CN108933311A - 一种多谐振器组合的腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多谐振器组合的腔体滤波器，包括顶部开口的腔体，以及位于所述腔体开口处的盖板，所述腔体内部设有至少三个谐振腔，谐振杆固定在所述谐振腔的底部，调谐螺杆穿过所述盖板插入所述谐振杆内部，多个谐振腔、位于对应谐振腔内部的谐振杆以及伸入对应谐振杆的调谐螺杆构成多个谐振器；所述谐振腔的腔体深度沿射频信号传输方向上依次减小且位于对应谐振腔内部的谐振杆的高度依次降低，以确保可通过调节所述调谐螺杆伸入谐振腔的长度使各谐振器的工作频率相同但谐振频率互不相同；本发明的腔体滤波器的各谐振器的工作频率相同而倍频处的谐振频率彼此不同，使各谐振器对谐波的抑制彼此补充，从而使腔体滤波器具备较好的谐波抑制能力。

Description

一种多谐振器组合的腔体滤波器

技术领域

本发明属于微波滤波器技术领域，更具体地，涉及一种多谐振器结构组合的腔体滤波器。

背景技术

微波腔体滤波器广泛应用于数字微波通信、移动通信、导航系统等无线系统中，其主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号具有尽可能大的反射。随着微波射频系统的频谱资源日益紧张，对滤波器的滤波性能要求也越来越高。对于无线系统，一般会产生中心频率倍频处的带外谐波，带外谐波信号大会对系统的信噪比造成比较大的影响，同时会干扰其它无线系统，因此微波腔体滤波器对带外谐波的抑制能力是衡量其产品性能的决定因素。

目前腔体滤波器是由谐振器级联而成的，为保证所有的谐振器能在同一工作频率下工作，一般设计为所有的谐振器的谐振频率相同，由于每个谐振器的谐振频率都是周期性的，因此滤波器的通带特性也具有周期性，对中心频率为F0的滤波器来说，在2倍中心频率、3倍中心频率、4倍中心频率等倍频处均会产生寄生通带，导致滤波器对这些倍频处的带外谐波的抑制能力降低。当输入信号频率较宽时，谐振频率的倍频通带也可以通过滤波器，导致滤波器的滤波性能下降，因此迫切地需要寻求一种能够抑制倍频处带外谐波的腔体滤波器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多谐振器组合的腔体滤波器，构成腔体滤波器的各谐振器的工作频率相同而倍频处的谐振频率彼此不同，使各谐振器对带外谐波的抑制彼此补充，从而使腔体滤波器具备较好的谐波抑制能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多谐振器组合的腔体滤波器，包括顶部开口的腔体，以及位于所述腔体开口处的盖板，所述腔体内部设有至少三个谐振腔，谐振杆固定在所述谐振腔的底部，调谐螺杆穿过所述盖板插入所述谐振杆内部，多个谐振腔、位于对应谐振腔内部的谐振杆以及伸入对应谐振杆的调谐螺杆构成多个谐振器；所述谐振腔的腔体深度沿射频信号传输方向上依次减小且位于对应谐振腔内部的谐振杆的高度依次降低，以确保可通过调节所述调谐螺杆伸入谐振腔的长度使各谐振器的工作频率相同但谐振频率互不相同。

优选的，上述腔体滤波器，当谐振腔的个数为三个时，三个谐振腔的腔深比为5～6：4：3～2，三个谐振杆的高度比为5：4～3：3～2。

优选的，上述腔体滤波器，三个谐振腔的腔深比为5：4：3；固定在谐振腔的底部的谐振杆的形状均为圆柱形结构，所述谐振杆的高度比为5：4：3。

优选的，上述腔体滤波器，三个谐振腔的腔深比为5：4：2；固定在谐振腔的底部的谐振杆的形状均为顶部带圆盘的圆柱形结构，所述谐振杆的高度比为5：4：3。

优选的，上述腔体滤波器，三个谐振腔的腔深比为6：4：3；固定在谐振腔的底部的三个谐振杆的形状不同，第一谐振杆为圆柱形结构，第二和第三谐振杆的形状为顶部待圆盘的圆柱形结构，第一谐振杆、第二谐振杆、第三谐振杆的高度比为5：3：2。

按照本发明的另一个方面，提供了一种包括上述腔体滤波器的高阶滤波器，该高阶滤波器由n个腔体滤波器水平排列组合而成，且相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”和/或“尾-尾”相连的方式进行组合；其中，n为大于等于2的自然数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种多谐振器组合的腔体滤波器及高阶滤波器，构成腔体滤波器的多个谐振器的谐振腔和谐振杆的尺寸均不相同，当将各个谐振器的工作频率调谐相同时其倍频频率均不相同，各谐振器的谐振腔和谐振杆的尺寸、结构和连接方式经过大量的仿真设计和参数调整，使本发明提供的腔体滤波器对带外谐波具有很好的抑制能力；高阶滤波器由多个腔体滤波器水平排列组合而成，且相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”和/或“尾-尾”相连的方式进行组合；避免相邻的谐振器的谐振频率发生剧烈变化，提高了高阶滤波器的稳定性；在提高滤波效果的同时，降低高阶滤波器的设计难度，从而降低生产和设计成本。

附图说明

图1为现有技术中的多谐振器组合的滤波器的结构示意图；

图2是本发明第一个实施例提供的多谐振器组合的腔体滤波器的结构示意图；

图3是本发明第二个实施例提供的多谐振器组合的腔体滤波器的结构示意图；

图4是本发明第三个实施例提供的多谐振器组合的腔体滤波器的结构示意图；

图5是本发明第四个实施例提供的多谐振器组合的腔体滤波器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的单个谐振器3D电磁仿真计算模型示意图；

图7是本发明实施例提供的单个谐振器3D电磁仿真计算模型示意图；

图8是本发明实施例提供的多谐振器结构组合的谐振器3D电磁仿真计算模型示意图；

图9是现有技术中的多谐振器组合的滤波器的工作频谱图；

图10是本发明第二实施例提供的多谐振器结构组合的谐振器的工作频谱图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-腔体，2-谐振腔，2.1-第一谐振腔，2.2-第二谐振腔，2.3-第三谐振腔，2.4-第四谐振腔，2.5-第五谐振腔，2.6-第六谐振腔，3-谐振杆，3.1-第一谐振杆，3.2-第二谐振杆，3.3-第三谐振杆，3.4-第四谐振杆，3.5-第五谐振杆，3.6-第六谐振杆，4-调谐螺杆，5-盖板。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为现有的多谐振器组合的腔体滤波器的结构示意图；如图1所示，多谐振器组合的腔体滤波器包括顶部开口的腔体1，以及位于腔体1开口处的盖板5，腔体1内部包括三个相同的谐振腔(2.1～2.3)，谐振杆3位于谐振腔2内部且固定在谐振腔的底部，调谐螺杆4穿过盖板5插入谐振腔2中；谐振杆3内部中空，通过调节调谐螺杆4伸入谐振腔2的长度来调整腔体滤波器的工作频率。三个谐振腔、位于对应谐振腔内部的谐振杆以及伸入对应谐振腔的调谐螺杆4构成了三个谐振器，由于各个谐振器的结构和尺寸相同，对滤波器进行调谐时，当各个谐振器的工作频率调试一致时，各个谐振器在倍频处的谐振频率也相同，因此，该腔体滤波器无法抑制带外谐波。

本发明所提供的一种多谐振器组合的腔体滤波器，其组成部件与现有技术相同，包括顶部开口的腔体1以及位于腔体1开口处的盖板5，腔体1内部设有至少三个谐振腔2，谐振腔的形状不做具体限定，谐振杆3位于谐振腔2内部且固定在谐振腔的底部，调谐螺杆4穿过盖板5插入谐振腔2中；谐振杆3内部中空，通过调节调谐螺杆4伸入谐振腔2的长度来调整腔体滤波器的工作频率。多个谐振腔、位于对应谐振腔内部的谐振杆以及伸入对应谐振腔的调谐螺杆4构成了多个谐振器；其中，多个谐振腔的深度彼此不同，各谐振腔中的谐振杆的高度也不相同，确保各谐振器的工作频率相同时各谐振器的谐振频率互不相同。谐振腔2的个数不作具体限制，根据实际滤波需求和生成工艺条件自行选择。

下面通过具体的实施例对本发明提供的多谐振器组合的腔体滤波器进行详细说明；

实施例一

图2是本发明实施例提供的第一种腔体滤波器的结构示意图；如图2所示，该腔体滤波器包括三个圆形谐振腔，三个谐振腔的腔深沿射频信号传输方向依次减小，具体的，三个谐振腔腔深的高度比为5：4：3；位于谐振腔内的谐振杆形状相同，本实施例优选采用圆柱形结构，三个谐振杆的高度沿射频信号传输方向依次减小，具体的，三个谐振杆的高度比为5：4：3；三个调谐螺杆的高度根据腔体滤波器设计的工作频率进行调整；当该腔体滤波器的工作频率为14GHz时，第一谐振器的2倍频频率为22.2GHz，第二谐振器的2倍频频率为22.5GHz，第三谐振器的2倍频频率为22.8GHz，三个谐振器的2倍频频率互不相同，第二谐振器和第三谐振器能够对通过第一谐振器的带外谐波进行拦截，从而使得谐波频段的射频信号不能通过腔体滤波器。

实施例二

图3是本发明实施例提供的第二种腔体滤波器的结构示意图；如图3所示，该腔体滤波器包括三个圆形谐振腔，三个谐振腔的腔深沿射频信号传输方向依次减小，具体的，三个谐振腔腔深的高度比为6：4：3；位于谐振腔内的谐振杆形状不同，本实施例优选第一个谐振杆3.1采用圆柱形结构，第二个谐振杆3.2和第三个谐振杆3.3采用顶端带圆盘结构的圆柱形结构，这种结构的谐振杆使第二谐振腔2.2和第三谐振腔2.3在腔深减小后仍然可以保持与第一个谐振腔2.1相同的工作频率；三个谐振杆的高度依次减小，具体的，三个谐振杆的高度比为5：3：2；三个调谐螺杆的高度根据腔体滤波器设计的工作频率进行调整。当该腔体滤波器的工作频率为14GHz时，第一谐振器的2倍频频率为20.2GHz，第二谐振器的2倍频频率为22GHz，第三谐振器的2倍频频率为22.5GHz，从而使得谐波频段的射频信号不能通过滤波器。

实施例三

图4是本发明实施例提供的第三种腔体滤波器的结构示意图；如图4所示，该腔体滤波器包括三个圆形谐振腔，三个谐振腔的腔深沿射频信号传输方向依次减小，具体的，三个谐振腔腔深的高度比为5：4：2；位于谐振腔内的谐振杆形状相同，本实施例优选均采用顶端带圆盘结构的圆柱形结构；三个谐振杆的高度依次减小，具体的，三个谐振杆的高度比为5：4：3；本发明实施例提供的第二种腔体滤波器的结构示意图；如图5所示，该腔体滤波器包括三个圆形谐振腔，三个谐振腔的腔深沿射频信号传输方向依次减小，具体；三个调谐螺杆的高度根据腔体滤波器设计的工作频率进行调整。当该腔体滤波器的工作频率为14GHz时，第一谐振器的2倍频频率为22GHz，第二谐振器的2倍频频率为22.4GHz，第三谐振器的2倍频频率为22.6GHz，从而使得谐波频段的射频信号不能通过滤波器产品。

本发明还提供了一种由上述任一种腔体滤波器组成的高阶滤波器，该高阶滤波器由多个腔体滤波器水平排列组合而成，且相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”和/或“尾-尾”相连的方式进行组合；提高滤波器的阶数能够提高滤波效果，但是也会增大硬件设计和仿真计算的难度，提高设计成本；本发明在三阶滤波器的基础上通过排列组合得到高阶滤波器，在提高滤波效果的同时，降低高阶滤波器的设计难度，从而降低生产和设计成本；相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”或“尾-尾”相连的方式可以避免相邻的谐振器的谐振频率发生剧烈变化，导致滤波器发生震荡等不稳定性变化；下面通过具体的实施例进行说明。

实施例四

图5是本发明实施例提供的高阶滤波器的结构示意图；如图5所示，该高阶滤波器由实施例一中的两个腔体滤波器组合而成，两个腔体滤波器采用尾-尾相连的对称式组合方式构成六阶滤波器，使六个谐振腔的腔深变化呈对称式分布，具体的，该六阶滤波器的六个谐振腔腔深的高度比为5：4：3：3：4：5；位于谐振腔内的谐振杆形状相同均为圆柱形结构，六个谐振杆的高度比为5：4：3：3：4：5；六个调谐螺杆的高度根据腔体滤波器设计的工作频率进行调整。当该腔体滤波器的工作频率为14GHz时，第一谐振器和第六谐振器的2倍频频率约为22.2GHz，第二谐振器和第五谐振器的2倍频频率约为22.5GHz，第三谐振器和第四谐振器的2倍频频率约为22.8GHz，六个谐振器的2倍频频率互不相同，从而使得谐波频段的射频信号不能通过滤波器产品。

实施例五

本实施例提供的高阶滤波器由实施例三中的三个腔体滤波器组合而成，三个腔体滤波器采用尾-尾相连和首-首相连的组合方式构成九阶滤波器；具体的，该九阶滤波器的九个谐振腔腔深的高度比为5：4：2：2：4：5：5：4：2；位于谐振腔内的谐振杆形状相同均为顶端带圆盘结构的圆柱形结构，九个谐振杆的高度比为5：4：3：3：4：5：5：4：3；九个调谐螺杆的高度根据腔体滤波器设计的工作频率进行调整。当该腔体滤波器的工作频率为14GHz时，第一、第六、第七谐振器的2倍频频率约为22GHz，第二、第五和第八谐振器的2倍频频率约为22.4GHz，第三、第四和第九谐振器的2倍频频率约为22.6GHz，九个谐振器的2倍频频率互不相同，从而使得谐波频段的射频信号不能通过滤波器产品。

本发明所提供的一种多谐振器组合的腔体滤波器，在设计阶段需要对各个谐振器的谐振频率进行仿真计算，根据产品的外形要求，设计满足工作频段的不同谐振器结构，同时使各个谐振器的谐波频率均不相同。

图6、7、8是基于实施例二的谐振器结构的3D电磁仿真计算模型示意图；如图6、7所示，对于单个的谐振器结构，通过使用有限元电磁仿真软件模拟分别计算其谐振频率，根据腔体滤波器的谐振频率对单个谐振器的腔深、谐振杆的高度进行调整；然后通过双谐振器耦合仿真，如图8所示，确定各谐振器之间的连接结构，使组合得到的腔体滤波器能够有效抑制带外谐波。

图9是现有的多谐振器组合的腔体滤波器的工作频谱图；图中所示曲线为腔体滤波器的频率响应曲线，除了所需要的工作频率为14GHz的滤波器通道外，从22GHz开始出现大量的高频率段寄生通带，说明谐波频率可以通过该滤波器，滤波器对谐波信号的抑制能力差；图10是本发明的实施例三提供的多谐振器组合的腔体滤波器的工作频谱图；从图10可以看出，该腔体滤波器的高频率段寄生通带少，说明谐波信号不能通过该滤波器，该滤波器对谐波频率的抑制能力很强；

对比图9和图10可以看出，本发明提供的多谐振器组合的腔体滤波器结构大大提高了对带外谐波的抑制能力。

相比于现有的腔体滤波器，本发明提供的一种多谐振器组合的腔体滤波器及高阶滤波器，构成腔体滤波器的多个谐振器的谐振腔和谐振杆的尺寸均不相同，当将各个谐振器的工作频率调谐相同时其倍频频率均不相同，各谐振器的谐振腔和谐振杆的尺寸、结构和连接方式经过大量的仿真设计和参数调整，使本发明提供的腔体滤波器对带外谐波具有很好的抑制能力；高阶滤波器由多个腔体滤波器水平排列组合而成，且相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”和/或“尾-尾”相连的方式进行组合；避免相邻的谐振器的谐振频率发生剧烈变化，提高了高阶滤波器的稳定性；在提高滤波效果的同时，降低高阶滤波器的设计难度，从而降低生产和设计成本。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (6)

1.一种多谐振器组合的腔体滤波器，包括顶部开口的腔体，以及位于所述腔体开口处的盖板，其特征在于，所述腔体内部设有至少三个谐振腔，谐振杆固定在所述谐振腔的底部，调谐螺杆穿过所述盖板插入所述谐振杆内部，多个谐振腔、位于对应谐振腔内部的谐振杆以及伸入对应谐振杆的调谐螺杆构成多个谐振器；所述谐振腔的腔体深度沿射频信号传输方向上依次减小且位于对应谐振腔内部的谐振杆的高度依次降低，以确保可通过调节所述调谐螺杆伸入谐振腔的长度使各谐振器的工作频率相同但谐振频率互不相同。

2.如权利要求1所述的腔体滤波器，其特征在于，当所述谐振腔的个数为三个时，三个谐振腔的腔深比为5～6：4：3～2，三个谐振杆的高度比为5：4～3：3～2。

3.如权利要求2所述的腔体滤波器，其特征在于，三个谐振腔的腔深比为5：4：3；固定在谐振腔的底部的谐振杆的形状均为圆柱形结构，所述谐振杆的高度比为5：4：3。

4.如权利要求2所述的腔体滤波器，其特征在于，三个谐振腔的腔深比为5：4：2；固定在谐振腔的底部的谐振杆的形状均为顶部带圆盘的圆柱形结构，所述谐振杆的高度比为5：4：3。

5.如权利要求2所述的腔体滤波器，其特征在于，三个谐振腔的腔深比为6：4：3；固定在谐振腔的底部的三个谐振杆的形状不同，第一谐振杆为圆柱形结构，第二和第三谐振杆的形状为顶部待圆盘的圆柱形结构，第一谐振杆、第二谐振杆、第三谐振杆的高度比为5：3：2。

6.一种包括权利要求1～5任一项所述的腔体滤波器的高阶滤波器，其特征在于，所述高阶滤波器由n个所述腔体滤波器水平排列组合而成，且相邻的腔体滤波器之间采用“首-首”和/或“尾-尾”相连的方式进行组合；其中，n为大于等于2的自然数。