本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于介质谐振器的多端口滤波功分器。
背景技术：
阵列天线在未来通信系统的设计中受到广泛关注。作为馈电网络中必不可少的组件，具有相等和不等功分比的多端口功分器被大量研究。所用技术手段包括：微带线、基片集成波导、金属波导等。同时，这些多端口功分器又可以被分为多种结构，例如：树形、放射形、多边形和环形。
另一方面，近年来学术界对于滤波功分器的融合设计思想表现出了极大的研究热情。对比传统的级联设计方法，融合设计方法可以有效减小电路的整体尺寸和损耗。因此，在过去几年里，出现了不少有关滤波功分器的研究报道。其中的绝大多数是基于威尔金森设计理论的两路滤波功分器。为了迎合未来无线通信系统对于多路信息处理的需求，近几年还出现了一些4路滤波功分器的研究。但它们只能实现等功率分配，且均使用威尔金森设计方法。在奇偶模分析法中，耦合线的阻抗值对于端口的阻抗匹配和耦合强度均有较大影响。对于多端口功分器而言，上述方法受到多方面因素的限制，因此设计过程较为复杂。特别是在设计不等功分比的多端口功分器时，这种弊端非常明显。对于那些由集总原件或微带线构成的谐振电路，由于其无载品质因数(qu)较低，导致其通带选择性较差且带内损耗较大，因而限制了其在窄带系统中的应用。
介质谐振器的无载品质因数和体积通常介于平面传输线和波导谐振器之间，已经被广泛应用于设计单端和差分滤波电路中。然而，经调查发现，基于介质谐振器的可实现任意分配比的滤波功分器至今未见报道。
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，提供一种基于介质谐振器的多端口滤波功分器及其构建方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于介质谐振器的多端口滤波功分器的构建方法，包括：
根据所需的滤波性能指标，选定滤波阶数n，求解低通滤波器原型，并计算滤波器输入端和输出端的外部品质因数以及相邻谐振器之间的耦合系数；
根据滤波功分器所需的输出端的数量和功分比，将滤波器的一个输出端分解为滤波功分器的多个输出端，并计算滤波功分器各个输出端的外部品质因数qeli；
根据滤波器输入端的外部品质因数qes调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数qeli分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器的构建方法中，所述的计算滤波器输入端和输出端的外部品质因数以及相邻谐振器之间的耦合系数包括：
根据通带波动确定对应的低通原型的集总参数gp，其中，0≤p≤n+1，n表示滤波器的阶数；
根据波纹相对带宽fbw和集总参数g0、g1计算滤波器输入端的外部品质因数qes，根据波纹相对带宽fbw和集总参数gn、gn+1计算滤波器输出端的外部品质因数
根据波纹相对带宽fbw和集总参数gj、gj+1计算相邻谐振器之间的耦合系数kj,j+1，其中，j为正整数，1≤j≤n-1。
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器的构建方法中，所述的计算滤波功分器各个输出端的外部品质因数qeli包括：对于滤波功分器的第i个输出端，其外部品质因数qeli基于计算式
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器的构建方法中，所述的根据滤波器输入端的外部品质因数qes调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数qeli分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度包括：
通过仿真软件，计算馈线可能的维度变化所对应的外部品质因数，并画出变化曲线；以及计算耦合窗口可能的宽度变化所对应的谐振器之间的耦合系数，并画出变化曲线；
根据计算得到滤波器输入端的外部品质因数qes，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为输入端的馈线维度；
针对计算得到的各输出端的外部品质因数qeli，分别通过查图表的方法找到变化曲线中对应的所有的馈线维度，并从中选择一个作为第i个输出端的馈线维度；
根据计算得到相邻谐振器之间的耦合系数kj,j+1，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的相邻两个谐振腔之间的耦合窗的宽度。
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器的构建方法中，所述馈线维度包括：馈线长度、馈线高度以及馈线与介质谐振器的间距。
本发明还公开了一种基于介质谐振器的多端口滤波功分器，包括金属腔体、尺寸和介电常数相同的两个介质谐振器、输入端以及多个输出端，金属腔体包括两个谐振腔以及连接两个谐振腔的耦合窗，两个介质谐振器对称且分别固定设置在相应的谐振腔中，输入端与其中一个介质谐振器耦合，多个输出端与另一个介质谐振器耦合，输入端和输出端均包括馈线和用于与外部通信设备相连的接头，馈线固定设置在相应的介质谐振器旁侧并与介质谐振器耦合，接头设置在金属腔体的外壁上且与馈线对应连接，馈线维度以及耦合窗的宽度根据上述的方法构建。
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器中，所述介质谐振器为环形介质谐振器，所述馈线包括一与所述环形介质谐振器的一横截面同心且度数小于90°的圆弧形部分。
在本发明所述的基于介质谐振器的多端口滤波功分器中，所述介质谐振器置于圆柱形支撑座上。
实施本发明的基于介质谐振器的多端口滤波功分器及其构建方法，具有以下有益效果：本发明通过改变输出端的外部品质因数，可以实现功率分配比的任意调节，在不增大电路尺寸的同时，通过改变输出端馈线的维度就可以轻松构建基于介质谐振器的射频多端口滤波功分器，从而满足不同的应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是传统级联方式设计的n路滤波功分器的结构示意图；
图2是采用融合设计的n路滤波功分器的结构示意图；
图3是3路滤波功分器的三维视图；
图4是图3中的单个腔体的结构示意图；
图5是单个端口的外部品质因数qe随馈线高度h、馈线与谐振器的间距d变化的曲线图；
图6是单个端口的外部品质因数qe随馈线高度h、馈线长度l变化的曲线图；
图7是谐振器之间的耦合系数k12与耦合窗宽度w变化的曲线图；
图8是1:1:1滤波功分器幅频响应的仿真结果；
图9是1:1:1滤波功分器幅频响应的实测结果；
图10是1:1:1滤波功分器频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果对比图一；
图11是1:1:1滤波功分器频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果对比图二；
图12是3:1:1滤波功分器幅频响应的仿真结果；
图13是3:1:1滤波功分器幅频响应的实测结果；
图14是3:1:1滤波功分器频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果对比图一；
图15是3:1:1滤波功分器频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果对比图二。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直”、“水平”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明总的思路是：首先，根据所需的滤波性能指标，选定滤波阶数n，求解低通滤波器原型，并计算滤波器输入端和输出端的外部品质因数以及相邻谐振器之间的耦合系数；然后，根据滤波功分器所需的输出端的数量和功分比，将滤波器的一个输出端分解为滤波功分器的多个输出端，并计算滤波功分器各个输出端的外部品质因数qeli；根据滤波器输入端的外部品质因数qes调整滤波功分器输入端的馈线维度，根据滤波功分器各输出端的外部品质因数qeli分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参考图1和图2，采用传统级联方式设计的n路滤波功分器由一个n路功分器和n个滤波器构成。相比于级联设计方式，融合设计可以有效减小电路的体积和功耗，因而受到了广泛关注。在这种设计思路中，外部品质因数是最重要的设计参数，因为它描述了馈线与谐振器之间的耦合强度，决定了通带的构建和功率的分配。图2中，s和li(i＝1,2…n)分别表示输入和输出。当多端口网络无耗时，总的输出功率
其中，
其中，数值α1到αn可以是相等的，也可以是不相等的。根据定义，每个输出端的外部品质因数可以表示为
其中，wa和ω0分别表示谐振电路的平均储能和谐振频率，进而n个输出端的外部品质因数的比例关系可以表示为：
又因为全部输出端的总的外部品质因数表示为
结合公式(1)-(5)，可以得到：
从公式(6)中可以看出，输出端外部品质因数的比值由功率分配比决定。由于通过低通原型(用电容电感表示的低通滤波电路)确定滤波性能以后，滤波器的输入端外部品质因数qes和输出端外部品质因数
第一步：根据所需的滤波性能指标，选定滤波阶数n，求解低通滤波器原型，并计算滤波器输入端和输出端的外部品质因数以及相邻谐振器之间的耦合系数。第一步具体包括：
步骤1-1，根据所需的设计指标，主要是中心频率、波纹相对带宽fbw(0db相对带宽)，先设计低通原型(用电容电感表示的低通滤波电路)的集总参数g0、g1、g2···gn+1，其中，n表示滤波器的阶数；
步骤1-2，根据波纹相对带宽fbw和集总参数g0、g1计算滤波器的输入端外部品质因数qes，根据波纹相对带宽fbw和集总参数gn、gn+1计算滤波器的输出端外部品质因数
步骤1-3，根据波纹相对带宽fbw和集总参数gj、gj+1计算相邻谐振器之间的耦合系数kj,j+1，其中，j为正整数，1≤j≤n-1，具体的：
第二步：根据计算得到的滤波器的输出端外部品质因数
在第一步计算得到了滤波器的输出端外部品质因数
第三步：根据输入端的外部品质因数qes调整输入端的馈线维度，根据各输出端的外部品质因数qeli分别调整各个输出端的馈线维度，根据耦合系数kj,j+1调整谐振腔之间的耦合窗的宽度。其中，所述馈线维度包括：馈线长度、馈线高度以及馈线与介质谐振器的间距。
上述提到，由于输入端只有一个，所以为了使得输入端的外部品质因数达到qes，只要输入端的馈线维度(可以综合调整馈线的长度、高度以及与谐振器间的间距)调整到其对应的外部品质因数qes即可。而本发明的调整方式是，每个端口对应的外部品质因数可以利用专门的软件近似求解。本发明中是先将所有馈线可能的维度(长度、高度、间距)变化全部考虑一遍，通过仿真软件将它们所对应的外部品质因数qe一一计算，并画出变化曲线，进而通过查图表的方法，找到图中对应的馈线的长度、高度、间距的数值。长度、高度、间距的组合可能有几种，但是可以根据情形选择，比如由于馈线是焊接在接头上的，接头是有一定尺寸的，那么在选择的时候，就应当使得输出端上下两根馈线的距离尽量远一些，如果上下两根馈线离得很近的话，在安装时，接头就有可能被挡到。同理，各个输出端的馈线维度的确定方法与输入端馈线维度的确定相同，也是在变化曲线图中找到一个与端口对应的qeli，该过程与qes的确定过程相同。
同理，本发明中先将耦合窗的可能的宽度变化全部考虑一遍，通过仿真软件将它们所对应的耦合系数一一计算，并画出变化曲线，然后根据计算得到相邻耦合系数kj,j+1，通过查图表的方法找到变化曲线中对应的相邻两个谐振腔之间的耦合窗的宽度。
下面以两个使用相同拓扑结构且具有不同功分比(1:1:1和3:1:1)的3路滤波(阶数n＝2)功分器说明本发明。
参考图3-4，3路滤波功分器包括金属腔体、尺寸和介电常数相同的两个环形介质谐振器2、输入端以及多个输出端。具体的，金属腔体包括两个完全相同的谐振腔1以及连接两个谐振腔1的耦合窗。两个环形介质谐振器2对称且分别固定设置在相应的谐振腔1中的al2o3圆柱形支撑座4上。输入端与其中一个环形介质谐振器2耦合，3个输出端与另一个环形介质谐振器2耦合，输入端和输出端均包括馈线31和用于与外部通信设备相连的接头32，馈线31固定设置在相应的环形介质谐振器2旁侧并与环形介质谐振器2耦合，每个馈线31包括一与所述环形介质谐振器2的一横截面同心且度数小于90°的圆弧形部分。接头32设置在金属腔体的外壁上且与馈线31对应连接，馈线维度以及耦合窗的宽度根据上述方法构建。
具体的，两个谐振腔1的体积均为a×a×c＝46×46×32mm3，环形介质谐振器2的相对介电常数和损耗角正切值分别为38和2.5×10-4。环形介质谐振器2的外径d_dr＝32mm,内径d_hole＝8mm，高度h_dr＝13mm。支撑座4的外径和高度分别为19.5mm和7mm。
根据第一步中的步骤1-1，根据设计指标，通带波动0.13db对应的波纹相对带宽为0.82％。相应的低通原型的集总参数为g0＝1，g1＝0.9107，g2＝0.6437，g3＝1.4148。再根据第一步中的步骤1-2、步骤1-3，即将上述集总参数g0、g1(或者g2、g3)的值代入公式(7)，g1、g2的值代入公式(8)，得到所需的
根据第三步，在支撑座高度hb固定为7mm的前提下，提取的单个端口的外部品质因数qe与馈线高度h、馈线长度l以及馈线与谐振器的间距d的关系如图5-6所示。当谐振器与馈线之间的耦合强度增大时，qe减小。当l增加或者d减小，qe也减小。与此同时，qe随h沿抛物线变化。当馈线沿纵向靠近介质谐振器中间位置时，qe将出现最小值。图7所示为耦合系数k12随耦合窗w的变化曲线(耦合窗厚度iris＝3mm)，当w＝21mm时，满足在第一步的步骤1-3中计算得到的耦合系数k12＝0.0107的要求。
功分比为1:1:1的滤波功分器的仿真结果如图8所示，实测结果如图9所示，由于交叉耦合的存在，上下两个阻带均产生了一个传输零点。频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果如图10-11所示。图10是对应的s21-s31和∠s21-∠s31，图11是对应的s21-s41和∠s21-∠s41，三路输出信号的幅度差在0.24db以内，相位差(∠s21–∠s31和∠s21–∠s41)分别在180°±3.32°和180°±2.03°以内，也间接表明∠s31–∠s41非常接近0°。该滤波功分器的尺寸优化结果如下：iris＝3mm，w＝21mm，d＝2mm，l1＝21.7mm，l2＝18.8mm，l3＝18.8mm，l4＝20.1mm，同时，端口1到端口4的馈线高度分别为13.1mm,19.3mm,19.3mm和7.7mm。
设计功分比为3:1:1的滤波功分器时，为了得到与1:1:1的滤波功分器相同的滤波性能，qes和
可见，3:1:1滤波功分器可以通过改变输出端的三根馈线的长度(当然也可以改变高度、间距)来得到，而其他结构的维度参数与前述的1:1:1滤波功分器完全一致。最终的馈线参数如下：l1＝21.7mm，l2＝21.5mm，l3＝17.2mm，l4＝18.1mm。电路的仿真结果如图12所示，实测结果如图13所示。与1:1:1滤波功分器类似，三路输出信号的中心频率均为1.74ghz。频率响应的幅度差和相位差的实测与仿真结果如图14-15所示。图14是对应的s21-s31和∠s21-∠s31，图15是对应的s21-s41和∠s21-∠s41，三路输出信号在通带内的幅度差在0.16db以内，相位差(∠s21–∠s31和∠s21–∠s41)分别在180°±3.40°和180°±2.44°以内，也间接表明∠s31–∠s41非常接近0°。
上述两个设计实例有效展示了相等和不相等多端口滤波功分器的设计方法，实验结果表明多端口的功率分配比由它们的外部品质因数的比值决定。又因为滤波功分器中的带通响应和功率分配这两个功能可以被单独设计，某种程度上增加了电路设计的自由度。
综上所述，实施本发明的基于介质谐振器的多端口滤波功分器及其构建方法，具有以下有益效果：本发明通过改变各个输出端口的外部品质因数，可以实现功率分配比的任意调节，在不增大电路尺寸的同时，通过改变输出端馈线的维度就可以轻松构建基于介质谐振器的多端口滤波功分器，从而满足不同的应用需求，该方法适用于任意的输出端口数以及任意的功分比。同时，滤波阶数与输出端的数量相互独立，滤波性能与功率分配的设计也相互独立，输出端口围绕环形介质谐振器堆叠摆放，实现端口的扩展。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。