专利名称：Sir同轴腔体带通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带通滤波器，具体涉及一种能实现高性能小型化的3G通信基站带通滤波器，应用于无线通信技术领域中。
背景技术：
微波带通滤波器是现代3G通信系统中发射端和接收端必不可少的选频器件，其性能的好坏往往会影响整个通信系统的质量。随着无线通信的快速发展，信号之间的频带越来越窄，这就对滤波器的规格和选频性能的要求越来越苛刻。同轴腔体滤波器因为具有高Q值、低插入损耗、高选择性、易于实现等优点而广泛应用于现代移动通信系统中。3G手机基站通信系统也普遍采用了同轴腔体滤波器，因为只有同轴腔体滤波器才能满足其对滤波器小型化、低插入损耗、高选择性的要求。传统的同轴腔体带通滤波器具有由谐振器单元耦合形成的多腔体梳状滤波器结构，参见图12，谐振器单元由内部金属传输线、与内层金属传输线同轴的外层筒状金属壁和中间介质层三部分组成，中间介质层位于内部金属传输线和外层筒状金属壁之间的谐振腔体内，外层筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将中间介质层固定于谐振腔体中，内部金属传输线为均勻阻抗谐振杆，形成均勻阻抗的谐振器UIR，传统的同轴腔体带通滤波器体积较大，谐波抑制特性不好，选择性不理想，在现代移动通讯系统中的应用受到限制，不能很好地满足滤波器小型化、低插入损耗、高选择性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SIR同轴腔体带通滤波器，目的在于针对目前市场上应用的通信基站滤波器体积过大、谐波抑制特性不好的缺陷，使滤波器尺寸远小于传统基站滤波器的尺寸，并且带内损耗低，带外抑制能力强，同时还有很好的谐波抑制能力。经过仿真和实测分析，当本发明和传统结构同轴腔体滤波器的中心频率都为IG时，使滤波器的体积减小了 80%以上，实现滤波器的小型化，提高谐波抑制能力。为达到上述发明目的，本发明的构思是
1.使用阶跃阻抗变换器S^代替传统的均勻阻抗谐振器UIR，采用外方内圆的空气或陶瓷介质填充的同轴腔体结构来增加功率容量，SIR谐振器开路端电容加载进一步减少滤波器尺寸，顶端加调谐螺钉用于调谐谐振器的频率和相邻腔体间耦合。2. S^谐振器之间通过开窗和加耦合螺钉进行电容性耦合，耦合结构简单，微调方便，容性耦合产生的耦合电容适合滤波器小型化设计。3.输入输出采用直接耦合结构，50欧姆同轴探头直接焊接在S^谐振杆上，因为抽头线与谐振杆有良好的接触，结构稳定。4. SIR同轴腔体滤波器采用多阶梳状结构，滤波器加工时，腔体内表面和调谐螺钉、耦合螺钉需进行镀银处理以减少插入损耗。5.加工后滤波器包括三部分，即以阶跃阻抗变换器SIR为基本单元的谐振器，谐振器间的电容性耦合结构，直接耦合的输入输出结构，滤波器用空气或陶瓷介质填充，输入输出端口处焊接SMA接头，可用于实际测量。阶跃阻抗变换器WR是由开路面、短路面和它们之间的阶跃结合面组成，短路面和开路面之间为低阻抗同轴传输线和一段高阻抗同轴传输线，合理调节阻抗比可以很好抑制谐波，由于阶跃面和开路面的边缘电容的存在使得谐振器尺寸可以大大减少。谐振器间容性耦合和谐振器开路端的电容加载分别产生的耦合电容和加载电容使得滤波器尺寸进一步缩小。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种SIR同轴腔体带通滤波器，具有由WR基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，S^基本谐振器单元由杆状的内层金属传输线、与内层金属传输线同轴的外层筒状金属壁和中间介质层三部分组成，中间介质层位于内层金属传输线和外层筒状金属壁之间的谐振腔体内，外层筒状金属壁的上下两端设置外层封盖板，将中间介质层固定于谐振腔体中。内层金属传输线是由直径不同的两段同轴传输线结合构成的力g/4阶跃阻抗变换器WR谐振杆，大直径的同轴传输线形成低阻抗谐振杆，小直径的同轴
传输线形成高阻抗谐振杆，低阻抗谐振杆和高阻抗谐振杆之间的连接处形成阶跃阻抗结合面，低阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线开路端，金属传输线开路端的顶端设有开路端同轴挖孔，靠近开路端同轴挖孔的开口方向设置同轴的调谐螺钉，调谐螺钉连接在外层封盖板上，高阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线短路端，梳状滤波器结构中最外侧的两个 SIR基本谐振器单元的高阻抗谐振杆与SMA接头电连接。在相互耦合的任意相邻的两个SIR基本谐振器单元之间设有开窗间隙，在开窗间隙内增设耦合螺钉实现容性耦合，耦合螺钉也连接在外层封盖板上。上述WR基本谐振器单元采用外方内圆同轴腔体结构，外层筒状金属壁为方形金属壳，内层金属传输线为圆杆状。上述筒状金属壁包括四个固定的金属壁和与上下金属盖板，上下金属盖板用螺丝固定。上述调谐螺钉悬伸探入开路端同轴挖孔的深度可调，上述耦合螺钉的一端也连接在外层封盖板上，耦合螺钉的另一端悬伸探入开窗间隙的深度也可调。的相邻腔体间的耦合结构和S^基本谐振器单元是对称结构，由4个S^基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，包括两个外侧S^基本谐振器单元和两个中部S^ 基本谐振器单元。上述SMA接头的一端通过50欧姆的同轴探头与S^基本谐振器单元的高阻抗谐振杆电连接，SMA接头的另一端处增设吸收性材料PML的匹配层。上述中间介质层材料为空气或陶瓷介质。上述各SIR基本谐振器单元的外层筒状金属壁的内表面、调谐螺钉镀层和耦合螺钉镀层的材料为金、银或铜中的任意一种金属或任意几种金属的合金。上述梳状滤波器的耦合结构和S^基本谐振器单元结构是对称结构，外侧S^基本谐振器单元与中部3顶基本谐振器单元之间的耦合螺钉长度大于两个中部5顶基本谐振器单元之间的耦合螺钉长度。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
1.本发明滤波器由阶跃阻抗变换器SIR为基本谐振单元，S^是由两个具有不同特性
5阻抗的同轴传输线，通过阻抗阶跃结合面组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。与传统的均勻同轴传输线谐振器相比，阶跃阻抗变换器SIR由于其阶跃处的电容效应，能大大减少谐振腔的尺寸。SIR的谐振条件取决于阻抗比，一般的均勻阻抗同轴传输线谐振器的谐振条件唯一取决于同轴传输线的长度，因此SIR多了一个自由度而设计滤波器时更加灵活。2. SIR能通过调节阻抗比来很好的控制杂散谐振频率提高谐波抑制能力，所以本发明滤波器具有较宽阻带。3. S^谐振器开路端电容加载以及相邻谐振腔间采用容性耦合结构，产生的加载电容和耦合电容进一步缩小了滤波器的尺寸，因此本发明滤波器具有低插入损耗、高选择性、小型化和宽阻带的优点。4.馈电方式为直接接入，直接耦合结构适合窄带同轴腔体滤波器的设计，同轴探头直接焊接在S^谐振杆上，结构稳定。5.采用梳状滤波器结构，结构简单，降低了加工的复杂度。
图1是本发明实施例一的S^基本谐振器单元的阶跃阻抗谐振器结构示意图。图2是本发明实施例一的S^基本谐振器单元的阶跃阻抗谐振器的尺寸关系图。图3是图2中的A向视图。图4是本发明实施例一的3顶基本谐振器单元的阶跃阻抗谐振器的立体结构示意图。图5是本发明实施例一的梳状滤波器结构中最外侧的3顶基本谐振器单元的结构示意图。图6是本发明实施例一的梳状滤波器结构中最外侧的3顶基本谐振器单元立体结构图。图7是本发明实施例一的相邻的S^基本谐振器单元耦合结构示意图。图8是图7中的B向视图。图9是本发明实施例一的相邻的S^基本谐振器单元耦合立体结构示意图。图10是本发明实施例三的SIR同轴腔体带通滤波器的整体平面结构示意图。图11是本发明实施例三的SIR同轴腔体带通滤波器的整体结构的立体示意图。图12是现有技术中的传统结构的同轴腔体滤波器的整体平面结构示意图。图13是本发明实施例三的SIR同轴腔体带通滤波器仿真的频率响应示意图。图14是本发明实施例三的SIR同轴腔体带通滤波器的谐波抑制特性曲线示意图。图15是现有技术中的传统结构的同轴腔体滤波器仿真的频率响应示意图。图16是本发明实施例四的梳状滤波器结构中最外侧的S^基本谐振器单元结构示意图。
具体实施例方式结合附图，对本发明的优选实施例详述如下 实施例一参见图1 图9，一种SIR同轴腔体带通滤波器，具有由S^基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，S^基本谐振器单元由杆状的内层金属传输线7、与内层金属传输线同轴的外层筒状金属壁1和中间介质层4三部分组成，中间介质层4位于内层金属传输线7 和外层筒状金属壁1之间的谐振腔体内，外层筒状金属壁1的上下两端设置外层封盖板，将中间介质层4固定于谐振腔体中，其特征在于内层金属传输线7是由直径不同的两段同
轴传输线结合构成的〗lf/4阶跃阻抗变换器SIR谐振杆，大直径的同轴传输线形成低阻抗
谐振杆，小直径的同轴传输线形成高阻抗谐振杆，低阻抗谐振杆和高阻抗谐振杆之间的连接处形成阶跃阻抗结合面3，低阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线开路端2，金属传输线开路端2的顶端设有开路端同轴挖孔5，靠近开路端同轴挖孔5的开口方向设置同轴的调谐螺钉6，调谐螺钉6连接在外层封盖板上，高阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线短路端 13，梳状滤波器结构中最外侧的两个S^基本谐振器单元的高阻抗谐振杆与SMA接头9电连接。在本实施例中，型阶跃阻抗谐振器SIR单元示意图如图丨 图4所示，它是由金属传输线开路端2、金属传输线短路端13和它们间的阶跃阻抗结合面3所构成的基本单元。/4型阶跃阻抗变换器S^作为基本谐振单元，在不会减小无载Q值的情况下，可大大减小谐振器尺寸，并通过调节阻抗比可较好地控制杂散频率。由于靠近开路端同轴挖孔 5的开口方向设置同轴的调谐螺钉6，实现金属传输线开路端2的电容加载，进一步缩短了谐振器的尺寸。在本实施例中，阶跃阻抗谐振器被应用到本发明S^同轴腔体通带滤波器中，与一般的均勻阻抗同轴传输线谐振器的谐振条件唯一取决于同轴传输线的长度不同， SIR的谐振条件取决于不同直径的谐振杆的电长度Λ、52和以及阻抗比& ,SIR能通过调节阻抗比&来很好的控制杂散谐振频率提高谐波抑制能力，可以使本发明滤波器具有较宽阻带，因此SIR多了一个自由度而设计滤波器时更加灵活。根据阶跃阻抗谐振器的基本原理和滤波器的综合理论，可应用于3G通信基站的同轴腔体滤波器，滤波器具有很好的杂散频率抑制特性，且其尺寸远比传统基站滤波器小，满足了现代通信系统对滤波器小型化、 低插入损耗、高选择性、宽阻带的要求，能够广泛应用于现代移动通信系统。参见图3、图4、图6、图8和图9，在本实施例中，S^基本谐振器单元采用外方内圆同轴腔体结构，外层筒状金属壁1为方形金属壳，内层金属传输线7为圆杆状。采用外方内圆同轴腔体结构的WR基本谐振器单元的同轴腔体结构可以增加功率容量，并且构造简单，降低了加工的复杂度，便于制造、维护和检测，具有良好的电磁特性。在本实施例中，筒状金属壁1包括四个固定的金属壁和与上下金属盖板，上下金属盖板用螺丝固定。采用筒状金属壁1和上下金属盖板的组装连接方式，结构简单，制造方便。参见图2和图5，在本实施例中，中间介质层4材料为空气或陶瓷介质。在本实施例中，谐振腔体内部介质填充可以是空气或其它介电常数的介质，特别是加载陶瓷介质可以制造低成本的小型化滤波器。在本实施例中，各WR基本谐振器单元的外层筒状金属壁1的内表面、调谐螺钉6 镀层和耦合螺钉12镀层的材料为金、银或铜中的任意一种金属或任意几种金属的合金。在本实施例中，各个谐振器内表面和调谐螺钉、耦合螺钉、耦合螺钉等金属镀层采用导电性能较好的金属材料，如金、或银、或铜，可显著减少滤波器插入损耗。
在本实施例中，根据阶跃阻抗谐振器的基本原理和滤波器的综合理论，本发明的同轴腔体梳状带通滤波器的技术指标要求为中心频 =IGHz,带宽BW=25MHz，带内插入
损耗LO < 0. IdB ,带外衰减>30dB，在/Q ± 30MHz，谐振器的长度小于40mm。根据切比雪夫滤波器综合理论，本发明的最终设计参数为
1.终端外界9值[Qe^Qei ] = [34. 15,34. 15]
2.耦合系数[K12,K23, Km ] =
参见图1，图中特性阻抗和电长度分别为A , i Λ ,若忽略阶跃非连续性和开路端的边缘电容，输入阻抗4的表达式为
权利要求
1.一种SIR同轴腔体带通滤波器，具有由S^基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，所述SIR基本谐振器单元由杆状的内层金属传输线(7)、与所述内层金属传输线同轴的外层筒状金属壁(1)和中间介质层(4)三部分组成，所述中间介质层(4)位于所述内层金属传输线(7)和所述外层筒状金属壁(1)之间的谐振腔体内，所述外层筒状金属壁(1)的上下两端设置外层封盖板，将所述中间介质层(4)固定于谐振腔体中，其特征在于所述内层金属传输线(7)是由直径不同的两段同轴传输线结合构成的力g/4阶跃阻抗变换器WR谐振杆，大直径的同轴传输线形成低阻抗谐振杆，小直径的同轴传输线形成高阻抗谐振杆，所述低阻抗谐振杆和高阻抗谐振杆之间的连接处形成阶跃阻抗结合面(3)，所述低阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线开路端(2)，所述金属传输线开路端(2)的顶端设有开路端同轴挖孔(5)，靠近所述开路端同轴挖孔(5)的开口方向设置同轴的调谐螺钉(6)，所述调谐螺钉(6)连接在所述外层封盖板上，所述高阻抗谐振杆的另一端形成金属传输线短路端(13)，所述梳状滤波器结构中最外侧的两个WR基本谐振器单元的高阻抗谐振杆与SMA接头(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于在相互耦合的任意相邻的两个所述S^基本谐振器单元之间设有开窗间隙(11)，在所述开窗间隙(11)内增设耦合螺钉(12)实现容性耦合，所述耦合螺钉(12)也连接在所述外层封盖板上。
3.根据权利要求2所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述S^基本谐振器单元采用外方内圆同轴腔体结构，所述外层筒状金属壁(1)为方形金属壳，所述内层金属传输线(7)为圆杆状。
4.根据权利要求3所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述筒状金属壁 (1)包括四个固定的金属壁和与上下金属盖板，上下金属盖板用螺丝固定。
5.根据权利要求2所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述调谐螺钉(6) 悬伸探入所述开路端同轴挖孔(5)的深度可调，所述耦合螺钉(12)的一端也连接在所述外层封盖板上，所述耦合螺钉(12)的另一端悬伸探入开窗间隙(11)的深度也可调。
6.根据权利要求2所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述的相邻腔体间的耦合结构和S^基本谐振器单元是对称结构，由4个所述S^基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，包括两个外侧S^基本谐振器单元(a、d)和两个中部S^基本谐振器单元(b、C)。
7.根据权利要求1 6中任意一项所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述SMA接头(9)的一端通过50欧姆的同轴探头(8)与所述S^基本谐振器单元的高阻抗谐振杆电连接，所述SMA接头(9)的另一端处增设吸收性材料PML的匹配层(10)。
8.根据权利要求1 6中任意一项所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述中间介质层(4)材料为空气或陶瓷介质。
9.根据权利要求1 6中任意一项所述的SIR同轴腔体带通滤波器，其特征在于各所述WR基本谐振器单元的外层筒状金属壁(1)的内表面、所述调谐螺钉(6)镀层和所述耦合螺钉(12)镀层的材料为金、银或铜中的任意一种金属或任意几种金属的合金。
10.根据权利要求6所述的WR同轴腔体带通滤波器，其特征在于所述梳状滤波器的耦合结构和S^基本谐振器单元结构是对称结构，所述外侧S^基本谐振器单元(a、d)与中部SIR基本谐振器单元(b、c)之间的耦合螺钉(12)长度(hab、hcd)大于两个中部S^基本谐振器单元(b、c )之间的耦合螺钉(12 )长度(hb。)。
全文摘要
本发明公开了一种SIR同轴腔体带通滤波器，具有由SIR基本谐振器单元耦合形成的梳状滤波器结构，SIR基本谐振器单元由杆状的内层金属传输线、与内层金属传输线同轴的外层筒状金属壁和中间介质层三部分组成，内层金属传输线是由直径不同的两段同轴传输线结合构成的阶跃阻抗变换器SIR谐振杆，金属传输线开路端的顶端设有开路端同轴挖孔，设有调谐螺钉，并具有开窗加耦合螺钉耦合结构和输入输出直接耦合结构。本发明滤波器具有很好的杂散频率抑制特性，且其尺寸远比传统基站滤波器小，满足了现代通信系统对滤波器小型化、低插入损耗、高选择性、宽阻带的要求，能够广泛应用于现代移动通信系统。
文档编号H01P1/212GK102522617SQ20111044568
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者徐标平, 李国辉, 程孝奇, 胡海平, 胡金萍 申请人:上海大学