CN109149037B - 一种基于tm模式的介质双模带通滤波器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波通信技术领域，公开了一种基于TM模式的介质双模带通滤波器及控制方法，滤波器包括介质谐振器，所述介质谐振器的外表面镀银；通过所述介质谐振器的半径控制其谐振模式的谐振频率；在所述介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处开一个通孔，通过所述通孔控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度；在与所述介质谐振器谐振模式电场平行的方向引入同轴探针作为端口耦合结构，通过所述同轴探针的位置及同轴探针内导体的长度控制外部品质因数。本发明的介质双模带通滤波器结构简单，体积小，实现方便，采用介质谐振器表面镀银的方法，不需要金属外腔，与传统介质滤波器不同。
Description
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，尤其涉及一种基于TM模式的介质双模带通滤波器及控制方法。
背景技术
微波滤波器是无线通信系统射频前端的重要器件，对整个无线通信系统的性能有直接的影响。微波滤波器可以对通信过程中所需要的频率进行选择，让其能够顺利通过，同时抑制不需要的频率，避免其对通信带来影响，从而保证良好的通信信号传输，提高通信质量。
随着无线通信系统的迅猛发展，频谱资源变得愈发的稀缺，无线信号间的频率间隙也随之越来越小，这对微波滤波器的性能提出了更高的要求。由于介质双模滤波器具有较高的Q值、相对小的体积以及良好的热稳定性，因此成为实现高性能微波滤波器的理想解决途径，被广泛应用于蜂窝基站等无线通信设备中。传统的介质双模滤波器利用外部金属腔体来实现对电磁波的屏蔽，大大增加了滤波器的体积；利用切角技术或者螺钉技术来实现谐振频率控制和谐振模式之间的耦合，增加了加工的技术难度与成本。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
(1)1999年，国外学者Ian C.Hunter等人在IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques上发表了题为“Dual-Mode Filters With Conductor-LoadedDielectric Resonators”的研究论文，提出了一种基于HE11d简并模式的介质双模滤波器。该滤波器包括一个高介电常数的圆形介质谐振器，一个位于介质谐振器上表面的金属圆盘以及外部金属腔体。该滤波器的腔内耦合是通过对金属圆盘进行开槽，然后通过控制开槽结构的深度和宽度来实现的，开槽的位置位于HE11d简并模两个模式的场分布相交处；相邻两个金属腔体之间谐振模式的耦合，则通过在两个腔体之间进行开窗引入磁耦合来实现。
(2)2009年，国外学者Raafat R.Mansour等人在IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques上发表了题为“Quad-Mode and Dual-ModeDielectric Resonator Filters”的研究论文，提出了一种基于1/2HEH11模和1/2HEE11模的半圆形介质双模滤波器。通过控制半圆形介质谐振器的尺寸比D/L(直径/高度)可以实现1/2HEH11模和1/2HEE11模谐振频率的靠近，然后采用螺钉结构对电场进行微扰，从而实现对这两个模式的谐振频率和耦合强度的控制。
(3)2013年，香港学者Ke-Li Wu等人在IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques上发表了题为“A TM11Dual-Mode Dielectric Resonator Filter WithPlanar Coupling Configuration”的研究论文，文中采用圆柱形介质谐振器的一对TM11简并模式，通过在介质谐振器中挖多个孔并插入金属螺钉，实现对两个模式频率的控制和模式间耦合强度的控制，从而设计介质双模滤波器。
(4)2016年，我国学者Qing-Xin Chu等人在IEEE International Workshop onElectromagnetics(IWEM2016)上发表了题为“A Dual-Mode Dielectric ResonatorFilter With Metal Patches”的研究论文，提出了一种基于贴片结构的介质双模带通滤波器。该滤波器采用放置于金属腔体中的方形介质块作为谐振器，通过在其不同位置表面贴金属贴片，实现对TM120与TM210两个简并谐振模式的频率控制与耦合控制。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)已公开的介质双模滤波器文章或专利文献，通常在介质谐振器外部采用金属腔体来实现电磁波的屏蔽，该金属腔体不仅增大了滤波器的体积，而且增加了结构加工的技术难度与加工成本。
(2)已公开的介质双模滤波器文章或专利文献中，介质谐振器两个谐振模式的谐振频率以及两个谐振模式之间的耦合强度通常采用对介质块进行切角，或者通过插入螺钉来进行控制，结构较复杂，体积较大，加工技术难度大且成本高。
(3)已公开的介质双模滤波器文章或专利文献多涉及单腔介质双模滤波器，不适合多阶多腔高性能滤波器设计，所提方法和结构实现的滤波性能有限。即使拓展设计为多阶多腔滤波器，其不同谐振器间的耦合通常采用对金属外腔进行开窗来实现，结构较复杂。
解决上述技术问题的难度和意义：
难度：现有技术如何能够有效减少滤波器的体积，同时保持高滤波性能是比较困难的。
本发明解决现有技术问题后带来的意义：本发明通过在介质谐振器表面镀银来实现电磁波的屏蔽，取代了传统介质双模滤波器的金属外腔，同时采用一对TM简并模谐振模式，可大幅缩减滤波器的体积；通过圆柱形介质谐振器底面镀银层的水平/垂直耦合缝隙实现多阶多腔滤波器中不同谐振器之间的耦合，耦合结构简单，成本低，可方便地扩展到多阶多腔介质双模带通滤波器设计，以获得更高的带外抑制，更为陡峭的过渡带等高性能带通滤波器指标；同时容易引入传输零点，进一步提高滤波器的性能，解决现有单腔介质双模滤波器结构复杂，所实现的滤波性能有限等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于TM模式的介质双模带通滤波器及控制方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法，包括：
对圆柱形介质谐振器外表面镀银，利用圆柱形介质谐振器的半径控制其两个谐振模式的谐振频率，随着圆柱形介质谐振器半径的增大，谐振频率随之减小；
在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，所述通孔的半径和通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离用于控制谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。随着通孔的半径增大，耦合强度随之增大，随着通孔离圆柱形介质谐振器中心轴线的距离增大，耦合强度随之减小；
在与所述介质谐振器谐振模式电场平行的方向引入同轴探针作为端口耦合结构，通过所述同轴探针的位置及同轴探针内导体的长度控制外部品质因数。
本发明另一目的在于提供一种蜂窝基站通信设备，所述蜂窝基站通信设备至少搭载运行所述基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法的控制器。
本发明另一目的在于提供一种实施所述基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法的基于TM模式的介质双模带通滤波器，所述基于TM模式的介质双模带通滤波器包括圆柱形介质谐振器；
圆柱形介质谐振器外表面镀有银层，利用圆柱形介质谐振器的半径增大或减小控制圆柱形介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；
在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，利用所述通孔的半径和通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离控制谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。
进一步，所述圆柱形介质谐振器在底面X轴处设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴探针；所述第一同轴探针用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；
所述圆柱形介质谐振器在底面Y轴处设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴探针；所述第二同轴探针用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
进一步，所述圆柱形介质谐振器或为方形介质谐振器、盘形介质谐振器或多边形介质谐振器。
进一步，第一端口和第二端口可以作为输入端口，或作为输出端口。
本发明另一目的在于提供一种电磁波通信设备，所述电磁波通信设备至少搭载所述的基于TM模式的介质双模带通滤波器。
综上所述，本发明的优点及有益效果为：
(1)本发明的介质双模带通滤波器利用介质谐振器外表面的镀银层来实现对电磁波的屏蔽，代替了传统介质滤波器的金属外腔，同时采用一对TM简并模谐振模式，从而可大幅缩减滤波器的体积；
(2)本发明的介质双模带通滤波器利用圆柱形介质谐振器的半径控制其两个谐振模式的谐振频率，利用在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)所开通孔的半径，以及通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离控制谐振器两个谐振模式之间的耦合强度，代替了传统设计中对介质块的切角操作，同时避免了耦合螺钉的使用，从而极大程度减小了介质谐振器的加工难度和加工成本。利用这种技术设计的介质双模滤波器在具备高性能的同时，结构简单，实现方便；
(3)本发明所涉及的介质双模带通滤波器，通过采用在圆柱形介质谐振器轴线方向上级联的方式，可以方便地实现高性能多阶多腔带通滤波器，获得更高的带外抑制，更为陡峭的过渡带等指标，同时容易引入传输零点，进一步提高滤波器的性能，解决现有单腔介质双模滤波器结构复杂，所实现的滤波性能有限等问题。所实现的多阶多腔滤波器中不同谐振器之间的耦合通过圆柱形介质谐振器底面(级联接触面)镀银层的水平/垂直耦合缝隙实现，该耦合方式结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于TM模式的介质双模带通滤波器立体结构示意图。
图中：1、外表面镀银的介质谐振器；2、通孔；3、第一同轴探针；4、第二同轴探针。
图2为本发明实施例1的介质谐振器简并模TM11+模式的磁场分布图。
图3为本发明实施例1的介质谐振器简并模TM11-模式的磁场分布图。
图4为本发明实施例1的介质谐振器不同谐振模式谐振频率控制曲线图。
图5为本发明实施例1的介质谐振器在两个简并模TM11+模式与TM11-模式的磁场分布交加处开通孔的结构图。
图6为本发明实施例1的介质谐振器TM11+模式与TM11-模式之间的耦合强度随通孔半径变化的控制曲线图。
图7为本发明实施例1的介质谐振器TM11+模式与TM11-模式之间的耦合强度随通孔位置变化的控制曲线图。
图8为本发明实施例1的第一端口与介质谐振器间设置耦合探针的结构图。
图9为本发明实施例1的端口耦合强度(外部品质因数)控制曲线图。
图10为本发明实施例1的二阶介质双模带通滤波器S参数频率响应曲线图。
图11为本发明实施例2的四阶介质双模带通滤波器耦合拓扑结构图。
图12为本发明实施例2提供的四阶介质双模带通滤波器的立体结构示意图。
图中：1、外表面镀银的介质谐振器；2、第一通孔；3、第二通孔；4、第一同轴探针；5、第二同轴探针；6、第一耦合缝隙；7、第二耦合缝隙。
图13为本发明实施例2的四阶介质双模带通滤波器腔间耦合强度随耦合缝隙尺寸变化的控制曲线图。
图14为本发明实施例2的四阶介质双模带通滤波器S参数频率响应曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明了，以下结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述与说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
传统的介质双模滤波器利用外部金属腔体来实现对电磁波的屏蔽，利用切角技术或者螺钉技术来实现谐振频率控制和谐振模式之间的耦合，不仅增大了滤波器的体积，同时增大了加工的技术难度，增加了加工成本。
本发明实施例提供的基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法，包括：
对圆柱形介质谐振器外表面镀银，利用圆柱形介质谐振器的半径控制其两个谐振模式的谐振频率，随着圆柱形介质谐振器半径的增大，谐振频率随之减小；
在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，所述通孔的半径和通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离用于控制谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。随着通孔的半径增大，耦合强度随之增大，随着通孔离圆柱形介质谐振器中心轴线的距离增大，耦合强度随之减小；
在与所述介质谐振器谐振模式电场平行的方向引入同轴探针作为端口耦合结构，通过所述同轴探针的位置及同轴探针内导体的长度控制外部品质因数。
本发明实施例提供的基于TM模式的介质双模带通滤波器包括圆柱形介质谐振器：
圆柱形介质谐振器外表面镀有银层，利用圆柱形介质谐振器的半径增大或减小控制圆柱形介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；
在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，利用所述通孔的半径和通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离控制谐振器两个谐振模式之间的耦合强度；
所述圆柱形介质谐振器在底面X轴处设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴探针；所述第一同轴探针用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；
所述圆柱形介质谐振器在底面Y轴处设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴探针；所述第二同轴探针用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
所述圆柱形介质谐振器或为方形介质谐振器、盘形介质谐振器或多边形介质谐振器。
第一端口和第二端口可以作为输入端口，或作为输出端口。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
如图1所示，本实施例的介质双模带通滤波器包括外表面镀银的介质谐振器1，所示介质谐振器1为圆柱形，其半径为18mm，高度为9mm。圆柱形介质谐振器1的上、下两个底面相当于短路，采用的一对TM谐振模式为简并模，称为TM11+模式与TM11-模式，两个谐振模式相互正交；
所述介质谐振器1在两个谐振模式(TM11+模式和TM11-模式)的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔2，所述通孔2用于控制介质谐振器1两个谐振模式间的耦合强度；
所述介质谐振器1底面的X轴上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴探针3，用于控制第一端口与激励的谐振模式(TM11+模式)之间的耦合强度，即端口耦合强度；
所述介质谐振器1底面的Y轴上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴探针4，用于控制第二端口与激励的谐振模式(TM11-模式)之间的耦合强度，即端口耦合强度；
实施例1的介质双模带通滤波器设计的分析过程如下：
(1)表面镀银圆柱形介质谐振器1的上下底面与侧面均镀银，采用的一对TM谐振模式为简并模，称为TM11+模式和TM11-模式，两个谐振模式的磁场分布分别如图2和图3所示。
(2)介质谐振器1的高度对TM11+模式和TM11-模式的谐振频率没有影响。如图4所示，TM11+模式和TM11-模式谐振频率相同，随着介质谐振器1的半径增大，谐振频率随之减小。
(3)如图5所示，通过在两个谐振模式的磁场分布交加处(即圆柱形介质谐振器底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，可以控制这两个谐振模式的耦合强度。如图6和图7所示，随着通孔的半径(Hole_radius)增大，耦合系数(Coupling coefficient)随之增大，随着通孔与圆柱形介质谐振器中心轴线的距离(Hole_offset)增大，耦合系数(Coupling coefficient)随之减小。
(4)为了实现端口耦合，激励出第一个模式，这里采用的方法是电耦合，同轴探针必须平行于想要激励起的谐振模式的电场分布，图8为本发明实施例1的第一端口与介质谐振器间设置探针耦合的结构图。第一端口激励出的模式是TM11+模式，同轴探针3的位置和探针内导体的长度控制端口耦合强度，这里用外部品质因数Qe体现。如图9所示，随着同轴探针与介质谐振器中心轴线的距离(Probe_offset)增大，Qe随之增大；随着探针内导体的长度(Probe_length)增大，Qe随之减小。
(5)同理，为激励出第二个模式，同轴探针4激励出来的模式是TM11-模式，同轴探针4的位置和探针内导体的长度控制端口耦合强度。
(6)在上述(1)—(5)的分析下，可以通过介质谐振器1的半径控制谐振模式的谐振频率，所开通孔2的半径和位置控制谐振模式间的耦合系数，同轴探针3和4的位置及探针内导体长度控制外部品质因数，于是可设计出本例的介质双模带通滤波器，如图1所示。介质双模带通滤波器的S参数频率响应曲线如图10所示(图中S11指输入端口的回波损耗，S21指输入端口到输出端口的正向插入损耗)。
实施例2：
实施例2的四阶双腔介质双模带通滤波器基于两个上述实施例1的二阶介质双模带通滤波器，采用在圆柱形介质谐振器轴线方向上级联的方式，利用如图11(图中S表示源端，L表示负载端，R1—R4分别表示谐振模式1—4)所示的四阶滤波器线性拓扑结构设计实现。其中，谐振模式1(R1)和谐振模式2(R2)为同一介质谐振器中的两个简并模(TM11+模式和TM11-模式)；谐振模式3(R3)和谐振模式4(R4)为另一介质谐振器中的两个简并模(TM11+模式和TM11-模式)。如图12所示，谐振模式2与谐振模式3之间的耦合，谐振模式1与谐振模式4之间的耦合是通过耦合缝隙6与耦合缝隙7实现的，耦合缝隙的尺寸(长度Aperture_length、宽度Aperture_width)控制腔间耦合强度的大小。如图13所示，随着耦合缝隙长度(Aperture_length)与耦合缝隙宽度(Aperture_width)的增大，腔间耦合系数(Couplingcoefficient)均随之增大。线性拓扑结构四阶双腔介质双模带通滤波器S参数频率响应曲线如图14所示，从图中可以看到，通带带宽为2.2GHz—2.38GHz，通带内回波损耗大于20dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法，其特征在于，所述基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法包括：
对介质谐振器外表面镀银，利用增大或减小所述介质谐振器的半径控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；
在介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处(即底面水平线和垂直线的角平分处)开一通孔，利用所述通孔的半径和通孔与介质谐振器中心轴线的距离控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度；
在与所述介质谐振器谐振模式电场平行的方向引入同轴探针作为端口耦合结构，同轴探针插入介质谐振器内部；通过所述同轴探针的位置及同轴探针内导体的长度控制外部品质因数；
实施所述基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法的基于TM模式的介质双模带通滤波器包括圆柱形介质谐振器；
圆柱形介质谐振器外表面镀有银层，利用圆柱形介质谐振器的半径增大或减小控制圆柱形介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；
在圆柱形介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处开有通孔。
2.如权利要求1所述的基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法，其特征在于，所述圆柱形介质谐振器在底面X轴处设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴探针；所述第一同轴探针用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；
所述圆柱形介质谐振器在底面Y轴处设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴探针；所述第二同轴探针用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。
3.如权利要求2所述的基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法，其特征在于，第一端口和第二端口作为输入端口，或作为输出端口。
4.一种蜂窝基站通信设备，其特征在于，所述蜂窝基站通信设备至少搭载运行权利要求1所述基于TM模式的介质双模带通滤波器控制方法的控制器。
5.一种电磁波通信设备，其特征在于，所述电磁波通信设备至少搭载权利要求1所述的基于TM模式的介质双模带通滤波器。
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