本實(shí)用新型涉及介質(zhì)濾波器的技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種采用調(diào)諧螺釘、短接金屬柱結(jié)構(gòu)控制諧振頻率以及采用金屬耦合環(huán)結(jié)構(gòu)控制耦合的新型四模介質(zhì)濾帶通波器。
背景技術(shù):
隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展,現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)信息高速傳播的時(shí)代,時(shí)刻可見信息在我們的身邊進(jìn)行傳遞,無線通信已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,比如移動(dòng)通信、雷達(dá)導(dǎo)航和電子對抗。微波濾波器在無線通信系統(tǒng)有著不可替代的重要作用,在無線通信的過程中對進(jìn)行通信的頻率起著選擇作用,即抑制不需要的頻率,使其不能通過,同時(shí)讓有用的頻率通過,其性能的好壞往往對整個(gè)無線通信系統(tǒng)的性能有直接的影響。
近幾十年來,信息產(chǎn)業(yè)和無線通信系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展,分配到各類通信系統(tǒng)中的頻率間隔越來越密,這就對微波濾波器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,不僅要求微波濾波器的插入損耗小、功率容量大和帶外抑制高等,還希望濾波器的體積小和重量輕,以便于微波濾波器在無線通信系統(tǒng)進(jìn)行集成和小型化,而采用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料和多模技術(shù)設(shè)計(jì)的多模介質(zhì)濾波器正好滿足無線通信系統(tǒng)發(fā)展的需求,發(fā)展突飛猛進(jìn),被廣泛應(yīng)用于無線基站和航天航空等領(lǐng)域。
2011年,Luca Pelliccia和Fabrizio Cacciamani等人在Microwave Conference Proceedings(APMC)上發(fā)表題為“Ultra-compact pseudoelliptic waveguide filters using TM dual-mode dielectric resonators”的文章。作者利用使用了TM模的介質(zhì)諧振器,實(shí)現(xiàn)了雙腔四階雙模介質(zhì)濾波器。該濾波器的腔內(nèi)耦合是通過對外部金屬腔進(jìn)行切角實(shí)現(xiàn)的,通過控制金屬腔切角的大小,可以實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制,該濾波器的腔間耦合是通過在兩個(gè)腔體磁場強(qiáng)度最強(qiáng)的位置開槽實(shí)現(xiàn)的。
2012年S.Yakuno和T.Ishizaki在Microwaves Conference Proceedings上發(fā)表題為“Novel Cavity-Type Multi-Mode Filter using TEM-mode and TE-mode”的文章。濾波器模型包括一個(gè)圓柱型的金屬外腔、兩個(gè)一端短路一端開路的圓柱形介質(zhì)諧振器和若干調(diào)諧機(jī)構(gòu)。外部的金屬圓柱腔工作在半波長諧振器狀態(tài),存在兩個(gè)電場相互垂直的簡并模式TE11模,而兩個(gè)圓柱型介質(zhì)諧振器相當(dāng)于準(zhǔn)同軸諧振器,工作在四分之一波長奇偶模狀態(tài),諧振在TEM模式,TE11模式和TEM模式的耦合控制是通過調(diào)諧螺釘實(shí)現(xiàn),此外,TE11模式和TEM模式的頻率控制也是通過螺釘實(shí)現(xiàn)。
2009年,M.Memarian和R.R.Mansour在IEEE Trans.Microwave.Theory Tech上發(fā)表題為“Quad-Mode and Dual-Mode Dielectric Resonator Filters”的文章。作者通過圓柱介質(zhì)諧振器的HEE11簡并模式和HEH11簡并模式實(shí)現(xiàn)了四模介質(zhì)帶通濾波器。作者首先通過調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振器的尺寸比將HEE11簡并模式和HEH11簡并模式的諧振頻率調(diào)在一起,然后通過調(diào)節(jié)螺釘來實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)耦合耦合強(qiáng)度和頻率的控制,垂直的螺釘主要調(diào)節(jié)HEE11簡并模式的頻率和耦合,水平的螺釘主要調(diào)節(jié)HEH11簡并模式的頻率和耦合。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷,提供一種采用調(diào)諧螺釘和短接金屬柱結(jié)構(gòu)控制頻率的四模介質(zhì)帶通濾波器,同時(shí)采用金屬耦合環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對四模介質(zhì)帶通濾波器諧振模式耦合的控制,性能良好,便于加工。
本實(shí)用新型的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
一種新型四模介質(zhì)帶通濾波器,所述四模介質(zhì)帶通濾波器包括外部腔體1、用于信號(hào)輸入或者輸出的第一輸入輸出端口2和第二輸入輸出端口3,所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3均開設(shè)在所述外部腔體1上;
所述外部腔體1內(nèi)的中心處設(shè)置有金屬柱8,所述外部腔體1內(nèi)還設(shè)置有第一介質(zhì)塊4、第二介質(zhì)塊5、第三介質(zhì)塊6和第四介質(zhì)塊7,各個(gè)介質(zhì)塊分別位于所述金屬柱8的四周,所述金屬柱8以及各個(gè)介質(zhì)塊均與所述外部腔體1上、下表面短接;
所述第一介質(zhì)塊4、所述第二介質(zhì)塊5、所述第三介質(zhì)塊6和所述第四介質(zhì)塊7的中心處均開設(shè)有圓形通孔;
所述外部腔體1上表面設(shè)置有第一調(diào)諧螺釘9、第二調(diào)諧螺釘10、第三調(diào)諧螺釘11以及第四調(diào)諧螺釘12,并且分別位于所述第一介質(zhì)塊4、所述第二介質(zhì)塊5、所述第三介質(zhì)塊6和所述第四介質(zhì)塊7中心處的圓形通孔內(nèi);
所述外部腔體1內(nèi)還設(shè)置有U型的第一金屬耦合環(huán)13和第二金屬耦合環(huán)14,分別位于所述金屬柱8的兩側(cè),所述第一金屬耦合環(huán)13和所述第二金屬耦合環(huán)14的開口方向朝向所述外部腔體1的上表面。
進(jìn)一步地,所述第一調(diào)諧螺釘9、所述第二調(diào)諧螺釘10,所述第三調(diào)諧螺釘11以及所述第四調(diào)諧螺釘12用于控制所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率。
進(jìn)一步地,所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率通過改變所述第一調(diào)諧螺釘9、所述第二調(diào)諧螺釘10、所述第三調(diào)諧螺釘11以及所述第四調(diào)諧螺釘12的尺寸實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地,所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率通過改變控制所述第一介質(zhì)塊4、所述第二介質(zhì)塊5、所述第三介質(zhì)塊6和所述第四介質(zhì)塊7到所述金屬柱8的距離實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地,所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率通過改變所述金屬柱8的尺寸實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地,所述四模介質(zhì)帶通濾波器的腔內(nèi)耦合強(qiáng)度通過改變所述第一金屬耦合環(huán)13和所述第二金屬耦合環(huán)14的尺寸實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步地,所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3采用接地的同軸端口實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地,所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3的端口耦合強(qiáng)度可通過控制端口到介質(zhì)塊的距離實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)一步地,所述第一介質(zhì)塊4、所述第二介質(zhì)塊5、所述第三介質(zhì)塊6和所述第四介質(zhì)塊7均為圓柱形。
本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
1、通過調(diào)諧螺釘和短接金屬柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對四模介質(zhì)帶通濾波器諧振頻率的控制,便于加工制造。
2、通過金屬耦合環(huán)實(shí)現(xiàn)對耦合強(qiáng)度的控制,同樣便于加工制造。
3、采用四個(gè)模式進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì),具有體積小,Q值高等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型公開的一種新型四模介質(zhì)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本實(shí)用新型公開的一種新型四模介質(zhì)帶通濾波器的仿真示意圖;
圖3是實(shí)施例中諧振腔的俯視圖;
圖4是本實(shí)用新型中諧振頻率隨介質(zhì)塊到諧振腔中心處距離的變化曲線;
圖5是本實(shí)用新型中諧振頻率隨短接金屬柱半徑的變換曲線;
圖6是實(shí)施例中設(shè)置有腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的諧振腔的結(jié)構(gòu)圖;
圖7是實(shí)施例中腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖;
圖8是本實(shí)用新型中腔內(nèi)耦合強(qiáng)度隨金屬耦合環(huán)高度的變化曲線;
其中,1——外部腔體,2——第一輸入輸出端口,3——第二輸入輸出端口,4——第一介質(zhì)塊,5——第二介質(zhì)塊,6——第三介質(zhì)塊,7——第四介質(zhì)塊,8——金屬柱,9——第一調(diào)諧螺釘,10——第二調(diào)諧螺釘,11——第三調(diào)諧螺釘,12——第四調(diào)諧螺釘,13——第一金屬耦合環(huán),14——第二金屬耦合環(huán)。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖,對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
實(shí)施例一
本實(shí)施例公開了一種采用調(diào)諧螺釘和金屬柱結(jié)構(gòu)控制諧振頻率以及采用金屬耦合環(huán)控制耦合的四模介質(zhì)帶通濾波器,性能良好,容易加工制造。
四模介質(zhì)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,2和3為四模介質(zhì)帶通濾波器的第一輸入輸出端口和第二輸入輸出端口,當(dāng)?shù)谝惠斎胼敵龆丝?作為四模介質(zhì)帶通濾波器的輸入端口時(shí),第二輸入輸出端口3作為四模介質(zhì)帶通濾波器的輸出端口,反之,當(dāng)?shù)诙斎胼敵龆丝?作為四模介質(zhì)帶通濾波器的輸入端口時(shí),第一輸入輸出端口2作為雙模介質(zhì)濾波器的輸出端口。1是濾波器的外部腔體。4、5、6和7分別是外部腔體1中的第一介質(zhì)塊、第二介質(zhì)塊、第三介質(zhì)塊和第四介質(zhì)塊。8是外部腔體1中的金屬柱。9、10、11和12是位于外部腔體上表面控制頻率的第一調(diào)諧螺釘、第二調(diào)諧螺釘、第三調(diào)諧螺釘以及第四調(diào)諧螺釘。13和14分別為位于外部腔體1中用于控制腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的第一金屬耦合環(huán)和第二金屬耦合環(huán)。
一種新型四模介質(zhì)帶通濾波器,包括外部腔體1、第一輸入輸出端口2、第二輸入輸出端口3。所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3均開設(shè)在所述外部腔體1上。
所述外部腔體1內(nèi)設(shè)置有第一介質(zhì)塊4,第二介質(zhì)塊5,第三介質(zhì)塊6和第四介質(zhì)塊7。
所述外部腔體1內(nèi)設(shè)置有金屬柱8。所述金屬柱8與外部腔體1上下表面短接。
所述金屬柱8用于控制所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率。
所述外部腔體1的上表面設(shè)置有第一調(diào)諧螺釘9、第二調(diào)諧螺釘10、第三調(diào)諧螺釘11以及第四調(diào)諧螺釘12。
所述第一調(diào)諧螺釘9、第二調(diào)諧螺釘10、第三調(diào)諧螺釘11以及第四調(diào)諧螺釘12用于控制所述四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率。
所述外部腔體1設(shè)置有第一金屬耦合環(huán)13和第二金屬耦合環(huán)14。
所述第一金屬耦合環(huán)13和第二金屬耦合環(huán)14用于控制所述四模介質(zhì)帶通濾波器的腔內(nèi)耦合強(qiáng)度。
具體應(yīng)用中,對四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率的控制是通過改變第一調(diào)諧螺釘9、第二調(diào)諧螺釘10、第三調(diào)諧螺釘11以及第四調(diào)諧螺釘12的尺寸實(shí)現(xiàn)的。
具體應(yīng)用中,對四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率的控制是通過改變第一介質(zhì)塊4,第二介質(zhì)塊5,第三介質(zhì)塊6和第四介質(zhì)塊7到諧振腔中心處的距離實(shí)現(xiàn)的。
具體應(yīng)用中,對四模介質(zhì)帶通濾波器的腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制是通過改變第一金屬耦合環(huán)13和第二金屬耦合環(huán)14的尺寸實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)施例中,所述第一介質(zhì)塊4、第二介質(zhì)塊5、第三介質(zhì)塊6和第四介質(zhì)塊7為圓柱形。
本實(shí)施例中,所述第一介質(zhì)塊4、第二介質(zhì)塊5、第三介質(zhì)塊6和第四介質(zhì)塊7中心處開設(shè)有圓形通孔。
具體應(yīng)用中,所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3則是采用接地的同軸端口實(shí)現(xiàn)的,所述第一輸入輸出端口2和所述第二輸入輸出端口3的端口耦合強(qiáng)度的控制則是通過控制端口到介質(zhì)塊的距離實(shí)現(xiàn)的。
具體應(yīng)用中,所述腔體1采用鋁、銅、鐵、金或者銀中的任意一種金屬或任意幾種金屬的合金制作。
為了驗(yàn)證控制四個(gè)介質(zhì)塊到諧振腔中心的距離d和短接金屬柱的半徑r對四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率的調(diào)諧作用,保持四模介質(zhì)帶通濾波器的其它參數(shù)不變,分別對其取不同值進(jìn)行仿真,其中圖3是諧振腔的俯視圖,圖4和圖5是仿真結(jié)果。
由圖4的仿真結(jié)果可以看到,保持其它參數(shù)不變,隨著介質(zhì)塊到諧振腔中心處的距離d不斷增大,諧振腔中四個(gè)模式的諧振頻率呈上升的趨勢;由圖5的仿真結(jié)果可以看到,保持其它參數(shù)不變,隨著短接金屬柱的半徑r不斷給增大,諧振腔中第一個(gè)模式、第二個(gè)模式和第三個(gè)模式的諧振頻率呈上升的趨勢,第四個(gè)模式的諧振頻率基本保持不變。因此可以通過控制介質(zhì)塊到諧振腔中心的距離d和短接金屬柱的半徑r實(shí)現(xiàn)四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率控制。
四模介質(zhì)帶通濾波器的腔內(nèi)耦合強(qiáng)度是由金屬耦合環(huán)所控制的,為了驗(yàn)證金屬耦合環(huán)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的影響,保持其它參數(shù)不變,對金屬耦合環(huán)的高度H取不同值進(jìn)行仿真,圖6是設(shè)置有腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的諧振腔結(jié)構(gòu)圖,圖7是設(shè)置有腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的諧振腔側(cè)視圖,圖8是仿真結(jié)果。
由圖8的仿真結(jié)果可以看到,保持其它參數(shù)不變,隨著金屬耦合環(huán)的高度H不斷增大,腔內(nèi)耦合強(qiáng)度k呈下上升的趨勢,因此通過控制金屬耦合環(huán)的高度H可以實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。
實(shí)施例二
如圖1所示,在本實(shí)施例的設(shè)計(jì)中,先根據(jù)諧振腔的場分布確定短接金屬柱的位置、輸入輸出端口耦合結(jié)構(gòu)的位置和金屬耦合環(huán)的位置。四模介質(zhì)帶通濾波器的諧振頻率不僅由介質(zhì)塊和外部腔體的尺寸所決定,同時(shí)還會(huì)受到調(diào)諧螺釘和短接金屬柱的影響,通過控制調(diào)諧螺釘?shù)那度肷疃群投探咏饘僦陌霃娇梢詫?shí)現(xiàn)對四模介質(zhì)帶通濾波器諧振頻率的控制。同時(shí),通過控制金屬耦合環(huán)的高度可以實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。在本次實(shí)施例中,所用圓柱形介質(zhì)塊的外徑為15.2mm,內(nèi)徑為4mm,高度為7mm(圖1中第一介質(zhì)塊、第二介質(zhì)塊、第三介質(zhì)塊和第四介質(zhì)塊的尺寸),介質(zhì)塊到諧振腔的中心距離為26.2mm(圖1中第一介質(zhì)塊、第二介質(zhì)塊、第三介質(zhì)塊和第四介質(zhì)塊到諧振腔中心處的金屬柱的距離),短接金屬柱的半徑為4mm(圖1中金屬柱的半徑),金屬耦合環(huán)的高度為5mm(圖1中第一金屬耦合環(huán)和第二金屬耦合環(huán)的高度),該濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其仿真結(jié)果如圖2所示。
圖2為該四模介質(zhì)帶通濾波器的頻率響應(yīng)的仿真曲線。從圖2的仿真結(jié)果中可以看到,該雙模介質(zhì)濾波器的回波損耗大于12dB,插入損耗小于0.5dB,工作頻率為1.871GHz~2.042GHz,帶寬為171MHz。
綜上所述,本實(shí)用新型提出了一種控制四模介質(zhì)帶通濾波器的頻率和耦合的設(shè)計(jì)方案。在此方案下,可以設(shè)計(jì)出性能良好的四模介質(zhì)帶通濾波器。由于四模介質(zhì)帶通濾波器具有插入損耗小、功率容量大、帶外抑制高、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn),在通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本實(shí)用新型不僅具有良好的工作特性,還易于加工制造,有利于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)。該濾波器的創(chuàng)新之處在于通過調(diào)諧螺釘和短接金屬柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對四模介質(zhì)帶通濾波器諧振頻率的控制,同時(shí)通過控制金屬耦合環(huán)的高度實(shí)現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。
本實(shí)用新型包括并不僅限于上述給出的實(shí)施方案,本領(lǐng)域技術(shù)人員在本實(shí)用新型的構(gòu)思下,在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下,可對濾波器的結(jié)構(gòu)做出不同的變化和替換,例如改變介質(zhì)塊的形狀和尺寸,耦合結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀,頻率控制結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸以及外部腔體的形狀和尺寸等,這些變形和替換也屬于本專利保護(hù)范圍。
上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式,但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。