CN117393984B - 一种正交双脊介质波导谐振器及包含该谐振器的滤波器 - Google Patents
一种正交双脊介质波导谐振器及包含该谐振器的滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种正交双脊介质波导谐振器及包含该谐振器的滤波器。其中，正交双脊介质波导谐振器具有正交布置的上脊和下脊，利用脊波导具有低主模截止频率优异的物理特性，利用此谐振器设计滤波器可以缩小体积、减小插入损耗、抑制高次谐波。设计出一个二阶的正交双脊介质波导带通滤波器与二阶的矩形无脊介质波导带通滤波器相比，体积可以减小三分之二左右。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备组件技术领域，尤其涉及一种正交双脊介质波导谐振器及包含该谐振器的滤波器。
背景技术
随着无线通信系统的快速发展，对射频器件的性能要求也越高，介质波导滤波器以其高品质因数、低插损、高介电常数、较宽的温度范围和灵活的输入输出形式等优点，被广泛应用于现代无线通信系统中。为了适应高数据速率、高覆盖的5G-Advanced新技术，射频通信系统对介质波导滤波器提出了更小尺寸、更低成本的要求。通过结合传统脊波导和介质波导滤波器，组合成性能更优的介质脊波导滤波器，对射频器件小型化的发展具有十分重要的意义。然而现有的介质脊波导滤波器尺寸还不够小，谐波不够远，无载品质因数较低，滤波器损耗较大。
现有技术的缺点主要有两点：
第一点是尺寸偏大。现有的介质脊波导滤波器研究较少，零星的设计中只注重在高次模实现增加传输零点、控制带外抑制。为了实现良好的滤波器性能，这类介质脊波导滤波器具有较大的尺寸难以避免。
第二点是抑制高次谐波方法较少。在介质波导滤波器和介质脊波导滤波器研究中，抑制高次谐波的方法有串联或集成低通滤波器，但会增加电路尺寸和制作成本。
基于此，本发明提出了一种正交双脊介质波导谐振器及包含所述谐振器的滤波器，同时具有小型化、抑制谐波、高品质因数和低插入损耗的优点。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种正交双脊介质波导谐振器及包含有该谐振器的滤波器，该介质波导滤波器同时具有小型化、抑制谐波和低插入损耗的优点。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种正交双脊介质波导谐振器，包括表面金属化的介质波导谐振器，所述介质波导谐振器的上表面开设有横截面呈矩形的上脊，下表面开设有横截面呈矩形的下脊，所述上脊与下脊正交布置。
进一步的，所述上脊的宽度约等于上脊长度的1/3，所述下脊的宽度约等于下脊长度的1/3。
更进一步的，所述上脊的内底与下脊的内底的间距为1.5-2mm。
此外，本发明还要求保护一种二阶正交双脊介质波导带通滤波器，包括两个通过耦合膜片连接的第一介质波导谐振器和第二介质波导谐振器：其特征在于：所述第一介质波导谐振器和第二介质波导谐振器为上述的正交双脊介质波导谐振器，第一介质波导谐振器和第二介质波导谐振器与耦合膜片连接处未金属化，所述第一介质波导谐振器上表面设置有第一金属化盲孔以及与该第一金属化盲孔相接的第一非金属化圆环，所述第二介质波导谐振器上表面设置有第二金属化盲孔以及与该第二金属化盲孔相接的第二非金属化圆环，所述第一金属化盲孔内嵌有输入馈电探针，所述第二金属化盲孔内嵌有输出馈电探针。
本发明二阶正交双脊介质波导带通滤波器还具有输入端同轴连接器和输出端同轴连接器，所述输入端同轴连接器的内导体与输入馈电探针连接，输入端同轴连接器的外导体与第一介质波导谐振器的表面金属层连接；输出端同轴连接器的内导体与输出馈电探针连接，输出端同轴连接器的外导体与第二介质波导谐振器的表面金属层连接。
本发明利用两个正交双脊介质波导谐振器构成了一个二阶介质波导带通滤波器。设计的谐振器是在原矩形介质波导基础上，分别在上表面和下表面开一个矩形脊，利用脊波导具有低主模截止频率优异的物理特性，使其构成正交双脊介质谐振器，利用此谐振器设计滤波器可以缩小体积、减小插入损耗、抑制高次谐波，设计出一个二阶的正交双脊介质波导带通滤波器。与二阶的矩形无脊介质波导带通滤波器相比，体积可以减小三分之二左右。
本发明提出的二阶正交双脊介质波导带通滤波器同时具有小型化、抑制谐波和低插入损耗的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1是本发明滤波器所用的正交双脊介质波导谐振器三维结构示意图。
图2是本发明二阶正交双脊介质波导带通滤波器立体图。
图3是本发明二阶正交双脊介质波导带通滤波器俯视图。
图4是对照介质波导谐振器示意图，(a)矩形无脊介质波导谐振器，(b)矩形平行双脊介质波导谐振器。
图5是本发明矩形正交双脊谐振器的脊宽对模式影响的仿真结果，(a)谐振频率，(b)无载品质因数。
图6是本发明矩形正交双脊谐振器的双脊间距对模式影响的仿真结果，(a)谐振频率，(b)无载品质因数。
图7是本发明二阶矩形正交双脊介质波导带通滤波器的S参数仿真结果。
图8是二阶矩形平行双脊介质波导谐振器的三维结构图。
图9是二阶矩形平行双脊介质波导谐振器的S参数仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，本实施例正交双脊介质波导谐振器，包括表面金属化的矩形介质波导谐振器(谐振器也可采用圆柱形)，介质波导谐振器的上表面开设有横截面呈矩形的上脊A，下表面开设有横截面呈矩形的下脊B，上脊A与下脊B正交布置。具体来说，上脊A平行于X轴设置，下脊B平行于Z轴设置。两条脊长度和宽度可以不相等，位于各自表面的中心处。
作为对比，图4给出了矩形无脊、平行双脊介质波导谐振器的三维结构图。本实施例正交双脊介质波导谐振器，与矩形无脊、矩形平行双脊的前两个模式的谐振频率和无载品质因数对比仿真值如表1所示。
表1矩形正交双脊、矩形平行双脊、矩形无脊的前两个模式谐振频率和无载品质因数对比仿真结果
正交双脊介质波导谐振器的长和宽均为22mm，高度为7.47mm，矩形无脊的尺寸边长为33.15mm却要比矩形正交双脊的大1.5倍，矩形平行双脊的尺寸为26.43mm也比矩形正交双脊的大1.2倍；矩形正交双脊主模的谐振频率在1.419GHz，第一高次模的谐振频率在3.333GHz，而与之进行对比的矩形无脊的主模的谐振频率也在1.419GHz处，第一高次模的谐振频率在2.244GHz，同样主模的谐振频率在1.419GHz的矩形平行双脊，其第一高次模的谐振频率在2.6GHz；谐振器工作在主模时，体积最大的矩形无脊其无载品质因数也是最大的2074，体积最小的矩形正交双脊无载品质因数维持在1292，而矩形平行双脊无载品质因数则很低只有764。由此可以看出该发明的谐振器能够在缩小尺寸的同时抑制高次谐波、保持适中的无载品质因数的优点。
当同时改变矩形正交双脊脊宽(图2中的上脊的宽度J2和下脊的宽度J4)且其他参数不变时，谐振器的谐振频率和无载品质因数仿真结果如图5所示，脊宽越接近边长的二分之一，其主模的谐振频率越小，而随着脊宽的增加，前两个模式的无载品质因数会降低。考虑到谐振器尺寸和抑制二次谐波的效果，建议将上脊的宽度设置为约等于上脊长度的1/3，下脊的宽度约等于下脊长度的1/3。当矩形正交双脊脊间距变化(脊间距为谐振器高度减去上脊的高度J1和下脊的高度J3)且其他参数不变时，谐振器的谐振频率和无载品质因数仿真结果如图6所示，当脊间距增加，主模谐振频率会增大，前两个模式的无载品质因数也会跟着增加，只有第一高次模的谐振频率先减小后缓慢增大。理论上，上脊的内底与下脊的内底的间距越小越好，但过小的间距会降低器件的结构强度，并且给工业化制造带来难度。因此建议上脊的内底与下脊的内底的间距在1.5-2mm之间为宜。由上可以看出，谐振器中的脊长、脊高都能够影响其谐振频率和品质因数。
实施例二
如图2、图3所示，本发明基于矩形正交双脊谐振器的小型化介质波导带通滤波器，包括：介质块、输入端同轴连接器1和输出端同轴连接器9。
介质块由介质陶瓷材料烧制而成，包括两个通过耦合膜片O1连接的第一介质波导谐振器R1和第二介质波导谐振器R2。第一介质波导谐振器R1和第二介质波导谐振器R2为实施例一的正交双脊介质波导谐振器。第一介质波导谐振器R1上表面设置有第一金属化盲孔3以及与该第一金属化盲孔3相接的第一非金属化圆环2，第二介质波导谐振器R2上表面设置有第二金属化盲孔7以及与该第二金属化盲孔7相接的第二非金属化圆环8。除了这两个非金属圆环，以及第一介质波导谐振器R1、第二介质波导谐振器R2与耦合膜片O1连接处未金属化外，介质块的其他部分均镀银以实现金属化(耦合膜片O1为与谐振器相同材料的介质片，耦合膜片O1与空气接触的表面被金属化。)。两个金属化盲孔均不位于中心位置且深度相同，两个金属化盲孔的深度小于谐振器的高度减去下脊的高度。图2中，J1和J2是上脊的脊高和脊宽，J3和J4是下脊的脊高和脊宽，耦合膜片O1位于R1和R2紧贴面的中间，4、5和6分别是耦合膜片的宽度、高度和长度。
如图2所示，第一金属化盲孔3内嵌有输入馈电探针P1，输入端同轴连接器1的内导体与输入馈电探针P1连接，输入端同轴连接器1的外导体与第一介质波导谐振器R1的表面金属层连接。第二金属化盲孔7内嵌有输出馈电探针P2，输出端同轴连接器9的内导体与输出馈电探针P2连接，输出端同轴连接器9的外导体与第二介质波导谐振器R2的表面金属层连接。如图3所示，两非金属化圆环的外环直径Fout是内环直径Fin的2倍，用于确保50Ω端口匹配。
同轴连接器作为输入输出端口对滤波器进行馈电，其同轴内导体内嵌入介质块中的输入馈电探针P1和输出馈电探针P2深度决定输入输出端口的耦合强度。即：通过调整输入馈电探针P1的插入深度进行输入端口耦合强度的调节；通过调整输出馈电探针P2的插入深度进行输出端口耦合强度的调节。
下面描述该二阶滤波器的工作过程：
信号由输入端同轴连接器1经输入馈电探针P1和第一金属化盲孔3馈入第一介质波导谐振器R1，通过耦合膜片O1进行耦合，实现源负载耦合，然后经第二金属化盲孔7和输出馈电探针P2后从输出端同轴连接器9输出。
本实施例二阶正交双脊介质波导带通滤波器的仿真结果如图7所示。由图中可以看出，该滤波器中心频率f0为1.33GHz，二次谐波在2.85GHz(即2.15f0)处，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗最大为0.17dB，3dB通带范围1290-1380MHz，工作带宽为90MHz，相对带宽是6.8％。选择另外一个矩形平行双脊介质波导带通滤波器与其进行对比，其各参数对比仿真结果如表2所示。
表2矩形正交双脊、矩形平行双脊介质波导滤波器各参数对比仿真结果
矩形平行双脊介质波导带通滤波器三维结构图如图8、仿真结果如图9所示，二阶平行双脊介质波导带通滤波器中心频率f0为1.33GHz，二次谐波在1.83GHz(即1.38f0)处，通带内回波损耗大于20dB，插入损耗最大为0.32dB，3dB通带范围1290-1360MHz，工作带宽为70MHz，相对带宽是5.2％。由对比参数可以看出，该二阶正交双脊介质波导带通滤波器利用两个矩形正交双脊谐振器，实现了在减小滤波器体积的情况下，降低插入损耗，抑制二次谐波，减小制作成本，具有较高的实用性。
上述仿真结果均为计算机模拟结果。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种正交双脊介质波导谐振器，包括表面金属化的介质波导谐振器，所述介质波导谐振器的上表面开设有横截面呈矩形的上脊（A），下表面开设有横截面呈矩形的下脊（B），所述上脊（A）与下脊（B）正交布置，所述上脊（A）与下脊（B）分别位于所述上表面和下表面的中心处。
2. 根据权利要求1所述的正交双脊介质波导谐振器，其特征在于： 所述上脊的宽度约等于上脊长度的1/3，所述下脊的宽度约等于下脊长度的1/3。
3.根据权利要求1所述的正交双脊介质波导谐振器，其特征在于：所述上脊的内底与下脊的内底的间距为1.5-2mm。
4.一种二阶正交双脊介质波导带通滤波器，包括两个通过耦合膜片（O1）连接的第一介质波导谐振器（R1）和第二介质波导谐振器（R2）：其特征在于：所述第一介质波导谐振器（R1）和第二介质波导谐振器（R2）为权利要求1所述的正交双脊介质波导谐振器，第一介质波导谐振器（R1）和第二介质波导谐振器（R2）与耦合膜片（O1）连接处未金属化，所述第一介质波导谐振器（R1）上表面设置有第一金属化盲孔（3）以及与该第一金属化盲孔（3）相接的第一非金属化圆环（2），所述第二介质波导谐振器（R2）上表面设置有第二金属化盲孔（7）以及与该第二金属化盲孔（7）相接的第二非金属化圆环（8），所述第一金属化盲孔（3）内嵌有输入馈电探针（P1），所述第二金属化盲孔（7）内嵌有输出馈电探针（P2）。
5.根据权利要求4所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：还具有输入端同轴连接器（1）和输出端同轴连接器（9），所述输入端同轴连接器（1）的内导体与输入馈电探针（P1）连接，输入端同轴连接器（1）的外导体与第一介质波导谐振器（R1）的表面金属层连接；输出端同轴连接器（9）的内导体与输出馈电探针（P2）连接，输出端同轴连接器（9）的外导体与第二介质波导谐振器（R2）的表面金属层连接。
6.根据权利要求4所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：第一非金属化圆环（2）的外径是内径的两倍，第二非金属化圆环（8）的外径是内径的两倍。
7.根据权利要求4所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：通过调整输入馈电探针（P1）的插入深度进行输入端口耦合强度的调节；通过调整输出馈电探针（P2）的插入深度进行输出端口耦合强度的调节。
8.根据权利要求4所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：所述第一金属化盲孔（3）和第二金属化盲孔（7）的深度相同，并且该深度小于谐振器的高度减去下脊的高度。
9.根据权利要求4所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：所述耦合膜片（O1）为与谐振器相同材料的介质片，所述耦合膜片（O1）与空气接触的表面被金属化。
10.根据权利要求9所述的二阶正交双脊介质波导带通滤波器，其特征在于：信号由输入端同轴连接器（1）经输入馈电探针（P1）和第一金属化盲孔（3）馈入第一介质波导谐振器（R1），通过耦合膜片（O1）进行耦合，实现源负载耦合，然后经第二金属化盲孔（7）和输出馈电探针（P2）后从输出端同轴连接器（9）输出。
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