一种基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器的制作方法

本发明涉及微波技术领域，尤其是指一种基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器。

背景技术：

微波滤波器是目前射频微波集成电路中非常重要的器件之一。其中，腔体滤波器具有高功率容量，高品质因数、高稳定性、低损耗、良好的温度特性等特点，因此常被用于通信基站、航空、航天、雷达、电子对抗、广播电视等电子设备中。同时，由于滤波器的谐振器尺寸与工作频率存在着一定的反比例关系，在频率较低时，滤波器的尺寸就会比较大，这制约了腔体滤波器的应用，因此在提高性能的基础上进行滤波器的小型化设计成为是微波滤波器研究者面临的主要挑战。但是腔体滤波器最大的缺点是体积和加工成本比其他形式的滤波器大得多。腔体多模滤波器是一种小型化的腔体滤波器，在腔体多模滤波器中，一个腔能实现多个单腔单模谐振器才能实现的滤波效果，因此减小了整个滤波器的尺寸，从而实现了腔体滤波器的小尺寸和低成本。为了减小滤波器的尺寸和降低加工成本，腔体多模滤波器的研究逐渐成为国内外的研究热点。

据调查与了解，已公开的腔体多模滤波器现有技术如下：

第一种方法：利用介质谐振器偏移的方法实现简并模式的分离。

2015年华南理工大学的王世伟教授提出了一种采用金属圆柱微扰偏移的三模/四模宽带滤波器，该三模圆柱腔内存在3个模式：ete+模,ete-模和etm模，其中etm模的谐振频率由金属圆柱微扰的高度来控制，ete-模和etm模通过金属圆柱微扰的偏移量控制。该三模宽带滤波器的fbw为30％，第一个谐波出现在5ghz处，因此阻带特性较差，而且带宽还有待拓宽。在此基础上，专利申请号为zl201410171537.4的授权专利一种采用单腔三模腔体谐振器的宽带滤波器已经公开相关技术，但是，该专利公开的滤波器采用直金属馈线馈电，通过偏移谐振器的方法分离三个模式，这导致尺寸太大，阻带特性较差。

但是在目前的腔体多模滤波器的研究中，尺寸问题仍然是急需解决的关键问题，大尺寸将影响腔体多模滤波器的应用。

技术实现要素：

本发明为了解决现有腔体多模滤波器尺寸过大的技术缺陷，提供一种基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器，其在实现三模宽频通带特性的同时，还实现了小型化、宽阻带、较高的通带选择性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器，包括：圆柱腔体，输入端口，输出端口，输入端l形馈线，输出端l形馈线，阶跃阻抗同轴内导体，加载饼片，所述基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器关于对称面a-a’对称；所述输入端l形馈线与所述输入端口的信号线相连；所述输出端l形馈线与所述输出端口的信号线相连；所述阶跃阻抗同轴内导体的下端垂直连接所述圆柱腔体的下圆底中心，所述加载饼片加载在所述阶跃阻抗同轴内导体的粗细交替的中心位置；tm01模的谐振频率由所述阶跃阻抗同轴内导体的尺寸和所述加载饼片的尺寸共同决定；所述圆柱腔体的直径、所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线的长度共同影响te+模和te-模的谐振频率。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述阶跃阻抗同轴内导体为上粗下细的阶跃阻抗圆柱体，其粗圆柱部分高度是细圆柱部分的高度的一半；所述细圆柱部分的下端短路接地，而所述粗圆柱部分的上端开路。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述加载饼片加载位置为所述阶跃阻抗圆柱体的三分点位置。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述圆柱腔体的宽度直接决定te+模和te-模这对简并模的谐振频率，所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线等长对称，所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线的长度进一步影响te+模和te-模的谐振频率；所述输入端l形馈线和输出端l形馈线等高，所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线的高度控制te+模和te-模的分离。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线与所述阶跃阻抗同轴内导体之间的间隙决定馈电给3个模式的耦合强度。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述输入端l形馈线和所述输出端l形馈线存在源负载耦合，所述源负载耦合产生并控制通带两边的传输零点。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述圆柱腔体高度高于所述阶跃阻抗同轴内导体的高度。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述输入端l形馈线与所述输入端口的信号线通过焊接相连；所述输出端l形馈线与所述输出端口的信号线通过焊接相连。

在本发明所述的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器中，所述阶跃阻抗同轴内导体的下端通过焊接垂直连接所述圆柱腔体的下圆底中心。

本发明的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器，在实现三模宽频通带特性的同时，还实现了小型化、宽阻带、较高的通带选择性，此外，还具有低色散、设计和加工简单等特性，能够满足小型宽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为根据本发明提出的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器的结构的3维视图；

图2为根据本发明提出的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器的结构的俯视图；

图3为根据本发明提出的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器的结构的侧视图；

图4(a)是tm01模磁场图；

图4(b)是te-模电场图；

图4(c)是te+模电场图；

图5(a)为随加载饼片半径r变化，三个谐振模式的谐振频率变化图；

图5(b)为随加载饼片半径r变化，宽带滤波器频率响应变化图；

图6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。

1、三模实现原理。

本发明提出的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器结构图如图1、图2和图3所示。图4为该三个谐振模式的电磁场分布图，其中图4(a)、图4(b)和图4(c)分别表示同轴腔内的tm01模磁场图，te+模电场图和te-模电场图，a-a’表示对称面，其中tm01模为同轴谐振器所固有的谐振模式，而te+模和te-模则是由腔体半径决定谐振频率的一对简并模式，通过l字形馈线的高度可以控制这对简并模式分离。

2、宽通带实现原理

宽通带的实现是通过控制tm01模、te+模和te-模的谐振频率，将这3个谐振频率调至同一宽通带内，再通过调整馈线的高度与同轴内导体的间隙给予3个模式强耦合，从而实现稳定的宽通带。

3、小型化实现原理

通过阶跃阻抗饼片加载技术实现腔体三模宽带滤波器的小型化，高阻抗短路接地低阻抗开路的阶跃阻抗结构可以使tm01模向低频移动，与此同时，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tm01的谐振频率而不会影响第一个谐波的谐振频率，这样可以通过增加饼片的尺寸进一步使tm01模向低频移动。加载饼片的半径r与谐振频率的关系如图5(a)所示，随加载饼片的半径r变化，宽带滤波器频率响应变化图如图5(b)所示，其中由于tm01模向低频移动，使得整个通带向低频移动，同时，由tm高次谐波产生的寄生通带也向低频移动。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决了腔体三模宽带滤波器研究中的关键问题：在实现同轴谐振腔较宽带宽的同时，解决了现有腔体多模滤波器尺寸过大的技术缺陷。提供一种结构紧凑、体积小、成本低、高q值，高功率容量的基于阶跃阻抗饼片加载技术的同轴三模宽带滤波器。此外，克服现有技术低选择性、加工复杂等的缺点与不足，提出的同轴单腔三模宽带滤波器能够具有小型化、高选择性、低色散、设计和加工简单等特点。该滤波器能够满足小型、高选择性，通带带宽较宽的设计要求，可应用于移动通信中的基站、雷达、遥感等微波电子系统中。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1、图2和图3分别是本发明的三维视图、俯视图和侧视图，一种基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器，包括：腔体1，输入端口2，输出端口3，输入端l形馈线4，输出端l形馈线5，阶跃阻抗同轴内导体6，加载饼片同轴腔的实心内导体7。

所述腔体1为一个空心圆柱腔体，腔体高度大于阶跃阻抗同轴内导体6的高度，腔体的直径决定一对te简并模的谐振频率，所述输入端口2和输出端口3为通过sma接头周边的4个螺钉正交固定在一定高度的腔体外壁上，该高度控制这对te简并模的分离；所述阶跃阻抗同轴内导体6为上粗下细的阶跃阻抗实心圆柱体，粗圆柱体高度是细圆柱体高度的一半，下端通过焊接垂直连接圆柱腔体的下圆底中心，所述加载饼片7加载在阶跃阻抗同轴内导体的粗细交替的中心位置；tm01模的谐振频率由阶跃阻抗同轴内导体6的尺寸和加载饼片7的尺寸共同决定；所述腔体1的直径和所述输入端l形馈线4和输出端l形馈线5的长度共同控制te+模和te-模的谐振频率。

进一步地，所述阶跃阻抗同轴内导体6的细圆柱体(高阻抗)下端短路接地，而粗圆柱体(低阻抗)上端开路，通过这种阶跃阻抗结构的阻抗比控制同轴腔的三次模谐振频率与tm01模谐振频率之比，在拓宽阻带的情况下，初步确定tm01模谐振频率。

进一步地，由于所述阶跃阻抗同轴内导体的粗圆柱体高度是细圆柱体高度的一半，而所述加载饼片7加载在阶跃阻抗同轴内导体的粗细交替的中心位置，因此所述加载饼片加载位置为三分点位置，而这种加载点使得tm01模的谐振频率向低频移动，而其第一个谐波的谐振频率不变，其加载饼片的半径与谐振频率的关系图如图5(a)所示，随着加载饼片半径增大，tm01模的谐振频率向低频移动，而其他谐振模式的谐振频率几乎不变。而图5(b)进一步验证了加载饼片的半径只影响带内的一个模式。因此可以通过控制加载饼片的尺寸进一步降低tm01模谐振频率实现滤波器的小型化。

进一步地，所述输入端l形馈线4和所述输出端l形馈线5与所述阶跃阻抗同轴内导体6之间的间隙决定馈电给3个模式的耦合强度。

进一步地，所述输入端l形馈线和输出端l形馈线存在源负载耦合，通过控制该耦合产生并控制通带两边的传输零点。

根据上述实施方式，在本实施例中的圆柱腔体尺寸的高为17.2mm，直径为34mm。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。基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器的仿真结果图如图6所示。该滤波器的中心频率为2.55ghz，带宽为1ghz，整个通带的s11都低于38db，通带波纹为0.005db，上阻带有一个传输零点(0.4ghz)，下阻带有两个传输零点(4ghz和5.8ghz)，阻带范围为3.1ghz-6.1ghz。

本发明实施例的基于阶跃阻抗饼片加载的小型化同轴腔三模宽带滤波器，具有非常小的尺寸、较宽的宽频通带特性、良好的通带选择性、以及良好的宽阻带特性，能够满足小型宽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。

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。