一种滤波器输入输出耦合调谐结构的制作方法

本发明提出一种滤波器输入及输出耦合系数调谐结构，可以应用于性能可调滤波器的工程实现，属于微波工程领域。

背景技术：

目前，微波频段实现低损耗滤波功能器件主要使用腔体滤波器或同轴滤波器。信号由同轴或其它形式馈电输入，通过容性耦合或感性耦合，将能量传递给谐振腔。信号通过一个或多个谐振腔后，再由输出耦合引出滤波器。而常见的实现滤波器可调的办法主要是，调节各个谐振腔的谐振频率和谐振腔之间的耦合系数。通常来说，当滤波器固定后，输入耦合以及输出耦合很难进行调节。因此，一方面在很多可调滤波器工作时，无法通过调节输入耦合或者输出耦合，实现精细调节，以达到更好的性能；另一方面，为了将滤波器输入输出可调特性转移到调节谐振腔特性以及腔间耦合特性，需要增加腔体数目，导致整体滤波器尺寸较大，无法满足对体积尺寸要求较高的场景需求。

技术实现要素：

本发明主要针对滤波器输入输出耦合特性无法调节导致整体滤波性能无法达到最佳的情况，提出了一种滤波器输入输出耦合调谐结构。该结构应用于可调滤波器，可以调谐能量输入输出的耦合大小，从而改善滤波器波形性能。相对于传统单腔滤波器，在同等尺寸下，增加两个调谐变量，能实现更好传输性能；而相对于传统多腔滤波器而言，能够在一定程度上减小滤波器所需腔体数目，从而减小体积。另一方面，该结构采用同轴输入输出接口，便于与应用微波传输系统集成。因此，该发明适用于对性能要求较高以及体积要求严苛的工程场景，尤其适合于航天工程领域。

本发明提出一种滤波器输入输出耦合可调结构，包括滤波器腔体、输入耦合结构和输出耦合结构；其中输入耦合结构与输出耦合结构相对于滤波器腔体中心对称。

输入耦合结构，包括同轴组件、支撑固定组件和耦合调谐组件。其中同轴组件，包括同轴接头(2)和同轴内导体探针(3)，同轴内导体探针(3)的一端和同轴接头(2)相连，同轴内导体探针(3)的另一端和转接杆(8)相连。而支撑固定组件，包括陶瓷柱(5)和转接杆(8)；其中转接杆(8)通过陶瓷柱(5)固定在滤波器腔体壁面上。

耦合调谐组件，包括控制制动装置(10、11)、调谐螺钉(6)、陶瓷接头(7)和耦合盘(4)。

转接杆(8)中心设置螺纹通孔；陶瓷接头(7)的两端设置盲孔，盲孔内设置有内螺纹。

调谐螺钉(6)分成两段，分别为调谐螺钉第一段和调谐螺钉第二段，调谐螺钉第一段的一端作为后端从转接杆(8)上设置的螺纹通孔伸出连接耦合盘(4)，调谐螺钉第一段的另一端螺纹连接陶瓷接头(7)的一端的盲孔；调谐螺钉第二段的一端螺纹连接陶瓷接头(7)的另一端的盲孔，调谐螺钉第二段的另一端作为前端连接控制制动装置(10、11)。

输出耦合结构，包括同轴组件、支撑固定组件和耦合调谐组件；其连接形式与输入耦合结构相同。

能量输入过程如下：

微波能量通过同轴接头(2)和同轴内导体探针(3)馈入；并由同轴内导体探针(3)传递给转接杆(8)；

微波能量由转接杆(8)传递至耦合盘(4)，耦合盘(4)通过空间电磁场耦合，将能量传递至腔体(1)产生谐振场；

能量输出过程如下：

腔体(1)内谐振场能量通过空间电磁场耦合由耦合盘(4)传递给调谐螺钉(6)，再传递与转接杆(8)，最终通过同轴内导体探针(3)由同轴接头(2)引出。本发明与现有技术技术相比，有益效果为：

(1)本发明采用了新颖的输入输出耦合调谐结构，实现了滤波器输入输出耦合特性可调，在相同尺寸条件下，滤波性能更好；

(2)本发明输入输出耦合调谐结构采用调谐螺钉，并将其分为两段，由陶瓷接头(7)相连，减小了微波能量传递到壁面流失。

(3)本发明由于增加了两个可调量，可应用于单腔可调滤波器的性能提升；

(4)本发明无须将输入输出耦合变化通过多腔耦合来实现，减小了滤波器谐振腔数目，大大减小了整体尺寸，为尺寸要求较高的场景提供了滤波解决方案。

(5)本发明配合传统谐振特性可调滤波器使用时，可以实现性能全面提升。

(6)本发明提出一种输入输出耦合系数调谐结构，可以应用于性能可调滤波器的实现。该装置通过调节螺钉进深来调整微波谐振腔的外部耦合特性以及谐振特性，从而滤波器波形频点可调以及带内特性的一定程度可调。本发明由于提出了新颖的输入输出耦合结构，相较传统可调滤波器形式，可以调节输入和输出耦合系数，增加了滤波器的可调参数数量，有利于实现更好的性能。在单谐振腔时，也有三个可调参量，可以实现更好的滤波性能；在多个谐振腔情况，可以减少谐振腔数目，大大减小了整体尺寸，尤其适合在对体积尺寸要求较高的应用场景。

附图说明

图1为典型单腔同轴滤波器输入输出耦合可调结构示意图；

图2为典型三腔同轴滤波器输入输出耦合可调结构示意图；

图3(a)为典型单腔同轴滤波器传输特性随输入及输出耦合调节变化插入损耗的结果；图3(b)为典型单腔同轴滤波器传输特性随输入及输出耦合调节变化回波损耗的结果。

图4(a)为典型单腔滤波器传输特性随谐振调节变化的插入损耗结果；图4(b)为典型单腔滤波器传输特性随谐振调节变化的回波损耗结果

图5(a)为典型三腔同轴滤波器传输特性随输入及输出耦合调节变化的插入损耗结果；图5(b)为典型三腔同轴滤波器传输特性随输入及输出耦合调节变化的回波损耗结果；

图6(a)为典型三腔同轴滤波器传输特性随谐振调节变化的插入损耗结果，图6(b)为典型三腔同轴滤波器传输特性随谐振调节变化的回波损耗结果

具体实施方式

本发明的基本思路为：可以应用于性能可调滤波器的实现。该装置通过调节螺钉进深来调整微波谐振腔的输入耦合特性、输出耦合特性以及谐振特性，从而使滤波器波形频点可调以及带内特性的一定程度可调。本发明由于提出了新颖的输入输出耦合结构，相较传统滤波器形式，可以调节输入和输出耦合系数，增加了滤波器的可调参数数量，有利于实现更好的性能。即使在单谐振腔时，也有三个可调参量，大大减小了整体尺寸，尤其适合在对体积尺寸要求较高的应用场景。

本发明提出一种滤波器输入输出耦合可调结构，主要用于微波频段可调滤波器中，可以起到改善传输特性以及减小体积的作用。该可调结构主要包括滤波器腔体、输入耦合结构和输出耦合结构。输入耦合结构与输出耦合结构在设计上基本一致，分别位于滤波器的输入端面和输出端面。在结构对称的滤波器中，输入耦合结构与输出耦合结构相对于滤波器腔体中心对称。因此，以输入耦合结构为例进行分析。

如图1所示，1-----腔体；2-----同轴接头；3-----同轴接头内导体探针；4-----耦合盘；5-----陶瓷柱；6-----耦合调节螺钉；7-----陶瓷接头；8-----转接杆；10，11-----控制制动装置；

输入耦合结构，包括同轴组件、支撑固定组件和耦合调谐组件三部分。其中同轴组件是连接滤波器内外结构，将微波能量由外部传入内部。同轴组件，包括同轴接头2和同轴内导体探针3。同轴接头2最常用的包括SMA接头和N型接头，根据实际应用情况选择。为了将微波能量传递到活动装置，使用同轴内导体探针3连接同轴接头2和转接杆8。

而为了保证能量有效传递以及耦合调谐组件可实现相对运动，设计了支撑固定组件是用于支撑固定以及连接作用。支撑固定组件，包括陶瓷柱5和转接杆8；其中转接杆8通过陶瓷柱5固定在滤波器腔体1壁面上。

为了使转接杆8与调谐螺钉6紧密结合，在转接杆8中心设置螺纹通孔。由此，保证微波能量在由转接杆8传递调谐螺钉6过程中，尽量减少损失。同时为了避免调谐螺钉6与腔体壁面短路，造成能量流失，在陶瓷接头7的两端设置盲孔，盲孔内设置有内螺纹。

耦合调谐组件，包括控制制动装置10、11、调谐螺钉6、陶瓷接头7和耦合盘4。调谐螺钉6分成两段，其中第一段的一端作为后端从转接杆8上设置的螺纹通孔伸出连接耦合盘4，第一段的另一端螺纹连接陶瓷接头7的一端的盲孔；而第二段的一端螺纹连接陶瓷接头7的另一端的盲孔，第二段的另一端作为前端连接控制制动装置10、11。由此形成了一个联动装置，当控制制动装置10、11工作时，经过陶瓷接头7连接，带动调谐螺钉6转动，最终实现耦合盘4在腔内位置的变化。

输出耦合结构，其组成部分以及连接形式与输入耦合结构相同。

上述结构的设计目的是为了将微波能量与谐振腔的场分布联系起来，并实现能量的顺利传输。

能量输入过程如下：微波能量通过同轴接头2和同轴内导体探针3馈入；并由同轴内导体探针3传递给转接杆8；微波能量由转接杆8传递至耦合盘4，耦合盘4通过空间电磁场耦合，将能量传递至腔体1产生谐振场；

能量输出过程如下：腔体1内谐振场能量通过空间电磁场耦合由耦合盘4传递给调谐螺钉6，再传递与转接杆8，最终通过同轴内导体探针3由同轴接头2引出。

滤波器的传输特性与耦合强度以及谐振特性紧密相关。需要耦合强度与谐振特性达到匹配时，才能获得良好的传输特性。当两者不匹配时，传输特性恶化严重，微波能量大量反射，影响系统正常工作。

本发明所述的一种滤波器输入输出耦合可调结构，可通过输入耦合结构和输出耦合结构对滤波器输入耦合特性及输出耦合特性进行调节。当需要增大输入耦合或输出耦合时，控制制动装置10、11工作，调谐螺钉6转动并向腔内运动，末端的耦合盘4靠近滤波器腔体1中心，与腔体1谐振场的耦合更加紧密，从而实现耦合增大。当需要减小输入耦合时，控制制动装置10、11工作，调谐螺钉6转动并向腔外运动，末端的耦合盘4远离滤波器腔体1中心，与腔体1谐振场的耦合变弱，从而实现耦合减小。

为保证能量损失最小，本发明采用同轴内导体探针3与同轴接头2的内导体直径尺寸一致，避免阻抗失配引起能量反射。转接杆8的长度需要控制在1/4微波波长以下，且耦合盘4在腔内位置需要选择合适，避免产生额外谐振。

为避免产生额外谐振，本发明设计中，转接杆8的长度控制在1/4微波波长以下，优选1/6微波波长。优选：耦合盘4在腔内初始位置需要选择在滤波器径向长度的1/4处，可调范围在径向长度的1/5到1/3位置。此时耦合强度处于更合适的范围，保证了可以获得良好的传输特性。

本发明所述的一种滤波器输入输出耦合可调结构，输入耦合量强弱可以通过耦合系数大小表征。耦合系数，可利用仿真或者测试得到反射回波中提取进行计算，其公式为

f₀为反射回波的谐振点，f_+90°与f_-90°分别为谐振点偏移±90°相位时频点。

在初始设计的时候，需要确定耦合盘4的直径大小。耦合盘直径越大，耦合越强，耦合系数越大；耦合盘直径越小，耦合越弱，耦合系数越小。

考虑到连接机械特性，本发明设计中，优选方案为：耦合盘4的直径选择为调谐螺钉6直径的2倍。此时既避免了耦合盘4过大造成与调谐螺钉6连接不稳定，又避免了耦合盘4过小，导致无法达到所需耦合量的情况。

进一步，本发明采用调谐螺钉6，将直线距离变化转变为螺钉旋转角度的变化。该方式可以提高了控制精度。优选的步进距离提升倍率公式为

$n=\frac{S}{L}=\frac{\mathrm{\π}D}{d0}---\left(1\right)$

n为精度提升倍率，S为旋转周长长度，L为直线步进距离，D为螺钉直径，d0螺钉的螺距。在需要高精度控制场景，可使用较大直径和较小螺距的调谐螺钉。

本发明所述的结构应用于滤波器中，主要调谐方法为：当滤波器独立工作时，通过矢量网络分析仪读取其传输特性，调节控制制动装置10、11，通过调谐螺钉6转动来末端的耦合盘4，观察滤波器波形随耦合盘移动的变化情况，直到出现最佳波形。最后，通过控制制动装置10、11，锁死调谐螺钉6，保证耦合量不变。

进一步优选的一种滤波器输入输出耦合调谐结构的调谐方法，步骤如下：该结构应用于谐振可调滤波器如图1所示时，首先调节谐振调谐螺钉12，使谐振频点移动到工作频点处；然后调节调谐螺钉6，改善其传输波形。对于因调节调谐螺钉6导致谐振频点偏移的情况，需反复交替调节谐振调谐螺钉12和调谐螺钉6。

进一步优选的一种滤波器输入输出耦合调谐结构的调谐方法，步骤如下：该结构应用于可调滤波器，可配合整机系统实现滤波器特性自动调节。其应用时主要分为监控，调整，锁定三个步骤，通过监控反射回波情况，即反射微波功率大小来判断是否需要对滤波器调整以及是否调整到位；调整过程需要由电机驱动调谐螺钉来实现性能变化；完成调整后，由电机锁定螺钉，在该种应用下，可以保证可调滤波器的插入损耗较小，系统微波能量传输总是在处于低损耗状态。本发明所述结构可改善滤波器插入损耗，由原3dB改善为1dB左右，微波传输能量损失减小了60％。

本发明所述的一种滤波器输入输出耦合可调结构，在配合同轴腔体滤波器时，可以达到更好的效果。以典型同轴滤波器图1、图2为例，通过腔体上壁调节螺钉12进深的改变，实现腔体谐振频率的改变。通过调节耦合盘4与内导体9的距离变化，从而实现输入耦合特性或输出耦合特性的变化。

进一步优选的一种滤波器输入输出耦合调谐结构的调谐方法，步骤如下：本发明在应用于单腔同轴滤波器(如图1所示)时，输入输出耦合系数调节时，滤波器中心频点发生移动，且带宽以及带内特性发生变化，如图3(a)和3(b)所示，滤波器谐振点调节时，同样可以调节滤波器带宽及带内特性，如图4(a)和4(b)所示。其中，配合腔体谐振调节，实现可调滤波器的中心频点可变范围达到400MHz，实现可调范围与中心频率比为40％。通过输入输出耦合调节可实现滤波器相对带宽变化达到60％；带内回波调节可达到15dB以上，在中心频点可实现微波能量传输效率提高50％以上。

本发明在应用于多腔腔同轴滤波器(图2)，可以通过调节腔与腔之间螺钉进深的改变，实现腔间耦合系数可调。对于多腔腔滤波器结构有多个可变参量，分别为输入耦合系数、腔体谐振频率、腔间耦合系数、输出耦合系数。

当输入输出耦合系数调节时，滤波器波形以及带内特性发生变化，如图5(a)、5(b)所示。滤波器谐振特性调节时，滤波谐振频点发生明显移动，如图6(a)、(b)所示。其中，实现可调滤波器的中心频点可变范围达到160MHz，实现可调范围与中心频率比为17％。多腔情况下，通过输入输出耦合调节实现带内回波损耗改善达到10dB以上，在中心频点可实现微波能量传输效率提高40％以上。

本发明所述的一种滤波器输入输出耦合可调结构，可以适用于不同滤波器腔体结构形式，包括同轴腔体、矩形腔体、波导腔体等；其只要求输入耦合结构与微波输入端口位于一个面，输出耦合结构与微波输出端口位于一个面，便于应用。该发明适用于对性能要求较高以及体积要求严苛的工程场景，尤其适合于航天工程领域。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。