一种带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器的制作方法

本发明涉及一种腔体滤波器，尤其涉及一种带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器。

背景技术：

随着无线通信的迅猛发展，频谱资源显得日益紧张。为了降低通信成本和提高频谱利用率，双频滤波器作为最常用的多频滤波器，因其能兼容两种不同制式的双频通信系统前端的关键器件而成为研究热点。同轴腔双频滤波器由于具有低插损、高q值(品质因数)、高功率容量和高稳定性等优势，在高选择性的窄带通信中获得了广泛应用，尤其是以同轴腔滤波器为主的射频滤波器仍是移动通信基站、卫星通信系统和军用通信系统中的关键设备之一。

2015年，陈付昌研究团队在ieeemwcl上提出了一种利用阶跃阻抗的双模谐振腔设计同轴双频滤波器的方法。在该滤波器中，同轴内导体采用阶跃阻抗结构，通过其电长度和阻抗比控制谐振器的三次模与基模的谐振频率(频率比为2)，采用了螺旋馈电结构以及混合电磁耦合结构，图1为该滤波器的频率相应图。该方法可提升通带中心频率比的范围，但仅阶跃阻抗同轴谐振器可实现的频率比有限，而且较难实现两个通带带宽的独立控制和调节。因此，目前腔体双频滤波器的研究难点在于：如何在保证两个通带带宽在一定范围内都可控的情况下实现大频率比腔体双频滤波器。

阶跃阻抗的饼片加载技术来源于根据发明人前期工作的平面双频滤波器研究，采用枝节加载的短路阶跃阻抗谐振器(slqsir)可实现频率比超过4的双模谐振特性。通过谐振器的等效电路分析可知，三次模的谐振频率由θ3和θ4决定，确定三次模谐振频率之后，基模的谐振频率可由θop独立确定，因此双模独立可控。然而，现有技术的滤波器，难以实现两个通带带宽在一定范围内都可控的情况下实现大频率比。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种结构紧凑、体积小、成本低、高q值，高功率容量的带宽可控大频率比同轴腔双频宽带滤波器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器，包括：第一同轴腔，第二同轴腔，输入端口，输出端口，第一矩形金属耦合片，第二矩形金属耦合片，第一阶跃阻抗饼片加载谐振器，第二阶跃阻抗饼片加载谐振器，耦合窗；所述带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器关于所述耦合窗的中心面对称；所述第一同轴腔和所述第二同轴腔都为空心立方体；所述输入端口将输入信号发送给所述第一矩形金属耦合片；所述输出端口接收由所述第二矩形金属耦合片传送过来的输出信号；所述第一矩形金属耦合片和所述第二矩形金属耦合片为所述带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器的馈电结构，用于控制两个通带的q值；所述第一阶跃阻抗饼片加载谐振器和第二阶跃阻抗饼片加载谐振器为所述带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器的谐振结构，用于产生形成两个通带的基模和三次模；所述耦合窗为所述带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器的耦合结构，用于控制两个通带的k值。

在本发明所述的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器中，所述第一矩形金属耦合片和所述第二矩形金属耦合片通过接口内导体延长线分别与所述输入端口和所述输出端口相连，所述第一矩形金属耦合片和所述第二矩形金属耦合片的上端的位置控制基模产生的低频通带q值，而所述第一矩形金属耦合片和所述第二矩形金属耦合片的下端的位置控制三次模产生的高频通带q值。

在本发明所述的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器中，所述第一阶跃阻抗饼片加载谐振器和所述第二阶跃阻抗饼片加载谐振器都是由粗金属实心圆柱体、加载的金属饼片和细金属实心圆柱体串联而成，所述粗金属实心圆柱体的一端为开路端，所述细金属实心圆柱体的一端焊接在所述第一同轴腔和所述第二同轴腔的底面中心。

在本发明所述的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器中，耦合窗包括上窗口、中窗口和下窗口，所述上窗口提供电耦合，所述下窗口提供磁耦合，所述中窗口独立控制所述金属饼片间的电耦合。

在本发明所述的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器中，所述第一同轴腔和所述第二同轴腔均由六金属面围成。

本发明的滤波器不仅实现了中心频率可控的腔体双频滤波器，还实现了两个通带中心频率之间的大频率比特性。与此同时两个通带的带宽可以在一定范围内独立可控，而且小尺寸，高功率容量，以及设计和加工简单都是该滤波器的有益效果，总之，该滤波器能够满足小型双频通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、卫星等微波电子系统中。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为文献中的采用阶跃阻抗的双模谐振腔设计同轴双频滤波器的频率响应图；

图2为根据本发明提出的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器结构3维视图；

图3为根据本发明提出的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器结构侧视图；

图4为本发明提出的滤波器的输入端馈电结构——矩形金属耦合片；

图5为本发明提出的滤波器的谐振结构——第一阶跃阻抗饼片加载谐振器；

图6为本发明提出的滤波器的耦合结构——三窗口耦合窗；

图7为随加载饼片的半径r变化，阶跃阻抗的饼片加载谐振器的前两个谐振模式的变化图；

图8为随矩形金属耦合片的下端长度t1变化，本发明提出的滤波器频率响应变化图；

图9为根据本发明提出的滤波器的传输响应仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

为实现带宽可控的大频率比腔体双频滤波器，本发明通过采用阶跃阻抗的饼片加载技术，实现了带宽可控的大频率比同轴双频滤波器，其具体设计原理如下：

1、双频带实现原理

本发明提出的带宽可控的大频率比腔体双频滤波器结构图如图2-3所示，图4为馈电结构，图5为阶跃阻抗的饼片加载谐振器，图6为耦合结构。利用阶跃阻抗的饼片加载谐振器的前两个模式(其中第一个谐振模式为基模，第二个模式为三次模)实现双频特性，由于饼片加载点在同轴内导体开路端的三分点位置，因而饼片的尺寸只影响基模的谐振频率而不会影响三次模的谐振频率。

2、大频率比实现原理。

双频滤波器之所以能实现大频率比是因为阶跃阻抗饼片加载谐振器的前两个谐振模式的谐振频率为大频率比。其原理在于：1、阶跃阻抗谐振器的高阻抗端在短路端，频率比增大；2、饼片加载结构等效于平面的枝节加载结构，随其半径增大可以进一步增大频率比，如图7所示，随加载饼片的半径r增大，谐振器基模谐振频率在不断降低，而其三次模谐振频率基本不变。在这两种结构综合作用下，本发明提出的双频滤波器具有大频率比特性，与此同时加载的饼片尺寸还可以独立控制低频通带中心频率。

3、带宽可控实现原理

该双频滤波器不仅两个通带的中心频率可控，而且带宽也能通过馈电结构和耦合结构实现。如图6所示，馈电结构采用矩形金属耦合片实现，由于基模和三次模的电场分布不同，基模的电场分布在谐振器开路端最强，在饼片附近电场较弱，因此矩形金属耦合片的上端的位置主要控制基模产生的低频通带q值(q1)。而三次模的电场分布在饼片附近电场较强，因此矩形金属耦合片的下端的位置主要控制三次模产生的高频通带q值(q2)。如图8所示，随矩形金属耦合片的下端长度t1的增加，低频通带的q1基本不变，而高频通带的q2则变化较大。因此，高频通带的q值(q2)则可由t1独立控制。两个通带的k值由两个谐振腔之间的耦合窗决定，如图7所示，耦合窗采用3窗口结构，其中上窗口提供电耦合，下窗口提供磁耦合，上下两个窗口共同控制两个通带的k值，而中窗口独立控制饼片间的电耦合，由于饼片的电场只影响基模而不会影响三次模，因此中窗口可以独立控制基模实现的低频通带的k值。所以设计k值时，先通过上下窗口的电耦合和磁耦合实现高频通带的k值(k2)，而中窗口尺寸用于调整低频通带的k值(k1)。

本发明的目的在于克服现有技术的不足——难以实现两个通带带宽在一定范围内都可控的情况下实现大频率比的腔体双频滤波器。通过采用阶跃阻抗的饼片加载技术，提出了一种结构紧凑、体积小、成本低、高q值，高功率容量的带宽可控大频率比同轴腔双频宽带滤波器。该滤波器能够满足小型化，以及高功率容量的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：采用阶跃阻抗的饼片加载技术实现阶跃阻抗的饼片加载谐振器，采用矩形金属耦合片以及3窗口结构实现带宽可控的馈电结构和耦合结构。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用限定于本发明。

为了清晰描述本发明，图2-3分别是本发明的三维视图和侧视图，一种带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器，包括：第一同轴腔1，第二同轴腔2，输入端口3，输出端口4，第一矩形金属耦合片5，第二矩形金属耦合片6，第一阶跃阻抗饼片加载谐振器7，第二阶跃阻抗饼片加载谐振器8，耦合窗9。

所述第一同轴腔1和第二同轴腔2都为六金属面围成的空心立方体，第一同轴腔1和第二同轴腔2有一个金属面共面为耦合窗9，输入端口3和输出端口4分别开在第一同轴腔1的输入侧和第二同轴腔2的输出侧上，第一阶跃阻抗饼片加载谐振器7和第二阶跃阻抗饼片加载谐振器8分别焊接在第一同轴腔1的底面中心和第二同轴腔2的底面中心。

进一步地，所述输入端口3和输出端口4通过接口内导体延长线分别与第一矩形金属耦合片5和第二矩形金属耦合片6相连。矩形金属耦合片的上端的位置主要控制基模产生的低频通带q值(q1)，而矩形金属耦合片的下端的位置主要控制三次模产生的高频通带q值(q2)，图4为滤波器的输入端馈电结构——矩形金属耦合片5b，它通过接口内导体延长线5a与输入端口3连接。

进一步地，所述第一阶跃阻抗饼片加载谐振器7和第二阶跃阻抗饼片加载谐振器8也是对称结构。图5为第一阶跃阻抗饼片加载谐振器结构图，它由粗金属实心圆柱体7a，加载的金属饼片7b，细金属实心圆柱体7c串联而成，粗金属实心圆柱体7a的上端为开路端，细金属实心圆柱体的下端焊接在第一同轴腔1底面中心，在阶跃阻抗和饼片加载这两种结构综合作用下，不仅实现了两个通带中心频率可控，而且实现了双频滤波器的大频率比特性。

进一步地，所述耦合窗9为三窗口结构。图7为三窗口耦合窗结构图，上窗口8a提供电耦合，下窗口8c提供磁耦合，上下两个窗口共同控制两个通带的k值，而中窗口8b独立控制饼片间的电耦合，由于饼片的电场只影响基模而不会影响三次模，因此中窗口8b可以独立控制由基模实现的低频通带的k值，所以设计k值时，先通过上下窗口的电耦合和磁耦合实现高频通带的k值(k2)，而中窗口尺寸用于调整低频通带的k值(k1)。

根据上述实施方式，在本实施例中的腔体尺寸为长12mm，宽12mm，高40mm。该滤波器由金属制成，在该实施例中采用金属铝制作，并在表层镀银，以减小损耗。带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器的传输响应仿真结果如图9所示。该滤波器的低频通带中心频率为1.2ghz，通带带宽为30mhz，高频通带中心频率为5.8ghz，通带带宽为60mhz，两个通带的中心频率比为4.83，两个通带的带内回波损耗s11都低于20db。

本发明实施例的带宽可控的大频率比同轴腔双频滤波器，具有两个中心频率可控且带宽可控的双通带特性、较大的通带中心频率比、以及较小的尺寸，能够满足小型双频通信系统的设计要求，可应用于移动通信、雷达、遥感等微波电子系统中，值得推广。本发明包括并不仅限于上述给出的实施方案，本领域技术人员在本发明的构思下，在不脱离本发明原理的前提下，可作出不同的变形和替换，例如令耦合窗变成其他形状(双窗口，四窗口)，改变馈线的耦合位置，将立方体形的同轴腔改为其他形状，使用其他金属进行加工或电镀，这些变形和替换也属于本专利保护范围。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

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。