可调滤波器及可调双工器的制作方法

本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种可调滤波器及可调双工器。

背景技术：

可调滤波器是微波重构系统的重要组成部分，广泛运用于跳频电台、电子对抗、多功能接收机、动态频率分配系统、点对点通信系统等方面。采用可调滤波器可大大降低通信设备商的物料和维护成本，以点对点通信为例，一款可调滤波器可替代数十种常规的滤波器，因此可以大大减少odu设备的种类数量，可大大降低生产、仓储、运输和维护成本。因此是目前微波通信行业的一个热点研究领域。常见的可调滤波器多采用射频开关控制加载电容的方式，或者压电电容的方式实现，这些可调滤波器只能工作在较低的频段。

近年来由于通信系统发展的需要，微波频段的可调滤波器有了广泛的需要。为了能够满足在微波较高的频段使用，传统射频波段可调滤波器的设计方法显然不再适用。为了能够在微波频段设计合格的可调滤波器，目前都采用在波导滤波器的基础上，加调谐机制实现。因此，波导可调滤波器成为近几年微波点对点通讯研究的一个热门课题，国内外的各大通讯设备制造商，如华为、中兴、nec、爱立信等都对该领域开展深入的研究。其中nec最早于2005年就开始该方面的研究，并且于2010年就发表了相关的研究成果。

目前在微波领域采用的方法主要有如下几种：1、日本nec公司提出的介质旋转方式实现可调滤波器(专利号：wo2010150815a1)，用一片高介电常数的介质作为调谐机构，通过步进马达带动一个轴旋转的方式转动介质片调谐，从而实现一个可调的效果。2、华为公司的介质板平推方式，也是用一片高介电常数的介质片作为调谐机构，用两根高强度的介质支撑杆进行推动的方式进行调谐。3、江苏贝孚德通讯科技股份有限公司2015年给出一种用步进马达带动铍青铜膜片作实现的可调滤波器可在很宽的范围内调谐(专利号：zl201521082510.4)。

上述解决方案都是基于切比雪夫响应曲线的可调滤波器，通带外没有传输零点，不能形成陡峭的带外抑制。为了达到足够的带外抑制，必须通过增加滤波器的谐振腔的个数。增加谐振腔意味着增大滤波器的插损，且体积、重量和成本都会增加。通过交叉耦合实现传输零点是增加滤波器带外的有效途径。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可调滤波器，其具有通过交叉耦合实现的带外传输零点，从而具有良好的带外抑制特性，并且在整个调谐范围内，交叉耦合实现的传输零点基本能够和通带距离保持不变，且滤波器的通带带宽也能够基本保持不变，滤波器回波保持在一个较好的水平。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种可调滤波器，包括腔体和调谐机构；所述腔体中设置有至少三个波导谐振腔，相邻波导谐振腔之间通过直接耦合窗口实现直接耦合，非相邻波导谐振腔之间通过交叉耦合结构实现交叉耦合，每个波导谐振腔的同一侧腔壁上均开设有至少一个狭缝，每一个所述狭缝的电长度都小于该可调滤波器最高工作频率的半波长；所述调谐机构包括与所述狭缝一一对应的一组介质片以及驱动机构，所有介质片可在驱动机构驱动下同时无摩擦地经由对应狭缝插入相应波导谐振腔中同样的深度。

进一步地，所述可调滤波器被配置为：在通带中心频率随所述介质片插入波导谐振腔的深度基本呈线性变化的同时，带宽及由所述交叉耦合所形成的带外零点的相对位置基本不随通带中心频率的改变而变化。

优选地，所述调谐介质片的材质为高频微波pcb基片。

优选地，所述交叉耦合结构包括设置于至少一对非相邻波导谐振腔之间的用于实现正交叉耦合的交叉耦合窗口。

进一步地，至少一个所述交叉耦合窗口处设置有一根用于实现负交叉耦合的导体柱，所述导体柱的一端与腔体的底部/顶部电连接，而导体柱的另一端与腔体的顶部/底部之间存在非零的距离。

更进一步地，所述距离可调节。

优选地，除首、尾位置以外的其中一个波导谐振腔为二次模谐振腔体，用于实现该二次模谐振腔体两侧的波导谐振腔之间的负交叉耦合。

优选地，所述驱动机构包括步进电机及其控制电路。

优选地，所述腔体由相适配的框架和盖板组合而成，所述框架和盖板均为整体成型而成。

在本发明可调滤波器基础上还可得到以下技术方案：

一种可调双工器，包括高端滤波器、低端滤波器，所述高端滤波器和/或低端滤波器为以上任一技术方案所述可调滤波器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明可调滤波器通过交叉耦合实现带外传输零点，从而具有良好的带外抑制特性，并可通过对调谐机构中介质片的宽度以及位置参数进行合理设置，实现在整个调谐范围内，交叉耦合实现的传输零点基本能够和通带距离保持不变，且滤波器的通带带宽也能够基本保持不变，滤波器回波保持在一个较好的水平。此外，本发明可调滤波器的结构更简单，生产成本更低。

附图说明

图1为实施例1的外观示意图；

图2、图3分别为实施例1的正、反两面的结构示意图；

图4为实施例2的结构爆炸图；

图5为一个7ghz的本发明可调滤波器的传输系数响应曲线；

图6为图5所示可调滤波器的回波响应曲线。

图中附图标记含义如下：

1、交叉耦合结构，2、介质片，3、支架，4、狭缝。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种具有通过交叉耦合实现的带外传输零点的可调滤波器，在具有良好带外抑制特性的同时，可实现在整个调谐范围内，交叉耦合实现的传输零点基本能够和通带距离保持不变，且滤波器的通带带宽也能够基本保持不变，滤波器回波保持在一个较好的水平。

具体而言，本发明所提出的可调滤波器，包括腔体和调谐机构；所述腔体中设置有至少三个波导谐振腔，相邻波导谐振腔之间通过直接耦合窗口实现直接耦合，非相邻波导谐振腔之间通过交叉耦合结构实现交叉耦合，每个波导谐振腔的同一侧腔壁上均开设有至少一个狭缝，每一个所述狭缝的电长度都小于该可调滤波器最高工作频率的半波长；所述调谐机构包括与所述狭缝一一对应的一组介质片以及驱动机构，所有介质片可在驱动机构驱动下同时无摩擦地经由对应狭缝插入相应波导谐振腔中同样的深度。

对于以上技术方案，可通过理论计算或通过hfss、momentum、emx等电磁仿真软件对调谐机构中介质片的宽度以及位置参数进行设置，以使得在通带中心频率随所述介质片插入波导谐振腔的深度基本呈线性变化的同时，带宽及由所述交叉耦合所形成的带外零点的相对位置基本不随通带中心频率的改变而变化。

所述调谐介质片的材质可以采用现有的各类固态介电材料，从电气性能以及加工难度、生产成本等角度综合考虑，优选采用高频微波pcb基片。

交叉耦合分为两种情况，分别为正耦合(又称为感性耦合或电感耦合)和负耦合(又称为容性耦合或电容耦合)，正耦合实现的滤波器传输零点在滤波器的通带右边，负耦合实现的传输零点在滤波器的通带右边。本发明的交叉耦合结构既可以是正耦合也可以是负耦合结构，也可以是两者兼具。

作为其中一种优选的正耦合方案，所述交叉耦合结构包括设置于至少一对非相邻波导谐振腔之间的用于实现正交叉耦合的交叉耦合窗口。在此基础上，还可以进一步地通过在至少一个所述交叉耦合窗口处设置一根导体柱来同时实现负交叉耦合，所述导体柱的一端与腔体的底部/顶部电连接，而导体柱的另一端与腔体的顶部/底部之间存在非零的距离。还可更进一步地将所述导体柱设置为长度可调节结构，通过调节导体柱的另一端与腔体的顶部/底部之间的所述距离来对负交叉耦合的耦合系数进行调整。

此外，还可以通过将除首、尾位置以外的其中一个波导谐振腔设置为二次模谐振腔体来实现负交叉耦合，该二次模谐振腔体可实现其两侧的波导谐振腔之间的负交叉耦合。

所述驱动机构可采用手动驱动、电机驱动、液压驱动等方式，考虑到控制的便利性和精确性，优选采用步进电机及其控制电路作为所述驱动机构。

优选地，所述腔体由相适配的框架和盖板组合而成，所述框架和盖板均为整体成型而成。从而可充分降低生产难度，降低生产成本。

在本发明可调滤波器基础上，还可以获得一种可调双工器，包括高端滤波器、低端滤波器，所述高端滤波器和/或低端滤波器为上述介质加载可调滤波器。

为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：

本实施例的可调滤波器为六阶两个零点的可调滤波器，其基本结构如图1～3所示，包括腔体和调谐机构。如图2、3所示，腔体由相适配的框架和盖板组合而成，其中包含6个波导谐振腔，相邻的波导谐振腔之间通过直接耦合窗口实现直接耦合，非相邻的第1个波导谐振腔与第3个波导谐振腔之间，以及第4个波导谐振腔与第6个波导谐振腔之间，分别通过由交叉耦合窗口构成的交叉耦合结构1实现正交叉耦合；如图3所示，每个波导谐振腔的同一侧腔壁上均开设有至少一个狭缝4，每一个狭缝4的电长度都小于该可调滤波器最高工作频率的半波长，从而可完全抑制电磁信号泄漏。如图1、图2所示，调谐机构包括与所述狭缝4一一对应的一组介质片2，用于支持介质片的支架3以及由步进电机及其控制电路构成的驱动机构，所有介质片2可在驱动机构驱动下同时无摩擦地经由对应狭缝4插入相应波导谐振腔中同样的深度。在进行调谐时，随介质片进入腔体深度的增加，可调滤波器的通带由高频向低频调整。

该可调滤波器在设计时，首先设计一款不加载介质时，性能都满足最高频率点技术要求的滤波器。设定每个谐振腔对应两片介质片且各介质片的长度均相同(这是出于简化计算的角度，实际上也可以为每个谐振腔设计不同数量以及不同长度的介质片)，然后通过电磁仿真软件hfss和cst仿真计算，调整每一个腔体中介质片的宽度以及介质片在腔体中的位置实现每一个谐振腔的频率，以及谐振腔之间的耦合系数同时调整，使得滤波器在介质片插入不同的深度都能满足式1的耦合矩阵，从而保证在调谐时频率移动的同时，保证带宽基本不变，并且交叉耦合形成的零点相对位置基本不变。

实施例2：

本实施例的可调滤波器结构与实施例1基本相同，区别在于在实施例1的基础上增加了负交叉耦合结构。如图4所示，本实施例的负交叉耦合结构1是通过在交叉耦合窗口处设置一根金属柱来同时实现负交叉耦合，金属柱的底部和滤波器的腔体底部连接，金属柱的顶部和滤波器的盖板不接触，有一定的距离。金属柱可以是固定在腔体底部，也可以是通过某种可调结构与腔体底部电连接，从而可调节金属柱顶部和滤波器的盖板间的距离。在未插入介质片时，通过调整该距离实现调整负的交叉耦合系数大小，当该距离越大，则零点距离通带越近，当该距离越小，则零点距离通带越远。实现滤波器通带由高频向低频调整同样是将介质片通过滤波器盖板或底板上的狭缝插入谐振腔体内实现调整，同样可通过调整介质片的尺寸和在谐振腔体内的位置实现在整个调谐范围内，具有较好的回波且带宽基本不变，且交叉耦合的零点距离通带基本不变。

除了实施例2所采用的负交叉耦合结构以外，还可以通过将除第1个、第6个波导谐振腔以外的其中一个波导谐振腔设置为二次模谐振腔体来实现负交叉耦合，该二次模谐振腔体可实现其两侧的波导谐振腔之间的负交叉耦合。

图5是一个7ghz的本发明可调滤波器的传输系数响应曲线，其中的交叉耦合为正耦合，滤波器可实现7ghz到7.8ghz频率范围内可调，可调范围大于10％，在可调范围内带宽基本不变，并且零点位置相对通带基本不变。图6是该可调滤波器的回波响应曲线，可以看出，在整个通带范围内，回波均保持在较好的水平。