微波帶通濾波器的製作方法
2023-07-23 19:06:01 2
專利名稱：微波帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微波帶通濾波器，它包括多個耦合的諧振器，其中至少包含一個同軸諧振器。
背景技術：
電磁頻譜的微波波段在各種技術領域裡有著廣泛的用途。其典型的應用包括像移動通信和衛星通信這樣的無線通信系統，以及導航和雷達技術。微波技術的應用越來越廣泛，增加了某個系統內部或者不同系統之間幹擾的可能性。因此，微波波段被劃分為多個不同的頻帶。為了保證某一特定的裝置僅在分配給該裝置的頻帶內通信，在發送和/或接收過程中，微波濾波器被用來實現帶通和帶阻的功能。相應地，這種濾波器用於分隔不同的頻帶以及區分有用和無用的信號頻率，因此接收信號和發送信號的質量主要由濾波器的特性決定。一般而言，微波濾波器必須具備較小的帶寬和較高的濾波質量。
舉例來說，在基於蜂窩技術的通信網絡，如廣泛使用的GSM系統中，覆蓋範圍被分為多個不同的小區。每一個小區分配給一個基站。該基站包含一個收發機，它要與位於該小區內的多個移動裝置同時進行通信。這種通信過程必須在最小的幹擾下進行。因此，應用微波濾波器，將與這些小區相關的通信信號所使用的頻率範圍分成多個不同的頻帶。由於這些小區通常很小，而且同一時間裡位於單個小區內的移動裝置潛在數量很大，因此某個特定頻帶的帶寬要儘可能地小。而且，為了滿足效率要求和保持系統的靈敏度，濾波器必須具有較高的通帶外部衰減和較低的通帶插入損耗。因此，這種通信系統要求基站和移動裝置都具有很高的頻率選擇性，這種頻率選擇性要求往往達到了理論極限。
一般而言，微波濾波器包含多個以各種結構耦合在一起的諧振部分。每個諧振部分組成一個獨立的諧振器，並通常包含一個位於閉合或基本上閉合的傳導面內的空間。在適當的外部激勵下，一個振蕩電磁場會保持在這個空間內部。這些諧振部分表現出顯著的諧振效應，並由各自的諧振頻率和帶寬表徵。為了使濾波器滿足理想的濾波特性，關鍵在於這些耦合在一起組成濾波器的不同諧振器必須具有預定的諧振頻率、帶寬或者通帶。這裡的通帶通常定義為相對於中心諧振頻率有3dB衰減的頻率之間的頻率範圍。
帶通濾波器的一個常見問題是它們有很多無用的(或者「寄生(spurious)」)通帶。無用通帶的出現是由於諧振器產生高階諧振，也稱為相應結構的(本徵)模。相應地，在高頻處會出現周期性的高階通帶。在許多應用中，這種高階通帶是難以接受的。
該問題的一種解決方法是使用附加的低通濾波器。這是最常用的技術，但是附加的低通濾波器會產生額外的成本和佔用更大的空間，同時會增加插入損耗。
此外，也有分散或阻尼帶通濾波器的寄生響應的技術，如2003年德國慕尼黑第三十三屆歐洲微波會議論文(1239～1242頁)《一種具有寬阻帶的電容性耦合波導濾波器》就介紹了這種技術。例如，對每一單個帶通的諧振器採用不同的諧振結構來分散寄生響應。這樣，在不同頻率產生的高階本徵模以及濾波器的寄生帶通傳輸會相應減少。
另一種可行辦法是在諧振腔外部加入波導，波導的截止頻率高於濾波器通帶，其末端放置了有損材料吸收器。1993年西班牙馬德裡第三十二屆歐洲微波會議論文(606～607頁)、由W.Menzel等所著的《具有高階通帶衰減的波導帶通濾波器》就介紹了採用這種技術的矩形波導帶通。在濾波器的諧振器之間，放置了截止頻率高於濾波器通帶的小矩形波導。在這種結構中，只有頻率高於小波導截止頻率的電磁場可以穿透這些小波導，並因而被附加波導末端的有損材料所阻尼。這種結構的缺點是，需要為這些放置在濾波器的相鄰諧振器之間的附加的小波導增加額外的空間。
發明內容
本發明的目的是提供一種微波濾波器，它包括多個諧振器，其中至少包含一個同軸諧振器，該微波濾波器能夠有效抑制寄生通帶或高階通帶，而不需要為額外組件增加空間。
該目的通過權利要求1中所限定的微波濾波器來實現。微波濾波器的優選實施方式陳述於從屬權利要求中。
這種微波濾波器具有多個耦合的諧振器，其中至少包含一個同軸諧振器。同軸諧振器在諧振腔的底部裝有一個圓柱形的內導體，該內導體延伸到預定高度，使其上端與諧振腔頂蓋的內表面之間留有一定間隙。這種同軸諧振器也被稱為梳型諧振器。根據本發明，所述的至少一個同軸諧振器的內導體中設有一個中心孔，該中心孔從內導體的頂端向下延伸內導體的至少一部分高度。這個中心孔形成一個截止頻率高於濾波器通帶的波導部分。這是因為內導體的中心孔的橫向尺寸或截面尺寸要小於同軸諧振腔的內徑。如下文將要說明，波導部分被進一步調整，使得其截止頻率低於濾波器的第一高階諧振頻率。
中心孔的下部包含一種有損材料。有損材料可以是有損介電材料，如碳化矽陶瓷，或者有損磁性材料，如填充磁性材料的樹脂基材料。
在這種結構中，頻率高于波導部分的截止頻率(其低於濾波器的第一高階諧振頻率或寄生通帶頻率)的電磁場會進入內導體的中心孔，並被中心孔底部的有損材料所阻尼或衰減。另一方面，對於通帶內的頻率，其底部的有損材料是「不可見的」，因為這些電磁場不能進入中心孔，而以指數方式衰減。這樣，含有有損材料的中心孔不會影響濾波器在通帶內的傳輸性能。
梳型諧振器的高度小於λ/4，通常為λ/8——這裡的λ是相應於通帶中心的波長。諧振器底部的短路(內導體與底板之間的電氣連接)在諧振器頂部轉換為一個電感，它與諧振器頂部的電容性間隙一起產生基頻諧振。如果僅考慮橫電磁(TEM-)波，第一高階或寄生通帶應位於大於基頻通帶頻率接近3到5倍的頻率區域內。除了TEM-波，還必須考慮諧振器的橫電(TE-)模和橫磁(TM-)模，與TEM-模相比，TE-模和TM-模與諧振器直徑的相關性更強。因此，寄生通帶可能會更接近目標通帶。為使TE-模和TM-模在更高的頻率，諧振器的外徑應該很小——典型值應遠小於基頻通帶頻率的λ/2。諧振器外徑與內導體外徑間的比例應大約為3.6，以保證諧振器的高品質因數，因為在這一比例時，相應同軸線的阻尼常數最小。
為了能夠得到低於第一高階通帶的截止頻率，需要調整中心孔。中心孔的截止頻率νcut對應于波長λcut＝2.61 r0，這裡r0是充氣中心孔的半徑。在高於νcut的頻率，一次模即TM01-模將能夠傳播。如果頻率進一步增加，其它模也必須考慮。如果中心孔填充空氣作為諧振腔，這個νcut通常對應於比通帶內的諧振頻率高很多倍的頻率。另一方面，如前面所提到，由於第一高階通帶可能已經出現在3倍於通帶頻率的地方，因此需要降低中心孔的截止頻率。可以通過在中心孔的上部安放低損耗介電材料，如陶瓷材料，來實現這一目的，這種材料具有足夠高的相對介電常數，以使中心孔的截止頻率低到接近於通帶頻率，這樣，濾波器的第一高階諧振就已經高於中心孔的截止頻率。截止頻率取決于波導部分的材料性質，即(εrμr)-1/2(εr為材料的相對介電常數，μr為材料的相對磁導率)。這樣，採用εr大約為100、μr大約為1的材料，與充氣波導部分相比，中心孔的截止頻率可以降低1/10。
介電材料進一步由耗散因子D或者損耗角正切tanδ表徵，二者是等價的。它們量化表示了材料的能量損耗特性。有損材料的特性是tanδ值高於0.1。另一方面，tanδ值低於0.01的介電材料就被認為是低損耗介電材料。它們是電絕緣體。在微波範圍內，這些材料的介電特性隨頻率的變化相對很小。低損耗介電材料的損耗角正切值優選地低於0.001。
通常習慣下，這裡定義中心孔的截止頻率高於通帶的性質意味著截止頻率高於濾波器通帶的3dB轉角頻率。
可以理解，採用本發明的設計，可以在不需要任何額外空間或附加組件的情況下抑制濾波器的高階通帶。因此，這種方法允許設計出非常高效、緊湊的微波濾波器。
以下將參照附圖對本發明的具體實施例進行描述。
圖1為一四孔帶通濾波器的透視示意圖。
圖2為在根據本發明的濾波器中所採用的同軸諧振器的示意性透視圖。
圖3示出了在有寄生模抑制和沒有寄生模抑制兩種情況下，濾波器輸出輸入功率比的頻率響應。
具體實施例方式
圖1示出了包括四個串聯耦合的同軸諧振器1的微波濾波器。該濾波器具有容性輸入耦合20和容性輸出耦合21。調整頻率和耦合的調節螺釘沒有示出。一般而言，濾波器不只是一連串的諧振器，還應該有耦合諧振器的二維布局。
圖2示出了根據本發明的包括多個耦合諧振器的濾波器中所採用的單個同軸諧振器。該同軸諧振器1包含一個中空的圓柱形外殼2。外殼2由圓盤形底座3、從底座3向上延伸的側壁4、以及緊固在側壁4上端的圓盤形頂蓋5構成。諧振器1還包含一個圓柱形內導體6，它位於外殼2內部的中央並且其下端7與底座3相連。內導體6沿著圓柱形外殼2的縱軸，從底座3向上延伸。它的長度低於外殼2的高度，這樣在內導體6的上端8與外殼2的頂蓋5之間形成一個電容性間隙。
內導體6設置有一個中心孔9，它從內導體的上端8向內導體6的內部延伸該內導體6的至少一部分長度。例如可以向內導體6內鑽孔形成中心孔9。
中心孔9的下部10含有有損材料，其用作吸收器。這種有損材料例如可以是磁化環氧樹脂這樣的有損磁性材料，如美國麻薩諸塞州倫道夫的愛莫生·康明微波產品公司所生產的Eccosorb MF系列吸收材料。例如Eccosorb MF190材料在3GHz時的介電常數εr為28，磁導率μr為4.5，損耗角正切tanδd和tanδm分別為0.04和0.09。或者，也可採用有損介電材料，如由碳化矽(SiC)粉燒結而成的碳化矽陶瓷。這種碳化矽陶瓷的介電常數通常為30至35，損耗角正切tanδd的範圍在0.3到0.5。
有損材料可以部分或全部填充中心孔9的下端部分。
中心孔9的上部11優選地包含低損耗介電材料(如用於介電諧振器的陶瓷材料)。如上所述，該上部低損耗介電材料需要在中心孔9上部內提供足夠高的相對介電常數εr來降低中心孔9的截止頻率，以保證濾波器的第一高階通帶高於中心孔9的截止頻率。下面的表1列出了適合用作中心孔9上部中的低損耗介電材料的例子。
表1 低損耗陶瓷材料
中心孔上部10中的低損耗介電材料與下部的有損材料之間的過渡可以是非連續過渡，如示意圖所示，或者更優選的是平滑過渡。為了實現後一種過渡方式，比如，可以讓下部10的有損介電材料的上表面相對於中心孔9的縱軸傾斜，同時讓低損耗介電材料的下表面與有損介電材料的上表面成互補形狀。平滑過渡是優選的，以便抑制兩種介電材料過渡處的反射。或者，低損耗介電材料和有損材料經燒結過程形成，使得各自材料的粉末在過渡區互相混和，這樣也可以實現平滑過渡。
中心孔9的作用是一個圓柱形波導。必須選擇合適的尺寸(直徑)和填充其上部11的低損耗介電材料，使得截止頻率高於濾波器的通帶但低於濾波器的第一高階或寄生通帶。在這種方式下，中心孔對於通帶內的頻率是不「可見的」，這樣就不會影響濾波器在通帶內的性能。為了保證諧振器保持高的品質因數，上部11的介電材料的損耗應儘可能低。
對於中心孔截止頻率以上的頻率，中心孔9能夠傳播這些波。對這樣的頻率，中心孔9將能夠傳播這些波，並且中心孔9底部的有損材料對於這種頻率的電場是「可見的」。由於中心孔9的截止頻率被調整到低於濾波器的第一高階或寄生通帶，濾波器所有的高階模或寄生模將得到衰減或抑制。這種情況下，濾波器的阻帶特性得到提高。
這些結果顯示在圖3中，其中的實線表示，在沒有採用本發明的高通帶抑制方法的情況下，濾波器的性能(輸出輸入功率比)。這種濾波器響應示出了基頻通帶和在高頻處所不希望的高階或寄生通帶。由圖3中的虛線可見，採用本發明所設計的具有含中心孔的內導體的同軸諧振器，高階通帶得到了衰減。
權利要求
1.一種微波帶通濾波器，包括多個耦合諧振器，其中至少包含一個同軸諧振器(1)，其特徵在於，中心孔(9)從所述至少一個同軸諧振器的內導體(6)的上端開始延伸內導體的至少一部分長度，該中心孔(9)形成截止頻率高於帶通濾波器的通帶的波導部分，該波導部分的上部(11)包含一種低損耗介電材料，其介電常數充分高，使得波導部分的截止頻率低於帶通濾波器的第一高階響應，並且，中心孔(9)的下端部(10)含有一種有損材料。
2.如權利要求1所述的帶通濾波器，其特徵在於，在中心孔(9)的下端部(10)裡的有損材料是一種有損介電材料或有損磁性材料。
3.如權利要求1或2所述的帶通濾波器，其特徵在於，低損耗介電材料的損耗角正切tanδ低於0.001。
4.如權利要求2或3所述的帶通濾波器，其特徵在於，有損材料是一種結構為碳化矽(SiC)陶瓷的有損電介質。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的帶通濾波器，其特徵在於，中心孔具有圓柱形形狀。
6.如權利要求1至5中任何一項所述的帶通濾波器，其特徵在於，中心孔(9)內的低損耗材料與有損材料間的過渡沿中心孔的軸向是漸變的。
7.如權利要求6所述的帶通濾波器，其特徵在於，有損材料的上表面相對於中心孔的縱軸是傾斜的，而低損耗介電材料具有與其互補的下表面。
8.如權利要求6所述的帶通濾波器，其特徵在於，有損材料和低損耗介電材料由燒結的粉末材料製成，並且各自的粉末材料在過渡區互相混合。
全文摘要
本發明涉及一種微波帶通濾波器，它包括多個耦合的諧振器，其中至少包含一個同軸諧振器(1)。為了抑制高階通帶或者寄生通帶，該濾波器的特徵在於，中心孔(9)從所述至少一個同軸諧振器的內導體(6)的上端開始延伸內導體的至少一部分長度，該中心孔(9)形成截止頻率高於帶通濾波器的通帶的波導部分，並且，波導部分的上部(11)包含一種低損耗介電材料，其介電常數充分高，使得波導部分的截止頻率低於帶通濾波器的第一高階響應，並且，中心孔(9)的下端部(10)含有一種有損材料。
文檔編號H01P7/04GK1841838SQ20061007169
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月28日 優先權日2005年3月29日
發明者約翰尼斯·馬勒, 麥可·霍夫特 申請人:松下電器產業株式會社