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CN108258371B - 一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器 - Google Patents

一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，包括介质三模谐振器、第一耦合槽、第二耦合槽及输入馈电端口与输出馈电端口；介质三模谐振器以一矩形金属盒为谐振器外壁，在金属盒底部中心存在一金属圆柱，在金属盒内部安装有一个存在通孔的介质块，金属圆柱容置于通孔，介质块底部与金属盒短路连接，顶部放置有一金属圆盘；第一、二耦合槽开设于金属圆盘中，并处于不同的位置；输入馈电端口和输出馈电端口垂直安装在金属盒的两个相邻外侧壁上，它们均由SMA接头经金属探针连接耦合金属片组成。本发明具有高Q值、高功率容量、低剖面、小型化，易于进行平面布局设计、加工的优点，适合批量工业生产。

Description

一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器
技术领域
本发明涉及微波射频器件的技术领域，尤其是指一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器。
背景技术
近年来，随着社会加速进入信息时代，通信产业蓬勃发展，射频前端电路作为整个无线通信系统的基石，在移动通信、雷达监测，导航和远距离遥感等领域中得到广泛应用，因此对射频前端电路的研究显得越来越重要。射频滤波器作为射频前端电路的关键部件，在整个无线通信系统中扮演着十分重要的角色，所以高选择性，小体积，低损耗滤波器是实现高质量无线通信的关键器件。
在以往提升滤波器的选择性时，常采取的措施是提高滤波器的阶数。对于单模滤波器而言，提升阶数势必会导致滤波器体积的增加，给设计的小型化带来难度。多模谐振器由于同时含有多个模式，使得一个多模谐振器相当于多个单模谐振器级联，因此能够在提升性能的同时避免体积的增加。此外，相较于微带与金属腔滤波器，介质腔滤波器兼具高功率容量与小型化的优势，所以对于介质多模滤波器的研究显得尤为迫切。
2002年，Vanessa.Walker等人在期刊IEEE Microwave WirelessComponent.Letter.上发表题为“Design of Mode TE01 Resonator TransmissionFilters”的文章，利用正方体介质谐振器中的简并TE10模设计了介质三模带通滤波器。作者通过在矩形金属腔的中心添加一矩形介质块，设计了一款基于简并TE10模的三模介质谐振器，并分别设计了一款单腔三阶与双腔六阶带通滤波器。
2013年，Ke-Li.Wu等人在本领域顶级期刊IEEE Transaction On MicrowaveTheory And Techniques上发表题为“A TM11 Dual-Mode Dielectric Resonator FilterWith Planar Coupling Configuration”的文章，利用圆柱形介质谐振器中的简并TM11模设计了介质双模带通滤波器。作者通过在矩形金属腔的中心添加一上下短路的圆柱形介质块，设计了一款基于简并TM11模的双模介质谐振器，并设计了多款基于该谐振器的单腔与多腔带通滤波器。
2017年，David.R Hendry等人在本领域顶级期刊IEEE Transaction OnMicrowave Theory And Techniques上发表题为“Triple-Mode Ceramic Cavity FilterWith Wide Spurious-Free Performance”的文章，利用矩形介质谐振器中的简并TE01模设计了具有宽阻带抑制特性的介质多模带通滤波器。作者通过对矩形介质块进行表面镀银处理构建了基本的三模谐振器单元，并进一步调整不同介质谐振器的尺寸比设计了一款基于TE01模，具有宽阻带抑制特性的带通滤波器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，该滤波器采用的谐振器为基于电容加载的介质三模谐振器，具有体积小、高品质因数、功率容量大的优点。此外，采用的是开槽耦合结构，能满足小型化、特性好、易于加工的设计要求。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，包括基于电容加载的介质三模谐振器、第一耦合槽、第二耦合槽以及输入馈电端口和输出馈电端口；所述介质三模谐振器以一矩形金属盒为谐振器外壁，在金属盒底部中心立置有一金属圆柱，其作用是实现电容加载效应，在金属盒内部安装有一个存在通孔的介质块，所述介质块的通孔形状大小与金属圆柱相匹配，且所述金属圆柱容置于该通孔中，所述介质块的底部与金属盒短路连接，其顶部安装有一金属圆盘，用于实现电容加载；所述第一耦合槽、第二耦合槽开设于介质块顶部的金属圆盘中，并处于不同的位置，用于实现各谐振模式之间的耦合；所述输入馈电端口和输出馈电端口结构完全一致，分别垂直安装在金属盒的两个相邻外侧壁上，所述输入馈电端口和输出馈电端口均由SMA接头经金属探针连接耦合金属片组成，用于提供滤波器所需的端口耦合。
所述耦合金属片为阶跃阻抗结构。
所述耦合金属片为十字形耦合金属片。
所述第一耦合槽位于金属圆盘的中心位置，为十字形耦合槽；所述第二耦合槽处于金属圆盘的边缘位置。
所述介质块为圆柱形介质块。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明所利用的介质三模谐振器，其三个谐振模式的磁场具有平面分布的特点，易于进行平面布局设计。
2、本发明所利用的介质三模谐振器，利用了电容加载的技术手段，具有低剖面、小型化的优点。
3、本发明所采用的介质三模谐振器，具有较高Q值，并且为全封闭金属结构，所以具有较高选择性以及较高功率容量，可以满足实际多种通信要求。
4、本发明采用的的馈电结构为阶跃阻抗耦合金属片结构，具有端口耦合易于控制的特点。
5、本发明所采用的开槽耦合结构，直接设置在介质顶部的金属圆盘上，具有易于加工，适合批量工业生产，生产成本低的优点。
附图说明
图1为本发明所述介质三模谐振器的三维视图。
图2为本发明所述介质三模谐振器的侧视图。
图3为本发明所述介质三模滤波器的三维视图。
图4为本发明所述介质三模滤波器的俯视图。
图5a为本发明所述介质三模滤波器中TM01的磁场分布平面图。
图5b为本发明所述腔体三模谐振器中TM01的电场分布平面图。
图6a为本发明所述介质三模滤波器中TM11 +的磁场分布平面图。
图6b为本发明所述腔体三模谐振器中TM11 +的电场分布平面图。
图7a为本发明所述介质三模滤波器中TM11 -的磁场分布平面图。
图7b为本发明所述腔体三模谐振器中TM11 -的电场分布平面图。
图8a为介质块顶部金属圆盘的半径Dr变化时谐振器内各谐振模式的频率变化曲线。
图8b为介质块中心金属圆柱的高度Sh1变化时谐振器内各谐振模式的频率变化曲线。
图9a为本发明的馈电端口结构示意图。
图9b为馈电端口中阶跃阻抗耦合片长度L1变化下滤波器的外部品质因数Qex的仿真结果图。
图9c为馈电端口中阶跃阻抗耦合片长度L2变化下滤波器的外部品质因数Qex的仿真结果图。
图10a为本发明所述金属圆盘中耦合槽的结构示意图。
图10b为介质块顶部金属圆盘中耦合槽长度Slot1变化下滤波器的耦合系数K1的仿真结果图。
图10c为介质块顶部金属圆盘中耦合槽长度Slot2变化下滤波器的耦合系数K2的仿真结果图。
图11为本发明所述介质三模滤波器的插入损耗(|S21|)与回波损耗(|S11|)仿真曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所提供的基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器不仅涉及基于电容加载的介质三模谐振器，也涉及阶跃阻抗耦合片与开槽耦合结构。介质三模谐振器的尺寸用于控制滤波器通带的中心频率，耦合金属片的尺寸和耦合槽的尺寸则分别控制滤波器的外部品质因素Qex与各模式之间的耦合系数K，而外部品质因数与耦合系数共同决定了滤波器的通带带宽。
图1、图2、图3、图4展示了实施例所述介质三模谐振器与滤波器的结构示意图，包括基于电容加载的介质三模谐振器1、第一耦合槽2、第二耦合槽3以及输入馈电端口6与输出馈电端口7；所述介质三模谐振器1以一矩形金属盒8为谐振器外壁，在金属盒底部中心立置有一金属圆柱9，其作用是实现电容加载效应，在金属盒内部安装有一个存在通孔的圆柱形介质块10，该圆柱形介质块10的通孔形状大小与金属圆柱9相匹配，且所述金属圆柱9容置于该通孔中，圆柱形介质块10的底部与金属盒短路连接，其顶部放置有一金属圆盘11，用于实现电容加载效应；所述第一耦合槽2、第二耦合槽3开设于圆柱形介质块10顶部的金属圆盘11中，并处于不同的位置，用于实现各谐振模式之间的耦合。所述输入馈电端口6和输出馈电端口7结构完全一致，分别垂直安装在金属盒的两个相邻外侧壁上，所述输入馈电端口6和输出馈电端口7均由SMA接头14经金属探针12连接耦合金属片13组成，用于提供滤波器所需的端口耦合。
图5、图6与图7依次为本发明所述介质三模谐振器中的TM01模、TM11 +模与TM11 -模的电磁场分布图，其中TM11 +与TM11 -为一对空间简并模。由三个谐振模式的电场分布，可发现TM01的电场主要集中在圆柱形介质块的中心，而TM11 +与TM11 -的电场则主要集中在圆柱形介质块的边缘部分。因此，分别在介质块的顶部与中心引入电容加载，则可有效控制三个谐振模式的谐振频率，实现三模简并特性。为说明这一特性，图8a与图8b进一步展示了介质块顶部金属圆盘11的半径Dr与金属圆柱9的高度Sh1变化时，三模介质谐振器内部TM11+模、TM11-模以及TM01模的频率变化曲线。
图9a为本发明的馈电端口结构示意图，该馈电结构由SMA接头14经金属探针12连接耦合金属片13组成。所述耦合金属片13为阶跃阻抗结构(具体呈十字形结构)，这是由所激励谐振模式的电场分布决定的，因阶梯阻抗耦合金属片能够与所需激励的TM11模的电场最大程度重合，实现准确激励。图9b与图9c中的Qex变化曲线则充分说明了这一点，即通过调整耦合片长度L1与L2能够有效控制滤波器的外部品质因数Qex。
如图4所示，在本发明所述介质块顶部的金属圆盘11中，存在多个用于实现不同谐振模式之间耦合的耦合槽结构，按照所需耦合模式的数量与电磁场分布的不同，这些耦合槽的数量与所处位置也会相应变化。图10a为本实施例所述金属圆盘11中的耦合槽的结构示意图，这些耦合槽依次为第一耦合槽2、第二耦合槽3。其中第一耦合槽2位于金属圆盘11的中心，由两个相互正交的矩形槽4和矩形槽5重叠而成，其中矩形槽4用于实现TM11+模与TM01模之间的耦合，而矩形槽5则用于实现TM11-模与TM01模之间的耦合，改变矩形槽4和矩形槽5中任意一槽的长度便可有效控制TM11+模(TM11-模)与TM01模之间的耦合强度，图10b中耦合系数K1随SLot1的变化曲线充分说明了这一效果。此外，第二耦合槽3则处于金属圆盘11边缘TM11+模与TM11-模之间的位置，主要用于控制TM11+模与TM11-模之间的耦合，即实现交叉耦合产生带外传输零点，图10c中耦合系数K2与SLot2的变化关系则有效地说明了这一点。
图11展示的是本实施例所述基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器的插入损耗(|S21|)与回波损耗(|S11|)的仿真结果，从图中可以发现，仿真的滤波器中心频率为1373MHz，|S21|3dB带宽范围为1355MHz-1391MHz，在1365MHz-1390MHz(18％)范围内，其回波损耗均超过15dB，性能优良，且带外高频处存在两个传输零点，能有效改善滤波器的带外抑制特性，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，其特征在于：包括基于电容加载的介质三模谐振器、第一耦合槽、第二耦合槽以及输入馈电端口和输出馈电端口；所述介质三模谐振器以一矩形金属盒为谐振器外壁，在金属盒底部中心立置有一金属圆柱，其作用是实现电容加载效应，在金属盒内部安装有一个存在通孔的介质块，所述介质块的通孔形状大小与金属圆柱相匹配，且所述金属圆柱容置于该通孔中，所述介质块的底部与金属盒短路连接，其顶部安装有一金属圆盘，用于实现电容加载；所述第一耦合槽、第二耦合槽开设于介质块顶部的金属圆盘中，并处于不同的位置，用于实现各谐振模式之间的耦合；所述输入馈电端口和输出馈电端口结构完全一致，分别垂直安装在金属盒的两个相邻外侧壁上，所述输入馈电端口和输出馈电端口均由SMA接头经金属探针连接耦合金属片组成，用于提供滤波器所需的端口耦合；所述第一耦合槽位于金属圆盘的中心位置，为十字形耦合槽；所述第二耦合槽处于金属圆盘的边缘位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，其特征在于：所述耦合金属片为阶跃阻抗结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，其特征在于：所述耦合金属片为十字形耦合金属片。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容加载与开槽耦合的介质三模滤波器，其特征在于：所述介质块为圆柱形介质块。
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