折叠腔体介质加载可调滤波器、双工器的制作方法

本实用新型涉及一种可调滤波器、双工器，属于微波通信技术领域。

背景技术：

可调滤波器是微波重构系统的重要组成部分，广泛的运用于跳频电台、电子对抗、多功能接收机、动态频率分配系统等方面。

可调滤波器有很多优点，例如，采用可调滤波器的系统可以通过远程遥控实现频率变换，而不需要工人爬上高高的铁塔，节省通信系统后期运营的成本；一款滤波器可以覆盖很多频段，为减少系统生成商物料数量，降低整个物料种类；可以随时随地的远程控制切换频率，最大限度利用频谱资源。

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，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。对于波导可调滤波器，是近几年微波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实现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)。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)。

上述几种方式的可调滤波器都是基于一个普通的波导滤波器，整个结构为一个直条形，空间利用率不高。这些形式的可调滤波器运用于较高的频率，则问题不大；但是对于较低的频率，例如点对点通信的6GH和7/8GHz频段或者5G通信技术中的Sub-6GHz频段，若还是采用上述方案，则可调滤波器的体积太大，不利于系统集成，且会导致整个系统太笨重，缺乏实用价值。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种折叠腔体介质加载可调滤波器，其具有结构紧凑、频率调谐精准的优点，并且在调谐滤波器中心频率的同时，基本保持带宽不变，且回波保持在较低的水平。

具体而言，本实用新型的折叠腔体介质加载可调滤波器，包括顶面、底面分别共面的一组谐振腔以及调谐机构，这些谐振腔呈非线性的交错排列，且每个谐振腔与它的上一级、下一级谐振腔之间分别开设有耦合窗口；每个谐振腔的顶面/底面上均开设有至少两个通孔；所述调谐机构包括一个与谐振腔的顶面和底面平行设置的安装盘，安装盘上垂直安装有一组高度相同且与所述通孔一一对应的调谐介质棒，各调谐介质棒可随安装盘与谐振腔之间的相对运动并经由对应的通孔伸入相应谐振腔内同样的深度；所述通孔的孔径小于其中λ0为该可调滤波器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。

优选地，每个谐振腔的通孔数为2或3。

优选地，所述调谐机构还包括用于驱动安装盘与谐振腔之间产生所述相对运动的驱动装置。进一步优选地，所述驱动装置为可远程操控的遥控驱动装置。

优选地，所述调谐介质棒的介电常数为3.0～5.5。进一步优选地，所述调谐介质棒的材质为石英。

优选地，所述谐振腔中设置有谐振器。

优选地，该可调滤波器的工作频段为点对点通信的6GH和7/8GHz频段或者5G通信技术中的Sub-6GHz频段。

优选地，所有谐振腔均构建于由一块底板和一块顶板上下拼合而成的部件的内部。

根据相同的实用新型思路还可以得到以下技术方案：

折叠腔体介质加载可调双工器，包括顶面、底面分别共面的多个谐振腔以及调谐机构，所述谐振腔被分为分别构成低端滤波器和高端滤波器的两组，每一组谐振腔均呈非线性的交错排列且每个谐振腔与它的上一级、下一级谐振腔之间分别开设有耦合窗口；每个谐振腔的顶面/底面上均开设有至少两个通孔；所述调谐机构包括一个与谐振腔的顶面和底面平行设置的安装盘，安装盘上垂直安装有一组高度相同且与所述通孔一一对应的调谐介质棒，各调谐介质棒可随安装盘与谐振腔之间的相对运动并经由对应的通孔伸入相应谐振腔内同样的深度；所述通孔的孔径小于其中λ0为该可调双工器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。

优选地，每个谐振腔的通孔数为2或3。

优选地，所述调谐机构还包括用于驱动安装盘与谐振腔之间产生所述相对运动的驱动装置。进一步优选地，所述驱动装置为可远程操控的遥控驱动装置。

优选地，所述调谐介质棒的介电常数为3.0～5.5。进一步优选地，所述调谐介质棒的材质为石英。

优选地，所述谐振腔中设置有谐振器。

优选地，该可调双工器的工作频段为点对点通信的6GH和7/8GHz频段或者5G通信技术中的Sub-6GHz频段。

优选地，所有谐振腔均构建于由一块底板和一块顶板上下拼合而成的部件的内部。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型采用多个谐振腔折叠布置的基本结构，相比传统的波导滤波器结构，结构更紧凑，所占体积更小，这对于点对点通信的6GH和7/8GHz或者5G通信技术中的Sub-6GHz这样的较低的频段具有更为重要的意义；

2、本实用新型依靠介质棒伸入谐振腔的深度来进行频率调谐，调谐不是很敏感，调谐精度容易控制，因此不需要非常复杂精密的变速驱动结构；

3、本实用新型在调谐时滤波器中心频率移动和介质棒伸入谐振腔内的距离几乎是线性关系，因此调谐时很容易控制所需要的滤波器中心频率，保证频率的准确性；并且可通过优化介质棒的尺寸和位置参数，使得调谐频率的同时，保持谐振腔与谐振腔之间的归一化耦合系数保持基本不变，从而实现在调谐过程中保持带宽基本不变且回波保持较好水平；

4、本实用新型可以有效抑制电磁波信号的泄漏问题，不像金属调谐部件一样，需要非常精确的电磁屏蔽结构。

附图说明

图1为本实用新型折叠腔体介质加载可调双工器一个具体实施例的爆炸图；其中，1为底板，2为顶板，3为安装盘，4为谐振腔，5为调谐介质棒，6为耦合窗，7为线性导轨内芯，8为电机，9为控制电路板，10为线性导轨外套。

图2为调谐介质棒伸入谐振腔不同深度情况下滤波器的传输系数；

图3为调谐介质棒伸入谐振腔不同深度情况下滤波器的回波。

具体实施方式

针对现有可调滤波器技术所存在的不足，本实用新型的解决思路是采用多个谐振腔折叠布置的基本结构提高空间利用，并为每个谐振腔配置两根以上可从谐振腔顶部或底部同步伸入谐振腔内的介质棒作为调谐部件，同时对供介质棒进出的通孔尺寸进行优化以抑制电磁波泄漏。

具体而言，本实用新型所提出的折叠腔体介质加载可调滤波器，包括顶面、底面分别共面的一组谐振腔以及调谐机构，这些谐振腔呈非线性的交错排列，且每个谐振腔与它的上一级、下一级谐振腔之间分别开设有耦合窗口；每个谐振腔的顶面/底面上均开设有至少两个通孔；所述调谐机构包括一个与谐振腔的顶面和底面平行设置的安装盘，安装盘上垂直安装有一组高度相同且与所述通孔一一对应的调谐介质棒，各调谐介质棒可随安装盘与谐振腔之间的相对运动并经由对应的通孔伸入相应谐振腔内同样的深度；所述通孔的孔径小于其中λ0为该可调滤波器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。

由于双工器是由一个高端滤波器和一个低端滤波器组合而成的，因此基于同样的实用新型思路还可以得到本实用新型的折叠腔体介质加载可调双工器，包括顶面、底面分别共面的多个谐振腔以及调谐机构，所述谐振腔被分为分别构成低端滤波器和高端滤波器的两组，每一组谐振腔均呈非线性的交错排列且每个谐振腔与它的上一级、下一级谐振腔之间分别开设有耦合窗口；每个谐振腔的顶面/底面上均开设有至少两个通孔；所述调谐机构包括一个与谐振腔的顶面和底面平行设置的安装盘，安装盘上垂直安装有一组高度相同且与所述通孔一一对应的调谐介质棒，各调谐介质棒可随安装盘与谐振腔之间的相对运动并经由对应的通孔伸入相应谐振腔内同样的深度；所述通孔的孔径小于其中λ0为该可调双工器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。

其中，为每个谐振腔配置的调谐介质棒最好是两或三根，亦即每个谐振腔的通孔数优选为2或3。这样做的原因在于：介质调谐棒在谐振腔体内部通过改变电磁场能量的分布同时调谐谐振腔体的频率和两个谐振腔之间的耦合。当介质棒向耦合窗口方向靠近时，耦合数会变大，但是同时频率会变高，当介质调谐棒远离耦合窗口向谐振腔中心靠近时，耦合系数变弱，而谐振频率变低。通过调整介质调谐棒在谐振腔体中的位置，以及介质调谐棒的直径来同时调整耦合系数和谐振频率。为了减少介质调谐棒的种类数，本实例中只采用直径4mm、4.5mm和5mm三种规格，多数情况下，每一个谐振腔两个介质调谐棒就能满足要求，但是在有些谐振腔中，不能满足要求是，则采用三个介质调谐棒。当然数量也可以更多，虽然通过增加数量，可以降低仿真难度，但相应的会导致结构过于复杂，且成本增加。调谐介质棒应采用介电常数适中损耗角正切小的介质材料，调谐介质棒的介电常数εr选择不应过低，过低导致调谐的范围很窄；也不应过高，过高会导致调谐太敏感，不容易控制；本实用新型优选采用介电常数为3.0～5.5的介质材料，例如石英，或者微波陶瓷、塑料等。另外，介质的损耗角正切越小越好，越小则滤波器的插损越小。

为了保证调谐介质棒伸入滤波器谐振腔内的深度是一样的，本实用新型所使用的所有介质调谐棒的长度都是一样的，并且都安装在同一个安装盘上，从而可随安装盘与谐振腔之间的相对运动伸入或拔出谐振腔，来改变滤波器的中心工作频率，伸入谐振腔的深度越深，则频率越低，反之，则频率越高。安装盘的材质并无特殊要求，既可以是金属材料或非金属材料，也可以采用与调谐介质棒相同的介质材料一体化成型同时得到带有调谐介质棒的安装盘，可以根据成本和制作工艺难度灵活确定。安装盘与谐振腔之间的相对运动可以采用手动或电动等各种驱动方式(通常采用电动马达驱动)，还可以增加线性导轨以保证安装盘与谐振腔之间相对运动时的平衡。为了实现滤波器调谐的远程操控，可进一步采用具有遥控功能的遥控驱动装置。

根据实际需要，谐振腔中还可以增设谐振器，例如柱状、台阶状、不规则凸起状等结构的谐振器。

本实用新型在谐振腔顶部或底部设置有用于使调谐介质棒通过的通孔，为了防止电磁波经由这些通孔泄漏，本实用新型对这些通孔的孔径进行了优化，设计的通孔孔径小于其中λ0为该可调滤波器/双工器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。这些通孔的孔径、形状可以相同也可以不同，只要通孔尺寸满足这一条件即可有效抑制电磁信号泄漏，考虑到制作方便，所有通孔的尺寸、形状最好统一。由于不用考虑电磁信号泄漏的问题，调谐介质棒不需要与通孔紧密配合，一方面，不需要考虑复杂的电磁屏蔽措施；另一方面，对调谐介质棒的加工精度要求降低了，调谐介质棒的直径可更小，从而可使得在插入介质棒时，存在一定的间隙，避免由于存在摩擦力而导致介质棒和腔体之间的卡死，马达不能推动介质棒的情况发生。

调谐介质棒的直径可以互不相同，但这样会给电磁性能的仿真优化以及调谐介质棒的生产制造带来困难；综合考虑设计弹性、设计复杂度以及生产成本，可以为调谐介质棒设定少量几个尺寸规格，例如5mm、4.5mm和4mm这三个规格。

该可调滤波器/双工器适宜应用在二、三GHz到二、三十GHz的频率范围内，最好为点对点通信的6GH和7/8GHz或者5G通信技术中的Sub-6GHz这样的较低的频段。

为了便于公众理解，下面通过一个可调双工器的具体实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实施例中的可调双工器包括金属的底板1和顶板2，其中底板上设置有一系列深度相同的凹腔，底板1和顶板2可上下拼合成一个完整的部件，在该部件内部即形成一系列等高的谐振腔4，如图1所示，这些谐振腔4呈非线性的交错排列，即构成所谓折叠腔体结构。本实施例为双工器(滤波器与此类似)，这些谐振腔4被分为分别组成高端滤波器和低端滤波器的两组，每一组谐振腔4中的上一级谐振腔与相邻的下一级谐振腔之间通过开设在两个谐振腔之间侧壁上的耦合窗口6实现电磁耦合，当然也可以采用其它的耦合方式。本实施例中的谐振腔中并未设置谐振器，实际上可以根据需要的工作频段在谐振腔中设置谐振器，例如柱状、台阶状、不规则凸起状等结构的谐振器。

如图1所示，本实施例的调谐机构包括一片金属铝制成的安装盘3，平行设置在底板1下方，安装盘3上安装有一系列高度一致的调谐介质棒5(本实施例中采用圆形石英棒，其损耗介电常数εr为3.78，损耗角正切小于0.0001，石英棒的直径规格为5mm、4.5mm和4mm)，每个谐振腔对应2或3根调谐介质棒5，当安装盘3相向底板1运动时，调谐介质棒5可经由与其一一对应地设置于底板1底部的圆形的通孔6伸入相应谐振腔同样的深度，滤波器中心频率随调谐介质棒5伸入谐振腔的深度变化，深入深度越深，则频率越低，反之，则频率越高。为了有效抑制电磁信号泄露，通孔6的孔径小于其中λ0为该可调双工器最大工作频率在空气中的波长，εr为调谐介质棒的介电常数。石英棒直径和其在对应谐振腔内的位置参数通过仿真计算确定，可使得在调谐频率的同时，保持谐振腔与谐振腔之间的归一化耦合系数保持基本不变，从而保证在调谐过程中保持带宽基本不变且回波保持较好水平。如图1所示，本实施例中的调谐机构还包括用于驱动安装盘3相向底板1运动的电机8，线性导轨内芯7与线性导轨外套10所构成的线性导轨用于确保运动时的平衡，控制电路板9用于根据遥控指令控制电机8的运行。

图2和图3分别给出了调谐棒伸入谐振腔中的深度分别是0.25mm、2.9mm、5mm、7.5mm/8.5五个状态下，上述可调双工器中高端滤波器的传输系数和回波，由图可见该滤波器在7.2GHz--8.2GHz的频率范围内调谐时，具有良好的回波和损耗，且带宽可以保持基本不变。