本發(fā)明涉及介質(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)代社會已經(jīng)進(jìn)入了一個信息高速傳播的時代，時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)用于社會生活的各個領(lǐng)域，比如移動通信、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，同時讓有用的頻率通過，其性能的好壞往往對整個無線通信系統(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)行切角實現(xiàn)的，通過控制金屬腔切角的大小，可以實現(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腔體磁場強(qiáng)度最強(qiáng)的位置開槽實現(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圓柱型的金屬外腔、兩個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)，存在兩個電場相互垂直的簡并模式TE11模，而兩個圓柱型介質(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)諧螺釘實現(xiàn)，此外，TE11模式和TEM模式的頻率控制也是通過螺釘實現(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簡并模式實現(xiàn)了四模介質(zhì)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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明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)濾波器，同時采用金屬耦合環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對四模介質(zhì)濾波器諧振模式耦合的控制，性能良好，便于加工。

本發(fā)明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)濾波器的諧振頻率。

進(jìn)一步地，所述四模介質(zhì)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的尺寸實現(xiàn)的。

進(jìn)一步地，所述四模介質(zhì)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的距離實現(xiàn)的。

進(jìn)一步地，所述四模介質(zhì)濾波器的諧振頻率通過改變所述金屬柱8的尺寸實現(xiàn)的。

進(jìn)一步地，所述四模介質(zhì)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。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1、通過調(diào)諧螺釘和短接金屬柱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對四模介質(zhì)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)實現(xiàn)對耦合強(qiáng)度的控制，同樣便于加工制造。

3、采用四個模式進(jìn)行濾波器設(shè)計，具有體積小，Q值高等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明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是本發(fā)明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是實施例中諧振腔的俯視圖；

圖4是本發(fā)明中諧振頻率隨介質(zhì)塊到諧振腔中心處距離的變化曲線；

圖5是本發(fā)明中諧振頻率隨短接金屬柱半徑的變換曲線；

圖6是實施例中設(shè)置有腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的諧振腔的結(jié)構(gòu)圖；

圖7是實施例中腔內(nèi)耦合結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖8是本發(fā)明中腔內(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)。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例一

本實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)濾波器，性能良好，容易加工制造。

四模介質(zhì)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，2和3為四模介質(zhì)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)濾波器的輸入端口時，第二輸入輸出端口3作為四模介質(zhì)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)濾波器的輸入端口時，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)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)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)濾波器的腔內(nèi)耦合強(qiáng)度。

具體應(yīng)用中，對四模介質(zhì)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的尺寸實現(xiàn)的。

具體應(yīng)用中，對四模介質(zhì)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現(xiàn)的。

具體應(yīng)用中，對四模介質(zhì)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的尺寸實現(xiàn)的。

本實施例中，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。

為了驗證控制四個介質(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)濾波器的諧振頻率的調(diào)諧作用，保持四模介質(zhì)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，諧振腔中第一個模式、第二個模式和第三個模式的諧振頻率呈上升的趨勢，第四個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實現(xiàn)四模介質(zhì)濾波器的諧振頻率控制。

四模介質(zhì)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可以實現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。

實施例二

如圖1所示，在本實施例的設(shè)計中，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)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，同時還會受到調(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陌霃娇梢詫崿F(xiàn)對四模介質(zhì)濾波器諧振頻率的控制。同時，通過控制金屬耦合環(huán)的高度可以實現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。在本次實施例中，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)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，本發(fā)明提出了一種控制四模介質(zhì)濾波器的頻率和耦合的設(shè)計方案。在此方案下，可以設(shè)計出性能良好的四模介質(zhì)濾波器。由于四模介質(zhì)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，在通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明不僅具有良好的工作特性，還易于加工制造，有利于實際的工業(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)實現(xiàn)了對四模介質(zhì)濾波器諧振頻率的控制，同時通過控制金屬耦合環(huán)的高度實現(xiàn)對腔內(nèi)耦合強(qiáng)度的控制。

本發(fā)明包括并不僅限于上述給出的實施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的構(gòu)思下，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，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。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(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，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。