地步。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的，基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，提供了一种谐波抑制差分带通滤波器，能够改善基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高其差模阻带宽度和共模抑制水平。

本发明实施例提供了一种谐波抑制差分带通滤波器，所述滤波器包括：

金属腔体；

固定设置在所述金属腔体中的第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器；其中，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器关于所述同轴谐振器对称，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的主模均为TE_01δ模或TE_11δ模，所述同轴谐振器的主模为TEM基模，所述TE_01δ模或TE_11δ模和所述TEM基模的谐振频率相同；

固定设置在所述第一介质谐振器旁侧，与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第一差分激励结构；固定设置在所述第二介质谐振器旁侧，与所述第二介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第二差分激励结构；所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对称设置在所述金属腔体中；

设置在所述金属腔体的外壁上，与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对应连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头；

其中，所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构两者中的一个为所述滤波器的差分激励信号输入结构，而另一个为所述滤波器的差分激励信号输出结构。

可选的，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器分别为环形介质谐振器或矩形介质谐振器；所述同轴谐振器为金属同轴谐振器。

可选的，所述第一介质谐振器的轴向与所述第二介质谐振器的轴向平行；所述第一介质谐振器的轴向与所述同轴谐振器的轴向垂直。

可选的，所述第一差分激励结构包括镜面对称设置的第一馈电探针和第二馈电探针；所述第一馈电探针具体为与所述第一介质谐振器的一水平横截面同心且度数小于90°的圆弧形针体，用于与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合；

所述第二馈电探针与所述第一馈电探针结构相同，所述第二差分激励结构与所述第一差分激励结构具有相同的结构。

可选的，所述第一馈电探针和所述第二馈电探针在差模工作状态下分别引入第一电流和第二电流，所述第一电流和所述第二电流的大小相同且方向相反，所述第一电流和所述第二电流用于差分激励所述第一介质谐振器。

可选的，所述多个微波同轴接头具体为四个，四个微波同轴接头一一对应与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构的四个馈电探针连接；

所述四个微波同轴接头中的每一接头包括：与所述四个馈电探针中一馈电探针相连的内导体，以及与所述金属腔体外壁相连的外导体。

可选的，所述滤波器还包括：与所述金属腔体匹配，用于盖设在所述金属腔体上的金属盖；

设置在所述金属盖内面上，与所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器一一对应的第一介质调谐盘和第二介质调谐盘，分别用于调节所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的谐振频率，以使所述第一介质谐振器的谐振频率、所述第二介质谐振器的谐振频率与所述同轴谐振器的谐振频率相等；

其中，所述金属盖内面具体为所述金属盖与所述金属腔体相对的面。

可选的，所述金属腔体包括第一腔室、第二腔室和第三腔室；所述第一介质谐振器设置在所述第一腔室中，所述同轴谐振器设置在所述第二腔室中，所述第二介质谐振器设置在所述第三腔室中；

所述第一腔室和所述第二腔室之间设置有第一间隔壁，所述第一间隔壁上挖设有连通两个腔室的第一耦合窗，以使所述第一介质谐振器和所述同轴谐振器的磁场能够相互耦合；所述第二腔室和所述第三腔室之间设置有第二间隔壁，所述第二间隔壁上挖设有连通两个腔室的第二耦合窗，以使所述第二介质谐振器和所述同轴谐振器的磁场能够相互耦合。

可选的，所述同轴谐振器的一端固定设置在所述金属腔体的第一侧壁上，所述第一耦合窗和所述第二耦合窗分别设置在所述第一间隔壁和所述第二间隔壁的靠近所述第一侧壁的一侧。

可选的，所述滤波器还包括：固定设置在所述金属腔体底部的第一基座和第二基座，分别用于承载所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器；所述第一基座设置在所述第一腔室中，所述第二基座设置在所述第三腔室中；所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器在所述金属腔体中的设置高度相同。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在本发明中，通过在一金属腔体中固定设置在所述金属腔体中的第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器；其中，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器关于所述同轴谐振器对称，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的主模均为TE_01δ模或TE_11δ模，所述同轴谐振器的主模为TEM基模，所述TE_01δ模或TE_11δ模和所述TEM基模的谐振频率相同；固定设置在所述第一介质谐振器旁侧，与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第一差分激励结构；固定设置在所述第二介质谐振器旁侧，与所述第二介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第二差分激励结构；所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对称设置在所述金属腔体中；设置在所述金属腔体的外壁上，与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对应连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头；其中，所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构两者中的一个为所述滤波器的差分激励信号输入结构，而另一个为所述滤波器的差分激励信号输出结构。本发明中的差分带通滤波器为一个三阶差分带通滤波器，混合使用介质谐振器和同轴谐振器，通过在基于介质谐振器的差分带通滤波器中引入同轴谐振器，抑制介质谐振器的众多谐波，使得本差分带通滤波器可以获得较宽的差模阻带和共模抑制。有效地解决了现有技术中基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，改善了基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高了其差模阻带宽度和共模抑制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种基于介质谐振器和同轴谐振器的谐波抑制差分带通滤波器的结构示意图；

图2A为本发明实施例提供的加载在金属腔体中环形介质谐振器TE_01δ模的电磁场分布示意图；

图2B为本发明实施例提供的加载在金属腔体中金属同轴谐振器TEM基模的电磁场分布示意图；

图3A为本发明实施例提供的环形介质谐振器由两组差分探针对激励的仿真频率响应图；

图3B为本发明实施例提供的金属同轴谐振器由两个单端探针激励的仿真频率响应图；

图4为本发明实施例提供的馈电探针差分激励结构与环形介质谐振器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第二种基于介质谐振器和同轴谐振器的谐波抑制差分带通滤波器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的当金属盖盖设在金属腔体上时差分带通滤波器的宽高侧截面图；

图7为本发明实施例提供的在金属盖内面上设置介质调谐盘的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的当介质调谐盘与环形介质谐振器的间距固定为4mm时，外部品质因数Q_ex ^d与弧形馈电探针长度L_d之间的关系曲线图；

图9为本发明实施例提供的当两个腔室之间的耦合窗厚度固定为4mm，且介质调谐盘与环形介质谐振器的间距固定为4mm时，耦合系数k₁₂与第一耦合窗宽度W之间的关系曲线图；

图10A为本发明实施例提供的差分带通滤波器1.5GHz到2GHz窄带显示时的仿真结果和测试结果对比图；

图10B为本发明实施例提供的差分带通滤波器1.5GHz到4GHz宽带显示时的仿真结果和测试结果对比图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种基于混合介质和同轴谐振器的谐波抑制差分带通滤波器，解决了现有技术中存在的基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，本发明谐波抑制差分带通滤波器能够改善基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高其差模阻带宽度和共模抑制水平。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供了一种谐波抑制差分带通滤波器，所述滤波器包括：金属腔体；固定设置在所述金属腔体中的第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器；其中，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器关于所述同轴谐振器对称，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的主模均为TE_01δ模或TE_11δ模，所述同轴谐振器的主模为TEM基模，所述TE_01δ模或TE_11δ模和所述TEM基模的谐振频率相同；固定设置在所述第一介质谐振器旁侧，与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第一差分激励结构；固定设置在所述第二介质谐振器旁侧，与所述第二介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第二差分激励结构；所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对称设置在所述金属腔体中；设置在所述金属腔体的外壁上，与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对应连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头；其中，所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构两者中的一个为所述滤波器的差分激励信号输入结构，而另一个为所述滤波器的差分激励信号输出结构。

可见，在本发明实施例中，混合使用介质谐振器和同轴谐振器，通过在基于介质谐振器的差分带通滤波器中引入同轴谐振器，抑制介质谐振器的众多谐波，使得本差分带通滤波器可以获得较宽的差模阻带和共模抑制。有效地解决了现有技术中基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，改善了基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高了其差模阻带宽度和共模抑制水平。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例提供了一种谐波抑制差分带通滤波器，如图1所示，为该谐波抑制差分带通滤波器的俯视图，空间坐标为XYZ，该谐波抑制差分带通滤波器包括：

金属腔体1，具体为金属屏蔽腔，用于减小外界对所述差分带通滤波器的信号干扰；

固定设置在金属腔体1中的第一介质谐振器21、同轴谐振器22和第二介质谐振器23；其中，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23关于同轴谐振器22对称，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23的主模均为TE_01δ模或TE_11δ模，同轴谐振器22的主模为TEM基模，所述TE_01δ模或TE_11δ模和所述TEM基模的谐振频率相同。在具体实施过程中，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23具体可为环形介质谐振器或矩形介质谐振器；同轴谐振器22具体可为金属同轴谐振器；第一介质谐振器21和第二介质谐振器23的尺寸和介电常数相同；

固定设置在第一介质谐振器21旁侧，与第一介质谐振器21通过安培右手螺旋定则激励耦合的第一差分激励结构31；固定设置在第二介质谐振器23旁侧，与第二介质谐振器23通过安培右手螺旋定则激励耦合的第二差分激励结构32；第一差分激励结构31和第二差分激励结构32关于同轴谐振器22对称设置在金属腔体1中；

设置在金属腔体1的外壁上，与第一差分激励结构31和第二差分激励结构32对应连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头30；

其中，第一差分激励结构31和第二差分激励结构32两者中的一个为所述滤波器的差分激励信号输入结构，而另一个为所述滤波器的差分激励信号输出结构。

以第一介质谐振器21和第二介质谐振器23为环形介质谐振器为例，请参考图2A，为加载在金属腔体中第一环形介质谐振器21(或第二环形介质谐振器23)TE_01δ模的电磁场分布示意图，其中，实线箭头表示磁场分布，虚线箭头表示电场分布。TE_01δ模作为环形介质谐振器的主模工作。TE_01δ模环形介质谐振器内部具有一个圆形的电场分布，磁场分布在环形介质谐振器的内部和外部，并且与电场分布的圆形面垂直。TE_01δ模的磁场在介质谐振器的轴线上和在介质谐振器外足够的距离处是最强的。在具体实施过程中，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23还可为矩形介质谐振器，其在TE_11δ模式下的电磁场分布这里不再一一赘述。

请参考图2B，为加载在金属腔体中金属同轴谐振器22TEM基模的电磁场分布示意图，其中，实线箭头表示磁场分布图，虚线箭头表示电场分布。TEM基模作为同轴谐振器的主模工作。在图2B中，同轴谐振器的一端221短路、另一端222开路，一端短路的同轴谐振器可以看作是四分之一波长谐振器，并且TEM基模的电场主要集中在开路端222，磁场主要集中在短路端221。

接着，请参考图3A和3B，分别示出了环形介质谐振器由两组差分探针对激励和金属同轴谐振器由两个单端探针激励的仿真频率响应图。从图3A中可以看出，介质谐振器固有的多种模式可以分成两类响应，一些模式(如TE_01δ模)充当差模响应(如图3A中曲线S_dd21所示)，其余的模式(如TM₀₁模)充当共模响应(如图3A中曲线S_cc21所示)。当TE_01δ模作为主模时，TM₀₁模等高次模相对于TE_01δ模为谐波模式，进一步由于谐波的谐振频率与主模的谐振频率靠的很近，因此这些谐波会使差分带通滤波器的性能退化，比如选择性和共模抑制性能。从图3B中可以看出，当金属同轴谐振器由两个单端探针激励时，会出现两个谐振频率，第一个谐振频率代表的是主模TEM基模，另外一个谐振频率代表的是最低次谐波。

进一步，基于上述第一介质谐振器21、同轴谐振器22、第二介质谐振器23在主模式下的电磁场分布示意图，以及介质谐振器和同轴谐振器的仿真频率响应图，本发明采用混合介质谐振器和同轴谐振器的方法设计的差分带通滤波器，介质谐振器的众多谐波(作为差模响应或共模响应)能够被抑制。

图1示出了差分带通滤波器的结构布局。再结合图2A和图2B所示的TE_01δ模(对应环形介质谐振器)和TEM基模(对应金属同轴谐振器)的电磁场分布情况，介质谐振器和同轴谐振器应被正交摆放来实现它们间的磁耦合。具体而言，仍请参考图1，第一介质谐振器21的轴向(图中未示出)与第二介质谐振器23的轴向平行(图中未示出)；第一介质谐振器21的轴向与同轴谐振器22的轴向(图中未示出)垂直。具体的，第一介质谐振器21的轴向、第二介质谐振器23的轴向均与Z轴方向相同，同轴谐振器22的轴向与X轴方向相同。

在具体实施过程中，仍请参考图1，第一差分激励结构31对应一对第一差分端口，同样的，第二差分激励结构32对应一对第二差分端口，其中，所述第一差分端口和所述第二差分端口均可作为信号输入/输出端口；具体的，当所述第一差分端口为信号输入端口时，所述第二差分端口为信号输出端口；或当所述第二差分端口为信号输入端口时，所述第一差分端口为信号输出端口。

进一步，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23的TE_01δ模分别由第一差分激励结构31和第二差分激励结构32来激励。具体的，请参考图4或图5，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23均为环形介质谐振器，第一差分激励结构31包括镜面对称设置的第一馈电探针311和第二馈电探针312；第一馈电探针311具体为与第一介质谐振器21的一水平横截面同心且度数小于90°的圆弧形针体，用于与第一介质谐振器21通过安培右手螺旋定则激励耦合；其中，第一差分激励结构31间隔环绕第一介质谐振器21外表面设置，不与第一介质谐振器21相接触；第二馈电探针312与第一馈电探针311结构相同，第二差分激励结构32与第一差分激励结构31具有相同的结构，这里不再一一赘述。

在具体实施过程中，请参考图1、图4和图5，第一差分激励结构31和第二差分激励结构32共包含四个馈电探针；在所述差分带通滤波器金属腔体1的与所述四个馈电探针一一对应的外壁上设置有四个微波同轴接头(Port1、Port1’、Port2、Port2’)(即如图1中四个微波同轴接头30)，具体可以为SMA接头；所述四个微波同轴接头中的每一个接头包括：与所述四个馈电探针中一馈电探针相连的内导体301，以及与金属腔体1外壁相连的外导体302，以实现所述差分带通滤波器与外部通信设备连接，并通过第一差分激励结构31(或第二差分激励结构32)输入或输出信号。进一步，所述差分带通滤波器具有差模和共模两种工作状态，请参考图5，第一差分激励结构31的两个馈电探针(即第一馈电探针311和第二馈电探针312)对应两个微波同轴接头(Port1、Port1’)，第二差分激励结构32对应另外两个微波同轴接头(Port2、Port2’)，在差模工作状态下，信号是等幅反向从第一差分激励结构31(或第二差分激励结构32)的两个端口进入或出来的，在共模工作状态下，信号是等幅同向从第一差分激励结构31(或第二差分激励结构32)的两个端口进入或出来的。

下面以第一差分激励结构31作为信号输入端口为例，仍请参考图4，在差模工作状态下，第一馈电探针311和第二馈电探针312分别引入第一电流和第二电流，所述第一电流和所述第二电流的大小相同且方向相反，所述第一电流和所述第二电流用于差分激励第一介质谐振器21。再请结合图2A和图4，图2A示出了环形的第一介质谐振器21在TE_01δ模式下的电磁场分布示意图，图4示出了第一馈电探针311和第二馈电探针312在差模工作状态下的电流方向，根据安培右手螺旋定则，图4中第一差分激励结构31引入的磁场与图2A中TE_01δ模介质谐振器的磁场是一致的，因此，第一介质谐振器21的TE_01δ模可被激励。上述第一介质谐振器21的TE_01δ模的工作原理也适用于第二介质谐振器23。

进一步，介质谐振器的TE_01δ模可由一对放置在面对面的探针差分激励，然后设计同轴谐振器的TEM基模，再调整介质谐振器和同轴谐振器，使TEM基模和TE_01δ模的谐振频率相同。因此，只有介质谐振器的TE_01δ模可以通过同轴谐振器的TEM基模传播，以此来构建差模通带，而介质谐振器的众多谐波不能通过同轴谐振器传播，除非介质谐振器谐波和同轴谐振器谐波的谐振频率相同。所以，通过这种混合使用介质谐振器和同轴谐振器的方式，便构建出如图1所示的具有谐波抑制的差分带通滤波器，其结构不是严格的沿着差分探针对之间的Y轴中心线对称，这不同于传统的差分带通滤波器的设计，同时也提供一个新型差分带通滤波器的设计理念。

也就是说，在本实施例中，以第一介质谐振器21和第二介质谐振器23为环形介质谐振器为例，所述差分带通滤波器的工作原理为：一对差分激励信号从第一差分激励结构31对应的两个端口输入，第一介质谐振器21的TE_01δ模被激励起来；第一介质谐振器21和同轴谐振器22之间通过磁耦合，使得同轴谐振器22的TEM基模也被激励起来；接着，同轴谐振器22和第二介质谐振器23之间通过磁耦合，使得第二介质谐振器23的TE_01δ模被激励起来；进一步，两个介质谐振器和同轴谐振器之间通过TE_01δ模和TEM基模构建差分带通滤波器的差模通带，以将输入的激励信号从输入端口(即第一差分激励结构31)传输到输出端口(即第二差分激励结构32)进行输出；其中，所述差分带通滤波器的差模通带在传输所述差分激励信号的过程中，便对其进行了滤波处理，即输出端口输出的信号为滤波后的信号。当然，第二差分激励结构32也可作为信号输入端口，那么，第一差分激励结构31即为信号输出端口，滤波原理同上。

在具体实施过程中，所述差分带通滤波器还包括：与金属腔体1匹配的用于盖设在金属腔体1上的金属盖7，如图6所示，为金属盖7盖设在金属腔体1上时差分带通滤波器的宽高侧截面图，即垂直于金属腔体1长和高确定的面的截面图，在图6中，由于视角的原因，所述差分带通滤波器的差分激励结构(即馈电探针)无法示出；为了使得所述差分带通滤波器的滤波效果能够达到最佳水平，需要确保第一介质谐振器21、同轴谐振器22和第二介质谐振器23三者的谐振频率相等(当然在实际应用中不可能完全相等，在本实施例中所说的相等为二者最大限度的相近)，在金属盖7内面上，设置有与第一介质谐振器21和第二介质谐振器23一一对应的第一介质调谐盘41和第二介质调谐盘42，分别用于调节第一介质谐振器21和第二介质谐振器23的谐振频率，以使第一介质谐振器21的谐振频率、第二介质谐振器23的谐振频率分别与同轴谐振器22的谐振频率相等(结合图6和图7)。其中，所述金属盖内面具体为金属盖7的与金属腔体1相对的面；图7中金属盖7上设置有多个小孔，用于在金属盖7和金属腔体1组装时穿设螺钉进行固定。

具体的，仍请参考图6，在将金属盖7与金属腔体1组合安装时，金属盖7的内面与第一介质谐振器21(或第二介质谐振器23)存在一定的间隔，接着，仍请结合图6和图7，第一介质调谐盘41和第二介质调谐盘42分别通过第一螺杆51和第二螺杆52与金属盖7连接，通过旋转第一螺杆51或第二螺杆52，改变第一介质调谐盘41与第一介质谐振器21的距离，或改变第二介质调谐盘42与第二介质谐振器23的距离，以实现对第一环形介质谐振器21的谐振频率或第二环形介质谐振器23的谐振频率的调节。

在本申请实施例中，如图5所示，为一个三阶差分带通滤波器的结构布局，金属腔体1包括第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13；第一介质谐振器21设置在第一腔室11中，同轴谐振器22设置在第二腔室12中，第二介质谐振器23设置在第三腔室13中；第一腔室11和第二腔室12之间设置有第一间隔壁141，第一间隔壁141上挖设有连通两个腔室的第一耦合窗151，以使第一介质谐振器21和同轴谐振器22的磁场能够相互耦合；第二腔室12和第三腔室13之间设置有第二间隔壁142，第二间隔壁142上挖设有连通两个腔室的第二耦合窗152，以使同轴谐振器22和第二介质谐振器23的磁场能够相互耦合。

进一步，仍请参考图6，所述滤波器还包括：对称且固定设置在金属腔体1底部的氧化铝材质(Al₂O₃)的第一基座61和第二基座(与图6中第一基座61设计相同，图中未画出)，分别用于承载第一介质谐振器21和第二介质谐振器23，其中，第一基座61设置在第一腔室11中，第二基座设置在第三腔室13中；基座和介质谐振器可通过胶粘的方式进行固定，如图6所示，第一基座61通过一螺钉611与金属腔体1的底部进行固定，同样的，第二基座亦通过螺钉与金属腔体1的底部进行固定(图中未画出)，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23在金属腔体1中的设置高度相同。请参考图5，同轴谐振器22的一端固定设置在金属腔体1的第一侧壁101上，第一耦合窗151和第二耦合窗152分别设置在第一间隔壁141和第二间隔壁142的靠近第一侧壁101的一侧。此外，在具体实施过程中，在第二腔室12的与第一侧壁101相对的第二侧壁102上设置有第一金属调谐螺丝81，具体的，第一金属调谐螺丝81与第二侧壁102通过螺纹连接、可贯穿第二侧壁102，并位于同轴谐振器22的轴向上、处于同轴谐振器22的正上方，通过旋动第一金属调谐螺丝81以调节其与同轴谐振器22的距离，进而可对同轴谐振器22的谐振频率进行调节。进一步，根据实际应用需要，可在第一侧壁101的与第一耦合窗151和第二耦合窗152对应的位置上设置第二金属调谐螺丝82和第三金属调谐螺丝83，第二金属调谐螺丝82和第三金属调谐螺丝83分别与第一侧壁101通过螺纹连接并可贯穿第一侧壁101，通过旋动第二金属调谐螺丝82和第三金属调谐螺丝83以调节第一耦合窗151和第二耦合窗152的尺寸，以调节同轴谐振器22与第一介质谐振器21和第二介质谐振器23之间的耦合系数。

在具体实施过程中，设定所要设计的差分带通滤波器的设计指标为：中心频率为1.75GHz、0.13dB纹波相对带宽为0.97％的三阶差分切比雪夫带通滤波器，结合上述三个腔室的结构布局，分别在金属盖7的内面与第一介质谐振器21和第二介质谐振器23对应的位置上设置第一介质调谐盘41和第二介质调谐盘42(如图7所示)，用于对两个介质谐振器的谐振频率进行微调，以使其均能最大限度的接近1.75GHz；其中，第一介质谐振器21和第二介质谐振器23的介电常数均为38。同时，在金属腔体1的第二侧壁102的与同轴谐振器22相对的位置上设置第一金属调谐螺丝81(如图5所示)，用于对同轴谐振器22的谐振频率进行微调，以使其也能最大限度的接近1.75GHz。由于基于介质谐振器的滤波器的设计取决于外部品质因数(Q_ex ^d)、第一腔室11与第二腔室12的耦合系数(k₁₂)以及第二腔室12与第三腔室13的耦合系数(k₂₃)，按照上述设计指标，低通原型滤波器的集总元件值为：g₀＝1，g₁＝1.0872，g₂＝1.1526，g₃＝1.0872。滤波器设计所需要的Q_ex ^d、k₁₂和k₂₃可以由以下公式(1)和(2)得到，公式表示为：

${Q_{ex}}^d=\frac{g_0{g}_1}{FBW}=112---\left(1\right)$

$k_{12}=k_{23}=\frac{FBW}{\sqrt{g_1{g}_2}}=0.0087---\left(2\right)$

再请结合图8和图9，图8为当介质调谐盘与环形介质谐振器的间距(Gap)固定为4mm时，滤波器的外部品质因数(Q_ex ^d)与所述弧形馈电探针长度(L_d)之间的关系曲线图；图9为当第一耦合窗151的厚度(iris，如图5所示)固定为4mm且Gap＝4mm时，第一腔室11与第二腔室12的耦合系数(k₁₂)与第一耦合窗151的宽度(W)之间的关系曲线图；需要注意的是，第三腔室13关于第二腔室12与第一腔室11对称，即k₁₂＝k₂₃，则第二腔室12与第三腔室13的耦合系数(k₂₃)与第二耦合窗152的宽度(W)之间的关系曲线和图9具有相同的变化趋势。要达到上述带通滤波器的设计指标，结合图5和图6，滤波器的相关部件尺寸确定如下：L_d＝23mm，W＝22mm，DR_D＝32mm，Hole_D＝8mm，DR_H＝13mm，Disk_D＝25mm，Disk_H＝2mm，a＝46mm，b＝146mm，c＝32mm，h₁＝33mm，d₁＝14mm，Gap＝4mm，iris＝4mm；其中，L_d为所述弧形馈电探针长度(即第一馈电探针311)的长度，W为第一耦合窗151或第二耦合窗152的宽度，iris为第一耦合窗151或第二耦合窗152的厚度，DR_D为所采用的环形介质谐振器的外径，Hole_D为所采用的环形介质谐振器的内径(即孔径)，DR_H为所采用的环形介质谐振器的高度，Disk_D为所采用的介质调谐盘的直径，Disk_H为所采用的介质调谐盘的厚度，a为金属腔体1的宽度，b为金属腔体1的长度，c为金属腔体1的高度，Gap为介质调谐盘与环形介质谐振器的间距，h₁为同轴谐振器的高度，d₁为同轴谐振器的直径。

根据上述一系列具体参数，一方面，采用一个Ansoft全波仿真器(HFSS)来获得所设计的带通滤波器的仿真结果，另一方面，采用安捷伦四端口网络分析仪N5230A PNA-L获得该带通滤波器的实验结果。仿真结果(即理论值)和测量结果(即实际测量值)对比如图10A和图10B所示，图10A为差分带通滤波器1.5GHz到2GHz窄带显示时仿真结果和测试结果对比图，图10B为差分带通滤波器1.5GHz到4GHz宽带显示时的仿真结果和测试结果对比图，其中虚线表示仿真结果，实线表示测试结果，在图10A和图10B中，S_dd11为所述差分带通滤波器的差模信号的S₁₁参数，S_dd21为该差模信号的S₂₁参数，S_cc21为所述差分带通滤波器的共模信号的S₂₁参数，不难发现，仿真结果和测试结果的S参数表现出良好的一致性。测得的差模通带中心频率在1.75GHz时能够实现1.34％的3dB相对带宽。测得的最小插入损耗(S_dd21)只有0.8dB(其中包括在差分端口使用SMA接头的损耗)，并且在通带内回波损耗(S_dd11)优于13.5dB。差模上阻带得到了拓展，这是介质谐振器的众多谐波被抑制的结果，同时也达到了宽带的共模抑制(S_cc21)水平。从图10B可以看出，测量的差模阻带抑制在1.792GHz到3.8GHz的频率范围内大于30dB，共模抑制在从1.5GHz到2.88GHz的频率范围内大于40dB并且在1.5GHz到3.95GHz的频率范围内高于20dB。

总而言之，本申请方案提供了一种基于混合介质谐振器和同轴谐振器的新型高性能差分带通滤波器，通过在基于介质谐振器的差分带通滤波器中引入同轴谐振器，抑制介质谐振器的众多谐波，使得本差分带通滤波器可以获得较宽的差模阻带和共模抑制。有效地解决了现有技术中基于介质谐振器的差分滤波器谐波性能差的问题，如差模阻带和共模抑制水平不高，改善了基于介质谐振器的差分滤波器的谐波性能，具体表现为提高了其差模阻带宽带和共模抑制水平，势必会在许多实际的工业应用中得到广泛使用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：

金属腔体；

固定设置在所述金属腔体中的第一介质谐振器、同轴谐振器和第二介质谐振器；其中，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器关于所述同轴谐振器对称，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的主模均为TE_01δ模或TE_11δ模，所述同轴谐振器的主模为TEM基模，所述TE_01δ模或TE_11δ模和所述TEM基模的谐振频率相同；

固定设置在所述第一介质谐振器旁侧，与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第一差分激励结构；固定设置在所述第二介质谐振器旁侧，与所述第二介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合的第二差分激励结构；所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对称设置在所述金属腔体中；

设置在所述金属腔体的外壁上，与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构对应连接，用于与外部通信设备相连的多个微波同轴接头；

其中，所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构两者中的一个为所述滤波器的差分激励信号输入结构，而另一个为所述滤波器的差分激励信号输出结构。

2.如权利要求1所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器分别为环形介质谐振器或矩形介质谐振器；所述同轴谐振器为金属同轴谐振器。

3.如权利要求1所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述第一介质谐振器的轴向与所述第二介质谐振器的轴向平行；所述第一介质谐振器的轴向与所述同轴谐振器的轴向垂直。

4.如权利要求1所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述第一差分激励结构包括镜面对称设置的第一馈电探针和第二馈电探针；所述第一馈电探针具体为与所述第一介质谐振器的一水平横截面同心且度数小于90°的圆弧形针体，用于与所述第一介质谐振器通过安培右手螺旋定则激励耦合；

所述第二馈电探针与所述第一馈电探针结构相同，所述第二差分激励结构与所述第一差分激励结构具有相同的结构。

5.如权利要求4所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述第一馈电探针和所述第二馈电探针在差模工作状态下分别引入第一电流和第二电流，所述第一电流和所述第二电流的大小相同且方向相反，所述第一电流和所述第二电流用于差分激励所述第一介质谐振器。

6.如权利要求4所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述多个微波同轴接头具体为四个，四个微波同轴接头一一对应与所述第一差分激励结构和所述第二差分激励结构的四个馈电探针连接；

所述四个微波同轴接头中的每一接头包括：与所述四个馈电探针中一馈电探针相连的内导体，以及与所述金属腔体外壁相连的外导体。

7.如权利要求1所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括：与所述金属腔体匹配，用于盖设在所述金属腔体上的金属盖；

设置在所述金属盖内面上，与所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器一一对应的第一介质调谐盘和第二介质调谐盘，分别用于调节所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器的谐振频率，以使所述第一介质谐振器的谐振频率、所述第二介质谐振器的谐振频率分别与所述同轴谐振器的谐振频率相等；

其中，所述金属盖内面具体为所述金属盖与所述金属腔体相对的面。

8.如权利要求1所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述金属腔体包括第一腔室、第二腔室和第三腔室；所述第一介质谐振器设置在所述第一腔室中，所述同轴谐振器设置在所述第二腔室中，所述第二介质谐振器设置在所述第三腔室中；

所述第一腔室和所述第二腔室之间设置有第一间隔壁，所述第一间隔壁上挖设有连通两个腔室的第一耦合窗，以使所述第一介质谐振器和所述同轴谐振器的磁场能够相互耦合；所述第二腔室和所述第三腔室之间设置有第二间隔壁，所述第二间隔壁上挖设有连通两个腔室的第二耦合窗，以使所述同轴谐振器和所述第二介质谐振器的磁场能够相互耦合。

9.如权利要求8所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述同轴谐振器的一端固定设置在所述金属腔体的第一侧壁上，所述第一耦合窗和所述第二耦合窗分别设置在所述第一间隔壁和所述第二间隔壁的靠近所述第一侧壁的一侧。

10.如权利要求8所述的谐波抑制差分带通滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括：固定设置在所述金属腔体底部的第一基座和第二基座，分别用于承载所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器；所述第一基座设置在所述第一腔室中，所述第二基座设置在所述第三腔室中；所述第一介质谐振器和所述第二介质谐振器在所述金属腔体中的设置高度相同。