基于贴片结构的介质双模带通滤波器

摘要

本发明公开了一种基于贴片结构的介质双模带通滤波器，包括腔体，所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体相接；所述介质谐振器的外侧面上贴有第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片的横向中心线与第二金属贴片的横向中心线垂直，所述第一金属贴片和第二金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；所述介质谐振器在两个谐振模式的磁场分布交加处贴有第三金属贴片，所述第三金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。本发明的介质双模带通滤波器结构简单、实现方便，在一个介质谐振器的不同位置贴金属贴片，可以通过调节金属贴片的尺寸实现对谐振模式的频率控制。

权利要求

1.基于贴片结构的介质双模带通滤波器，包括腔体，其特征在于：所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体直接相接；

所述介质谐振器的外侧面上贴有第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片的横向中心线与第二金属贴片的横向中心线垂直，所述第一金属贴片和第二金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率，具体为：通过调节第一金属贴片的尺寸，控制TM120模式的谐振频率，通过调节第二金属贴片的尺寸，控制TM210模式的谐振频率；

所述介质谐振器在两个谐振模式的磁场分布交加处贴有第三金属贴片，所述第三金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度，具体为：通过调节第三金属贴片的尺寸，控制两个谐振模式之间的耦合强度。

2.根据权利要求1所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：

所述腔体在与第一金属贴片相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线，且第一端口与介质谐振器之间设有第一金属环，所述第一金属环的一端接第一同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第一金属环用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；

所述腔体在与第二金属贴片相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线，且第二端口与介质谐振器之间设有第二金属环，所述第二金属环的一端接第二同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第二金属环用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。

3.根据权利要求1或2所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：所述腔体为圆柱腔体或多边形腔体。

4.根据权利要求1或2所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：所述介质谐振器为柱形介质谐振器或矩形介质谐振器，所述介质谐振器为矩形介质谐振器时，所述第一金属贴片和第二金属贴片分别设置在矩形介质谐振器相邻的两个外侧面上。

5.根据权利要求1或2所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：所述第一金属贴片和第二金属贴片为圆形金属贴片、环形金属贴片或多边形金属贴片。

6.根据权利要求1或2所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：所述第三金属贴片为圆形金属贴片或多边形金属贴片。

7.根据权利要求2所述的基于贴片结构的介质双模带通滤波器，其特征在于：所述第一金属环和第二金属环为圆环或矩形环。

说明书

基于贴片结构的介质双模带通滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双模带通滤波器，尤其是一种基于贴片结构的介质双模带通滤波器，属于微波通信技术领域。

背景技术

[0002] 在科学技术高度发展的今天，信息的交互传播扮演极其重要的角色，微波滤波器是无线通信系统的关键技术，为工作在微波频段的通信系统提供中心频率选择的作用。在通信频段的窄带宽内，微波滤波器有严格指标要求：高矩形度的频率选择特性、高抑制度的带外抑制、多模式的通带、高性能的回波损耗、低插入损耗、大功率容量；在工业生产和应用上，又希望微波滤波器易加工生产、体积小、重量轻、热稳定性能好。介质多模滤波器能够较好地完成这些要求指标。实际应用中，介质多模滤波器经常面临加工的技术难题。传统的介质多模滤波器利用切角技术或者螺钉技术来实现模式之间的耦合和频率控制，这需要对介质块进行挖孔切角，给加工带来了技术难度的同时也增加了加工成本。

[0003] 据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

[0004] 1)2013年Ke-Li Wu等人在IEEE Trans.Microwave.Theory Tech上发表了“A Dual-Mode Dielectric Resonator Filter With Planar Coupling Configuration”，文章采用圆盘形介质谐振器的两个TM11简并模式，通过在介质谐振器中挖孔并插入金属螺钉，实现对两个模式频率的控制以及和模式间耦合强度的控制，从而设计出介质双模滤波器。这个结构的优点是结构简单清晰，易于利用平面拓扑结构设计多阶滤波器；缺点是挖孔对介质谐振器的加工带来难度。

[0005] 2)2012年，日本学者S.Yakuno和T.Ishizaki在Microwaves  Conference Proceedings(APMC)上发表了“Novel Cavity-Type Multi-Mode Filter using TEM-mode and TE-mode”，文章利用两个圆柱介质谐振器，通过合理控制两个介质谐振器的距离，可以在两个简并TE11模式激励起TEM模，在谐振模式的电场交叉处插入螺钉来控制模式间的耦合，从而设计出三模单腔滤波器。缺点是不适合设计多腔结构，所以带外抑制不高。

[0006] 3)2004年，国外学者M.M.Rahman和Weili  Wang等人在34th Microwave Conference 上发表了“A Compact Triple-mode Plated Ceramic Block Based Hybrid Filter for Base-stationApplication”，文章利用介质块切角技术，实现矩形腔三个简并模式的耦合，同时利用螺钉来控制每一个模式的谐振频率，最后对介质块进行镀银操作。同时文章还采用同轴滤波器来抑制高次模。这个结构的优点是多腔结构和同轴腔的采用，提高了带外抑制和抑制了高次模，同时回波损耗也很好，缺点是无论切角还是插入螺钉，都需要先对介质块进行切角挖孔操作，加工难度极高。

[0007] 4)2002年，国外学者V.Walker和I.C.Hunter等人在Microwaves and Wireless Component Letters上发表了“Design of Triple Mode TE01d Resonator Transmission Filters”，文章利用一个长方体的介质谐振器，采用的三个TE01d简并模式，通过一个金属圆盘来控制三个谐振模式频率的变化，模式耦合是通过把介质块切角和金属螺钉实现。

[0008] 综上所述，已公开的介质多模滤波器文章或专利文献多涉及对介质块进行切角或者挖孔，所提的方法和结构加工技术难度大，成本高，而且已公开的介质多模滤波器文章或专利文献多涉及单腔介质多模滤波器，结构较复杂，不适合多阶多腔高性能滤波器设计，所提方法和结构实现的性能有限。

发明内容

[0009] 本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于贴片结构的介质双模带通滤波器，该滤波器结构简单、实现方便，在一个介质谐振器的不同位置贴金属贴片，可以通过调节金属贴片的尺寸实现对谐振模式的频率控制。

[0010] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0011] 基于贴片结构的介质双模带通滤波器，包括腔体，所述腔体的中心位置放置一个介质谐振器，所述介质谐振器的上、下两端与腔体相接；

[0012] 所述介质谐振器的外侧面上贴有第一金属贴片和第二金属贴片，所述第一金属贴片的横向中心线与第二金属贴片的横向中心线垂直，所述第一金属贴片和第二金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式的谐振频率；

[0013] 所述介质谐振器在两个谐振模式的磁场分布交加处贴有第三金属贴片，所述第三金属贴片用于控制介质谐振器两个谐振模式之间的耦合强度。

[0014] 作为一种实施方案，所述腔体在与第一金属贴片相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线，且第一端口与介质谐振器之间设有第一金属环，所述第一金属环的一端接第一同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第一金属环用于控制第一端口与激励的谐振模式之间的耦合强度；

[0015] 所述腔体在与第二金属贴片相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线，且第二端口与介质谐振器之间设有第二金属环，所述第二金属环的一端接第二同轴线的内导体，另一端接腔体的底面；所述第二金属环用于控制第二端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。

[0016] 作为一种实施方案，所述腔体为圆柱腔体或多边形腔体。

[0017] 作为一种实施方案，所述介质谐振器为盘形介质谐振器、柱形介质谐振器或多边形介质谐振器。

[0018] 作为一种实施方案，所述多边形介质谐振器为矩形介质谐振器；所述介质谐振器为矩形介质谐振器时，所述第一金属贴片和第二金属贴片分别设置在矩形介质谐振器相邻的两个外侧面上。

[0019] 作为一种实施方案，所述第一金属贴片和第二金属贴片为圆形金属贴片、环形金属贴片或多边形金属贴片。

[0020] 作为一种实施方案，所述第三金属贴片为圆形金属贴片或多边形金属贴片。

[0021] 作为一种实施方案，所述第一金属环和第二金属环为圆环或矩形环。

[0022] 本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

[0023] 1、本发明的介质双模带通滤波器基于贴片技术，在一个介质谐振器的不同位置贴金属贴片，从而控制谐振模式的谐振频率和谐振模式之间的耦合强度，利用金属贴片代替介质切角和螺钉，可以解决介质块的加工问题，极大程度地减小了加工难度，利用这种技术设计的基于贴片结构的介质双模滤波器具备高性能的同时，结构也比较简单，而且实现方便。

[0024] 2、本发明的介质双模带通滤波器在介质谐振器外侧面贴有金属贴片，通过调节该金属贴片的尺寸可以控制谐振模式的谐振频率；在介质谐振器两个谐振模式的磁场分布交加处贴有金属贴片，通过调节该金属贴片的尺寸可以控制谐振模式之间的耦合强度；在腔体的端口与介质谐振器之间设置金属环，通过改变金属环的面积可以控制端耦合强度，即端口与激励的谐振模式之间的耦合强度。

[0025] 3、本发明由于采用了金属贴片技术，使得设计的单腔介质双模滤波器结构简单，从而方便利用平面拓扑结构技术来设计多阶多腔带通滤波器，可以实现更高带外抑制，更高通带矩形度等高性能带通滤波器指标，同时方便引入传输零点，可以进一步提高滤波器的性能，解决了现有的单腔介质多模滤波器结构复杂，不适合多阶多腔高性能滤波器设计，所实现的性能有限的问题。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例1的介质双模带通滤波器正面立体结构图。

[0027] 图2为本发明实施例1的介质双模带通滤波器背面立体结构图。

[0028] 图3为本发明实施例1的腔体放置介质谐振器的结构图。

[0029] 图4为本发明实施例1的TM120模式的磁场分布图。

[0030] 图5为本发明实施例1的TM210模式的磁场分布图。

[0031] 图6为本发明实施例1的介质谐振器的后侧面贴金属贴片的结构图。

[0032] 图7为本发明实施例1的TM120模式的谐振频率控制曲线图。

[0033] 图8为本发明实施例1的介质谐振器的左侧面贴金属贴片的结构图。

[0034] 图9为本发明实施例1的TM210模式的谐振频率控制曲线图。

[0035] 图10为本发明实施例1的介质谐振器在两个谐振频率的磁场分布交加处贴金属贴片的结构图。

[0036] 图11为本发明实施例1的TM120模式和TM210模式之间的耦合强度控制曲线图。

[0037] 图12为本发明实施例1的第一端口与介质谐振器之间设置金属环的结构图。

[0038] 图13为本发明实施例1的端耦合强度控制曲线图。

[0039] 图14为本发明实施例1的介质双模带通滤波器的S参数响应曲线图。

[0040] 图15为本发明实施例2的四阶线性拓扑结构图。

[0041] 图16为本发明实施例2的线性拓扑结构双模双腔介质带通滤波器的平面结构图。

[0042] 图17为本发明实施例2的线性拓扑结构双模双腔介质带通滤波器采用金属环实现腔间耦合控制曲线图。

[0043] 图18为本发明实施例2的线性拓扑结构双模双腔介质带通滤波器的S参数响应曲线图。

[0044] 图19为本发明实施例3的八阶线性拓扑结构图。

[0045] 图20为本发明实施例3的线性拓扑结构双模四腔介质带通滤波器的平面结构图。

[0046] 图21为本发明实施例3的线性拓扑结构双模四腔介质带通滤波器的S参数响应曲线图。

[0047] 图22为本发明实施例4的四阶交叉拓扑结构图。

[0048] 图23为本发明实施例4的交叉拓扑结构双模双腔介质带通滤波器的平面结构图。

[0049] 图24为图23中所示A处的正面结构示意图。

[0050] 图25为本发明实施例4的交叉拓扑结构双模双腔介质带通滤波器的S参数响应曲线图。

[0051] 图26为本发明实施例5的八阶交叉拓扑结构图。

[0052] 图27为本发明实施例5的交叉拓扑结构双模四腔介质带通滤波器的平面结构图。

[0053] 图28为图27中所示B处的正面结构示意图。

[0054] 图29为本发明实施例5的交叉拓扑结构双模四腔介质带通滤波器的S参数响应曲线图。

[0055] 其中，1-腔体，2-介质谐振器，3-第一金属贴片，4-第二金属贴片，5-第三金属贴片，6-第一同轴线，7-第一金属环，8-第二同轴线，9-第二金属环。

具体实施方式

[0056] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0057] 实施例1：

[0058] 如图1和图2所示，本实施例的介质双模带通滤波器包括腔体1，所述腔体1为矩形腔体，其尺寸为30mm*30mm*10mm，在腔体1中心位置放置一个介质谐振器2，所述介质谐振器2的上、下两端与腔体1相接，介质谐振器2采用的两个简并模式(即谐振模式)称为TM120模式和TM210模式；

[0059] 所述介质谐振器2为矩形介质谐振器，其尺寸为20mm*20mm*10mm，介质相对介电常数为21.4，在介质谐振器2相邻的两个外侧面(本实施例中，两个外侧面为后侧面和左侧面)上贴有第一金属贴片3和第二金属贴片4，可看出第一金属贴片3的横向中心线与第二金属贴片4的横向中心线垂直，所述第一金属贴片3和第二金属贴片4用于控制介质谐振器2两个谐振模式的谐振频率，其中第一金属贴片3控制的是TM120模式的谐振频率，第二金属贴片4控制的是TM210模式的谐振频率；

[0060] 所述介质谐振器2在两个谐振模式(TM120模式和TM210模式)的磁场分布交加处贴有第三金属贴片5；介质谐振器2的前侧面和右侧面相交处和介质谐振器2的后侧面和左侧面相交处都是两个谐振模式的磁场分布交加处，由于本实施例的第一金属贴片3位于后侧面，第二金属贴片4位于左侧面，因此将第三金属贴片5贴在介质谐振器2的前侧面和右侧面相交处，所述第三金属贴片5用于控制介质谐振器2两个谐振模式之间的耦合强度；

[0061] 所述腔体1在与第一金属贴片3相对的位置上设有第一端口，所述第一端口处设有第一同轴线6，且第一端口与介质谐振器2之间设有第一金属环7，所述第一金属环7的一端接第一同轴线6的内导体，另一端接腔体1的底面；所述第一金属环7用于控制第一端口与激励的谐振模式(TM120模式)之间的耦合强度，即端耦合强度；

[0062] 所述腔体1在与第二金属贴片4相对的位置上设有第二端口，所述第二端口处设有第二同轴线8，且第二端口与介质谐振器2之间设有第二金属环9，所述第二金属环9的一端接第二同轴线8的内导体，另一端接腔体1的底面；所述第二金属环9用于控制第二端口与激励的谐振模式(TM210模式)之间的耦合强度，即端耦合强度。

[0063] 所述第一端口和第二端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。

[0064] 本实施例的介质双模带通滤波器设计的分析过程如下：

[0065] 1)在腔体1的中心位置放置一个介质谐振器2，且介质谐振器2的上、下两端都是和腔体1直接相接的，如图3所示；采用的两个简并模式称为TM120模式和TM210模式，两个谐振模式的磁场分布如图4和图5所示。

[0066] 2)通过在介质谐振器2的外侧面贴金属贴片，可以实现对谐振模式的谐振频率控制，金属贴片可以为圆形金属贴片、环形金属贴片或多边形金属贴片，本实施例以圆形金属贴片进行说明，本实施例在介质谐振器2的后侧面贴有第一金属贴片3，如图6所示；通过调节第一金属贴片3的尺寸，可以控制相应谐振模式的谐振频率，如图7所示，第一金属贴片3可以控制TM120模式的谐振频率，随着第一金属贴片3的尺寸增大，这里体现为半径(TM120_r)增大，TM120模式的谐振频率快速下降，而TM210模式的谐振频率则基本不变；根据结构的对称性，若将金属贴片放置在相邻的平面上，如图8所示，本实施例在介质谐振器2的左侧面贴有第二金属贴片4，则可以控制TM210模式的谐振频率，如图9所示，随着第二金属贴片4半径(TM210_r)的增加，TM210模式的谐振频率减小而TM120模式的谐振频率不变。

[0067] 3)通过在两个谐振模式的磁场分布交加处，贴金属贴片，可以控制这两个谐振模式的耦合强度，金属贴片可以为圆形金属贴片或多边形金属贴片，本实施例以矩形金属贴片进行说明，在介质谐振器2两个谐振频率的磁场分布交加处贴有第三金属贴片5，如图10所示，本实施例的第三金属贴片5位于介质谐振器2的前侧面和右侧面相交处；第三金属贴片5控制TM120模式和TM210模式之间的耦合强度，如图11所示，随着矩形金属贴片的尺寸增加，这里体现为宽度(patch_w)增加，两个谐振模式的耦合系数(coupling coefficient)也随之增加。

[0068] 4)为了实现端耦合，激励出第一个模式，这里采用的方法是金属环耦合，即磁耦合；磁耦合的方法，金属环必须垂直于想要激励起的谐振模式的磁场分布，金属环可以是圆环或矩形环，本实施例以矩形环进行说明；如图12所示，在第一端口与介质谐振器2之间设置第一金属环7，第一金属环7的一端接第一同轴线6的内导体，另一端接在腔体1的底面，第一金属环7激励出来的模式是TM120模式，第一金属环7的面积控制端耦合强度，这里用外部Q值(品质因数)体现，随着第一金属环7面积的增大，这里体现为第一金属环7的宽度(port-ring_w)增加，外部Q值随着减小，如图13所示(图中的图形省略了第一同轴线6的内导体和第一金属环7的厚度)，这说明了第一金属环7的面积越大，端耦合越强，可以实现的通带带宽越宽。

[0069] 同理，为了激励出第二个模式，在第一端口与介质谐振器2之间设置第二金属环9，第二金属环9的一端接第二同轴线8的内导体，另一端接在腔体1的底面，第二金属环9激励出来的模式是TM210模式，端耦合强度的控制同第一金属环7。

[0070] 5)在上述1)～4)的分析下，可以通过金属贴片技术控制谐振模式的谐振频率，和谐振模式之间的耦合系数，同时利用金属环耦合控制外部Q值，于是可以设计出本实施例的介质双模带通滤波器，如图1和图2所示，介质双模带通滤波器的S参数响应结果如图14所示(图中S11参数是指输入端口的回波损耗，S21参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)。

[0071] 实施例2：

[0072] 本实施例基于两个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用如图15(图中S表示源端，L表示负载端，1～4分别表示模式1～4)所示的四阶线性拓扑结构，可以设计线性拓扑结构双模双腔介质带通滤波器，如图16所示，其中模式2和模式3的耦合方式是通过闭合金属环实现模式耦合，金属环尺寸(宽度ring_w、高度ring_h)控制耦合系数的大小，如图17所示；线性拓扑结构双模双腔介质带通滤波器的S参数响应如图18所示，从图中可以看到，在带宽2634MHz-2698MHz，通带回波损耗在-15.6dB以下。

[0073] 实施例3：

[0074] 本实施例基于四个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用图19(图中S表示源端，L表示负载端，1～8分别表示模式1～8)所示的八阶线性拓扑结构，可以设计线性拓扑结构双模四腔介质带通滤波器，如图20所示，其中模式2和模式3、模式4和模式5、模式6和模式7的耦合方式是通过闭合金属环实现模式耦合，金属环尺寸控制耦合系数的大小；线性拓扑结构双模四腔介质带通滤波器的S参数响应如图21所示，从图中可以看到，在带宽2632MHz-
2699MHz，通带回波损耗在-12.2dB以下。

[0075] 实施例4：

[0076] 本实施例基于两个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用如图22(图中S表示源端，L表示负载端，1～4分别表示模式1～4)所示的四阶交叉拓扑结构，可以设计交叉拓扑结构双模双腔介质带通滤波器，如图23所示，其中模式2和模式3通过闭合金属环实现模式耦合，金属环尺寸控制耦合系数的大小；另外模式2和模式3还通过探针引入电耦合，从而实现交叉耦合，引入两个异侧传输零点，其中电耦合结构如图24所示，两端的金属没有接地，中间的金属柱起支撑作用，电耦合强度的大小受两个因素控制，一个是两端金属的长度，另一个是整个电耦合结构与相邻介质谐振器之间的距离；交叉型双模双腔介质带通滤波器的S参数响应如图25所示，从图中可以看到，在带宽2638MHz-2701MHz，通带回波损耗在-13.6dB以下。

[0077] 实施例5：

[0078] 本实施例基于四个上述实施例1的介质双模带通滤波器，利用如图26(图中S表示源端，L表示负载端，1～8分别表示模式1～8)所示的八阶交叉拓扑结构，可以设计交叉拓扑结构双模四腔介质带通滤波器，如图27所示，其中模式2和模式3、模式4和模式5、模式6和模式7通过闭合金属环实现模式耦合，金属环尺寸控制耦合系数的大小；另外模式3和模式6还通过探针引入电耦合，从而实现交叉耦合，引入两个异侧传输零点，其中电耦合结构如图28所示，两端的金属没有接地，中间的金属柱起支撑作用，电耦合强度的大小受两个因素控制，一个是两端金属的长度，另一个是整个电耦合结构与相邻介质谐振器之间的距离；交叉型双模四腔介质带通滤波器的S参数响应如图29所示，从图中可以看到，在带宽2636MHz-2694MHz，通带回波损耗在-14.2dB以下。

[0079] 实施例6：

[0080] 本实施例的主要特点是：所述腔体还可以为圆柱腔体或除矩形外的多边形腔体，所述介质谐振器还可以为盘形介质谐振器、柱形介质谐振器或除矩形外的多边形介质谐振器。

[0081] 综上所述，本发明创新性地提出了金属贴片技术对谐振模式的频率控制，以及金属贴片技术对模式之间的耦合强度控制，该贴片技术填补了目前介质多模滤波器技术研究的部分空白，极大程度地减小了介质谐振器的加工难度和加工成本。此外，利用介质双模带通滤波器和平面拓扑结构可以设计多阶多腔带通滤波器，可以实现更高带外抑制，更高通带矩形度等高性能带通滤波器指标；同时，平面拓扑结构可以实现路径的交叉耦合，引入传输零点，更进一步提高滤波器的性能，由于设计出的多阶多腔带通滤波器可以有很多款(上述实施例2～5)，能够更好地满足现有无线通信系统的应用。

[0082] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。