一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，包括腔體、第一端口、第二端口、第一微擾金屬體、第二微擾金屬體以及第三微擾金屬體；所述第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體設置在腔體內的底部，第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體的中心均偏離腔體的中心，且第一微擾金屬體和第二微擾金屬體以腔體的縱向中心線為中心相互對稱，第三微擾金屬體的中心在第一微擾金屬體和第二微擾金屬體的對稱線上；所述第一端口和第二端口設置在腔體上，并貫穿腔體外壁和內壁。本發明具有高選擇性、高Q值、設計和加工簡單的特點，而且具有比較寬的分數帶寬，能夠很好的滿足小型化通信的要求。
【專利說明】
一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種腔體結構的濾波器，尤其是一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，屬于無線通信領域。
【背景技術】
[0002]在現代移動通信技術中，微波射頻器件已成為了必不可少的重要組成部分。濾波器作為基本的一種射頻器件，其插入損耗、帶外抑制和功率容量等一系列指標對于整機的性能有著重要的影響。系統小型化便攜化的趨勢要求濾波單元在更小空間內實現所需性能指標。
[0003]針對上述需求，波導腔體多模濾波器具有很多優點:第一，高Q值；第二，高功率容量；第三，波導腔體多模濾波器在一個腔體內就能實現單模所需的幾個腔才能實現的濾波特性，因此，小型化這一優勢顯露無疑。這三大特點保證了濾波器的小型化和高性能的要求。同時我們也不能忽視介質多模濾波器在產品研制、制造，尤其是規模化生產的實現上存在諸多挑戰，主要是以下問題:其一，高次模產品復雜的寄生耦合對于主模式影響很大，大大提高了仿真尤其是調試的復雜性。這要求對待高次模必須借助其固有特性，消減負面影響，加強有效利用；其二，復雜的可調諧耦合結構，通常的腔體多模調諧結構為螺釘，并且在分離簡并模的問題上采用切角和與在兩個極化的電場成45°加耦合螺釘的方法，這樣的話加工難度提高，從而提高了加工成本。
[0004]據調查與了解，已經公開的現有技術如下:
[0005]對于腔體結構的濾波器要產生多模結構，必須使腔體內的激勵起的各個模式之間存在耦合，一般通過以下幾種方法進行模式之間的耦合:(I)在諧振器合適的方向伸進耦合螺釘，結構如圖1a和圖1b所示；(2)剖出個矩形切角，結構如圖2a和圖2b所示；(3)在諧振器中心開槽，結構如圖3a和圖3b所示。對于工程應用，利用耦合螺釘、切角、開槽等方法，可以解決實際的工程需要，但結構復雜，不易加工。
[0006]1951年林為干院士基于波導腔體內模式的諧振頻率基本公式提出圓柱形諧振腔中存在著多個簡并模式，并設計了顯著減小波導濾波器體積的一腔五模濾波器。1992年，Shengli Lai 和 Weigan Lin 在 IEEE MTT-S Digest 發表題為 “A Five Mode SingleSpherical Cavity Microwave Filter”文章,作者提出了一種圓球型腔體，通過調諧螺釘及耦合螺釘實現了單腔五模的帶通濾波器，濾波器的結構示意圖如圖4所示，測試結果如圖5所示。從測量結果可知該濾波器的帶寬比較窄。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，該濾波器結構簡單、加工容易，實現一個腔體內分離兩對簡并模，產生五個模式，而且具有比較寬的分數帶寬，能夠滿足通信系統的要求。
[0008]本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0009]一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:包括腔體、第一端口、第二端口、第一微擾金屬體、第二微擾金屬體以及第三微擾金屬體；所述第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體設置在腔體內的底部，第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體的中心均偏離腔體的中心，且第一微擾金屬體和第二微擾金屬體以腔體的縱向中心線為中心相互對稱，第三微擾金屬體的中心在第一微擾金屬體和第二微擾金屬體的對稱線上；所述第一端口和第二端口設置在腔體上，并貫穿腔體外壁和內壁；所述第一端口處設有第一導體組件，所述第二端口處設有第二導體組件，所述第一導體組件的軸線和第二導體組件的軸線相垂直，并分別垂直于腔體的縱向中心線。
[0010]作為一種優選方案，所述第一導體組件由第一同軸內導體和第一同軸外導體焊接組成，所述第二導體組件由第二同軸內導體和第二同軸外導體焊接組成；所述第一同軸內導體從第一端口伸進腔體內，所述第一同軸外導體固定在第一端口處的腔體外壁上；所述第二同軸內導體從第二端口伸進腔體內，所述第二同軸外導體固定在第二端口處的腔體外壁上。
[0011 ] 作為一種優選方案，所述第一同軸內導體和第二同軸內導體均米用I禹合桿，所述第一同軸外導體和第二同軸外導體均采用SMA接頭，所述SMA接頭的末端與耦合桿焊接。
[0012]作為一種優選方案，所述每個SMA接頭上設有四個通孔，所述腔體在第一端口和第二端口附近的位置上分別開有四個與SMA接頭的通孔相對應的螺紋孔，所述每個SMA接頭通過四根螺釘穿過四個通孔后與四個螺紋孔配合固定在腔體外壁上。
[0013]作為一種優選方案，所述第一微擾金屬體的底面上設有與第一微擾金屬體構成一整體的第一固定/調諧螺釘，所述第二微擾金屬體的底面上設有與第二微擾金屬體構成一整體的第二固定/調諧螺釘；所述第三微擾金屬體的底面上設有與第三微擾金屬體構成一整體的第三固定/調諧螺釘；所述第一微擾金屬體通過第一固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部，所述第二微擾金屬體通過第二固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部，所述第三微擾金屬體通過第三固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部。
[0014]作為一種優選方案，所述第一固定/調諧螺釘設置在第一微擾金屬體的底面中心處；所述第二固定/調諧螺釘設置在第二微擾金屬體的底面中心處；所述第三固定/調諧螺釘設置在第三微擾金屬體的底面中心處。
[0015]作為一種優選方案，所述腔體為矩形腔或圓柱腔；所述腔體為矩形腔時，所述第一端口和第二端口分別設置在腔體除頂面和底面外的任意兩個相互垂直的面上。
[0016]作為一種優選方案，所述第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體的形狀為圓柱體或矩形體。
[0017]本發明相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0018]1、本發明的濾波器采用的是腔體內偏移金屬體這種簡單的微擾調諧結構，具體是在腔體內設置三個微擾金屬體，并令三個微擾金屬體的中心均偏離腔體的中心，其中兩個微擾金屬體相互對稱，另一個微擾金屬體的中心在這兩個微擾金屬體的對稱線上，使三個微擾金屬體在腔體內形成偏移的五模諧振器，從而實現一個腔體內分離兩對簡并模，具有高選擇性、高Q值、設計和加工簡單的特點，而且具有比較寬的分數帶寬，能夠很好的滿足小型化通信的要求。
[0019]2、本發明的濾波器在2.75GHz?3.78GHz的范圍內有五個明顯的諧振點，可見是采用單腔五模諧振器的寬帶濾波器，并且相對帶寬達到33%，克服了現有濾波器采用單腔單模諧振器所存在的零點產生困難問題。
[0020]3、本發明的濾波器不用加工任何切角或者開槽，加工容易，解決了腔體濾波器帶寬窄加工復雜的問題，且結構簡單，應用范圍廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1a為現有技術采用第一種耦合方式的諧振器立體圖。
[0022]圖1b為現有技術采用第一種耦合方式的諧振器俯視圖。
[0023]圖2a為現有技術采用第二種耦合方式的諧振器立體圖。
[0024]圖2b為現有技術采用第二種耦合方式的諧振器俯視圖。
[0025]圖3a為現有技術采用第三種耦合方式的諧振器立體圖。
[0026]圖3b為現有技術采用第三種耦合方式的諧振器俯視圖。
[0027]圖4a為現有技術中通過調諧螺釘及耦合螺釘實現單腔五模的帶通濾波器結構圖。
[0028]圖4b為現有技術中通過調諧螺釘及耦合螺釘實現單腔五模的帶通濾波器仿真結果圖。
[0029]圖5為本發明實施例1的濾波器正視圖。
[0030]圖6為本發明實施例1的濾波器右視圖。
[0031]圖7為本發明實施例1的濾波器俯視圖。
[0032]圖8為本發明實施例1的濾波器未安裝導體組件的正視圖。
[0033]圖9為本發明實施例1的濾波器未安裝導體組件的右視圖。
[0034]圖10為本發明實施例1的濾波器中未開出端口的腔體與兩個微擾金屬體的位置關系立體圖。
[0035]圖11為本發明實施例1的濾波器中SMA接頭正面結構示意圖。
[0036]圖12為本發明實施例1的濾波器中SMA接頭側面結構示意圖。
[0037]圖13為本發明實施例1的濾波器頻率響應的電磁仿真曲線圖。
[0038]圖14為加工本發明實施例1的濾波器時的上腔體示意圖。
[0039]圖15為加工本發明實施例1的濾波器時的封閉式底板示意圖。
[0040]圖16為本發明實施例2的濾波器俯視圖。
[0041]圖17為本發明實施例3的濾波器俯視圖。
[0042]圖18為本發明實施例4的濾波器俯視圖。
[0043]圖19為本發明實施例5的濾波器俯視圖。
[0044]其中，1-腔體，2-第一端口，3-第二端口，4-第一微擾金屬體,5-第二微擾金屬體，6-第三微擾金屬體，7-第一固定/調諧螺釘，8-第二固定/調諧螺釘，9-第三固定/調諧螺釘，10-第一同軸內導體，11-第一同軸外導體，12-第二同軸內導體，13-第二同軸外導體，14-通孔，15-螺紋孔，16-螺釘，17-末端，18-定位孔，19-第一固定/調諧螺紋孔，20-第二固定/調諧螺紋孔，21-第三固定/調諧螺紋孔。
【具體實施方式】
[0045]實施例1:
[0046]如圖5?圖10所示，本實施例的濾波器包括腔體1、第一端口 2、第二端口 3、第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5以及第三微擾金屬體6,所述腔體I為圓柱腔,所述第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6的形狀為圓柱體,所述第一端口 2和第二端口 3既可以作為輸入端口，又可以作為輸出端口 ；
[0047]所述第一微擾金屬體4的底面上設有與第一微擾金屬體4構成一整體的第一固定/調諧螺釘7，所述第二微擾金屬體5的底面上設有與第二微擾金屬體5構成一整體的第二固定/調諧螺釘8，所述第三微擾金屬體6的底面上設有與第三微擾金屬體6構成一整體的第三固定/調諧螺釘9 ;所述第一微擾金屬體4通過第一固定/調諧螺釘7安裝在腔體I內的底部，所述第二微擾金屬體5通過第二固定/調諧螺釘8安裝在腔體I內的底部，所述第三微擾金屬體6通過第三固定/調諧螺釘9安裝在腔體I內的底部，且第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6均偏離腔體I的中心；所述第一端口 2設置在腔體I的正面，第二端口 3設置在腔體I的右側面，且第一端口 2和第二端口 3都距腔體I的頂面和底面有一段距離，第一端口 2和第二端口 3均貫穿腔體I外壁和內壁；所述第一端口2處設有第一導體組件，所述第二端口 3處設有第二導體組件，所述第一導體組件和第二導體組件都用來傳輸信號，所述第一導體組件由第一同軸內導體10和第一同軸外導體11焊接組成，所述第二導體組件由第二同軸內導體12和第二同軸外導體13焊接組成；所述第一同軸內導體10從第一端口 2伸進腔體I內，所述第一同軸外導體11固定在第一端口 2處的腔體I外壁上；所述第二同軸內導體12從第二端口 3伸進腔體I內，所述第二同軸外導體13固定在第二端口 3處的腔體I外壁上；所述第一導體組件的軸線(設所在坐標軸為z軸)和第二導體組件的軸線(設所在坐標軸為X軸)相垂直，并分別垂直于腔體I的縱向中心線(設所在坐標軸為y軸)，從圖6的俯視圖中可以看到，第一微擾金屬體4頂面的圓心相對于腔體I頂面的中心點，沿-X軸方向偏移了 dx(圖示為-dx),沿z軸方向偏移了 dz ;第二微擾金屬體5頂面的圓心相對于腔體I頂面的中心點，沿X軸方向偏移了 dx，沿-Z軸方向偏移了 dz(圖不為-dz);第三微擾金屬體6頂面的圓心相對于腔體I頂面的中心點，沿X軸方向偏移了 dxl,沿z軸方向偏移了 dzl。由此可見,第一微擾金屬體4和第二微擾金屬體5以腔體I的縱向中心線為中心相互對稱，同時也關于第一端口 2和第二端口 3的對稱面對稱，而第三微擾金屬體6的中心在第一微擾金屬體4和第二微擾金屬體5的對稱線上，同時也在第一端口 2和第二端口 3的對稱面上。
[0048]所述第一同軸內導體10和第二同軸內導體12均采用耦合桿，所述第一同軸外導體11和第二同軸外導體13均采用SMA接頭，每個SMA接頭的結構如圖11和12所示，每個SMA接頭上設有四個通孔14，所述腔體I在第一端口 2和第二端口 3附近的位置上分別開有四個與SMA接頭的通孔14相對應的螺紋孔15，每個SMA接頭通過四根螺釘16穿過四個通孔14后與四個螺紋孔15配合固定在腔體I的外壁上，SMA接頭的末端17與耦合桿焊接。
[0049]本實施例的濾波器頻率響應的電磁仿真曲線如圖13所示，圖中虛線|S11|是輸入端口的回波損耗，S21是輸入端口到輸出端口的正向傳輸系數，可以看到在2.75GHz?
3.78GHz的范圍內，ISllI的值都在-1OdB以下，并有五個明顯的諧振點(即第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6在腔體I內構成了五模諧振器)，相對帶寬達到 33%。
[0050]本實施例的濾波器加工過程如下:
[0051]取一個矩形體，將最底部切開，切開的最底部為封閉式底板，在剩下未切開的部分挖出一個圓柱腔，使這部分形成上腔體，上腔體和封閉式底板分別如圖14和15所示，再結合圖5?圖9進行加工，在上腔體前部和右部各自開出一個口，分別作為第一端口 2和第二端口 3，在第一端口 2和第二端口 3附近的位置上分別開出四個與SMA接頭的通孔14相對應的螺紋孔15，在上腔體底部未挖的位置上開出四個與銷釘對應的定位孔18，在封閉式底板上開出四個定位孔18和三個固定/調諧螺紋孔(分別為第一固定/調諧螺紋孔19、第二固定/調諧螺紋孔20和第三固定/調諧螺紋孔21)，封閉式底板上的定位孔18的直徑大小與上腔體底部的定位孔18的直徑大小相同，第一微擾金屬體4底面的第一固定/調諧螺釘7與第一固定/調諧螺紋孔19相配合，第二微擾金屬體5底面的第二固定/調諧螺釘8與第二固定/調諧螺紋孔20相配合，第三微擾金屬體6底面的第三固定/調諧螺釘9與第三固定/調諧螺紋孔21相配合,使第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6安裝在封閉式底板上，將兩個SMA接頭與兩條耦合桿焊接后，分別固定在第一端口 2和第二端口 3處，再通過銷釘將上腔體和封閉式底板進行固定。
[0052]實施例2:
[0053]本實施例的主要特點是:如圖16所示，所述腔體I為矩形腔，所述第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6的形狀均為圓柱體；所述第一端口 2和第二端口3可以分別設置在腔體I除頂面和底面外的任意兩個相互垂直的面上(本實施例中，第一端口 2設置在腔體I的正面，第二端口 3設置在腔體I的右側面，且第一端口 2和第二端口 3都距腔體I的頂面和底面有一段距離)；而加工過程同樣是取一個矩形體，將最底部切開，切開的最底部為封閉式底板，在剩下未切開的部分挖出一個矩形腔，使這部分形成上腔體。其余同實施例1。
[0054]實施例3:
[0055]本實施例的主要特點是:如圖17所示，所述腔體I為圓柱腔，所述第一微擾金屬體
4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6的形狀均為矩形體。其余同實施例1或2。
[0056]實施例4:
[0057]本實施例的主要特點是:如圖18所示，所述腔體I為矩形腔，所述第一微擾金屬體
4、第二微擾金屬體5和第三微擾金屬體6的形狀均為矩形體。其余同實施例1或2。
[0058]實施例5:
[0059]本實施例的主要特點是:如圖19所示，所述腔體I為矩形腔，所述第一微擾金屬體4和第二微擾金屬體5的形狀為矩形體，而第三微擾金屬體6的形狀為圓柱體。其余同實施例I或2。
[0060]上述實施例1?5中，所述腔體1、第一微擾金屬體4、第二微擾金屬體5、第三微擾金屬體6、第一導體組件和第二導體組件采用的金屬材料可以為鋁、鐵、錫、銅、銀、金和鉬的任意一種，或可以為鋁、鐵、錫、銅、銀、金和鉬任意一種的合金。
[0061]以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護范圍并不局限于此，如第一微擾金屬體4和第二微擾金屬體5的形狀為圓柱體，而第三微擾金屬體6的形狀為矩形體等，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。
【權利要求】
1.一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:包括腔體、第一端口、第二端口、第一微擾金屬體、第二微擾金屬體以及第三微擾金屬體；所述第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體設置在腔體內的底部，第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體的中心均偏離腔體的中心,且第一微擾金屬體和第二微擾金屬體以腔體的縱向中心線為中心相互對稱，第三微擾金屬體的中心在第一微擾金屬體和第二微擾金屬體的對稱線上；所述第一端口和第二端口設置在腔體上，并貫穿腔體外壁和內壁；所述第一端口處設有第一導體組件，所述第二端口處設有第二導體組件，所述第一導體組件的軸線和第二導體組件的軸線相垂直，并分別垂直于腔體的縱向中心線。
2.根據權利要求1所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述第一導體組件由第一同軸內導體和第一同軸外導體焊接組成，所述第二導體組件由第二同軸內導體和第二同軸外導體焊接組成；所述第一同軸內導體從第一端口伸進腔體內，所述第一同軸外導體固定在第一端口處的腔體外壁上；所述第二同軸內導體從第二端口伸進腔體內，所述第二同軸外導體固定在第二端口處的腔體外壁上。
3.根據權利要求2所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述第一同軸內導體和第二同軸內導體均采用耦合桿，所述第一同軸外導體和第二同軸外導體均采用SMA接頭，所述SMA接頭的末端與耦合桿焊接。
4.根據權利要求3所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述每個SMA接頭上設有四個通孔，所述腔體在第一端口和第二端口附近的位置上分別開有四個與SMA接頭的通孔相對應的螺紋孔，所述每個SMA接頭通過四根螺釘穿過四個通孔后與四個螺紋孔配合固定在腔體外壁上。
5.根據權利要求1所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述第一微擾金屬體的底面上設有與第一微擾金屬體構成一整體的第一固定/調諧螺釘，所述第二微擾金屬體的底面上設有與第二微擾金屬體構成一整體的第二固定/調諧螺釘；所述第三微擾金屬體的底面上設有與第三微擾金屬體構成一整體的第三固定/調諧螺釘；所述第一微擾金屬體通過第一固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部，所述第二微擾金屬體通過第二固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部，所述第三微擾金屬體通過第三固定/調諧螺釘安裝在腔體內的底部。
6.根據權利要求5所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述第一固定/調諧螺釘設置在第一微擾金屬體的底面中心處；所述第二固定/調諧螺釘設置在第二微擾金屬體的底面中心處；所述第三固定/調諧螺釘設置在第三微擾金屬體的底面中心處。
7.根據權利要求1所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述腔體為矩形腔或圓柱腔；所述腔體為矩形腔時，所述第一端口和第二端口分別設置在腔體除頂面和底面外的任意兩個相互垂直的面上。
8.根據權利要求1所述的一種采用單腔五模腔體諧振器的寬帶濾波器，其特征在于:所述第一微擾金屬體、第二微擾金屬體和第三微擾金屬體的形狀為圓柱體或矩形體。
【文檔編號】H01P1/203GK104241744SQ201410446286
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】王世偉, 馮世芬, 林景裕, 褚慶昕 申請人:華南理工大學