一種基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器的製作方法
2023-05-21 16:20:36
本發明涉及射頻通信濾波技術領域，尤其涉及一種基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器。
背景技術：
與單端電路相比，差分電路憑藉其高抗噪聲和串擾的能力在微波電路和通信系統中扮演著極其重要的角色。適應於這一趨勢，很多具有良好性能的差分濾波器已被廣泛地探索和研究。在早期的設計中，許多差分濾波器採用了印刷電路板技術，低溫共燒陶瓷技術和基片集成波導技術實現的諧振器，但它們的通帶損耗和選擇性在許多實際應用中不能達到令人滿意的水平。
為了有效地解決上述問題，介質諧振器已廣泛應用於現代無線通信系統中，這主要是由於它具有高品質因數(q)，小體積和優異溫度穩定性的優勢。最近，有技術方案提出分別利用te11δ模矩形介質諧振器和te01δ模圓環形介質諧振器設計兩種差分濾波器。然而，所設計的差分濾波器的體積相對較大，這是因為採用的介質諧振器都是以單模工作。
技術實現要素：
本發明針對現有技術中存在的，基於介質諧振器的差分濾波器體積較大的問題，提供了一種基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器，能夠有效減小濾波器的體積。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器，包括金屬腔體、固定設置在金屬腔體內的兩組差分激勵結構和橫截面呈十字形且十字形上表面為金屬面的雙模介質諧振器、設置在金屬腔體外壁上的與兩組差分激勵結構對應連接的兩組微波接頭，所述雙模介質諧振器等效於兩個相同的矩形介質諧振器正交後切半且在切面上塗覆一層金屬形成，每一組差分激勵結構互為鏡像且分別與一個等效的切半矩形介質諧振器的兩端部正對設置，其中，一組差分激勵結構用於信號輸入，另一組差分激勵結構用於信號輸出。
優選的，等效的兩個切半矩形介質諧振器在相交處形成四個拐角，至少一對互為對角的拐角處設置有兩個用於分離正交模式的沿雙模介質諧振器的高度方向延伸的微擾件，微擾件和雙模介質諧振器具有相同的介電常數。
優選的，所述微擾件在高度上的橫截面呈方形。
優選的，等效的兩個切半矩形介質諧振器的主模均為半te11δ模。
優選的，差分激勵結構為饋電探針，包括依次連接的第一饋電部、第二饋電部以及第三饋電部，所述第一饋電部以及第三饋電部均與金屬腔體內壁垂直設置，所述第二饋電部豎直向下連接第一饋電部和第三饋電部。
優選的，所述微波接頭包括與第一饋電部對接的內導體以及嵌套在內導體外部的與金屬腔體外壁相連的外導體。
優選的，所述濾波器還包括固定設置在所述金屬腔體底部的用於承載所述雙模介質諧振器的底座。
優選的，所述金屬腔體包括主體部、金屬蓋板，所述主體部包括四個第一側壁以及四個連接相鄰第一側壁的第二側壁，任意相鄰的兩個第一側壁垂直設置，任意相鄰的兩個第二側壁垂直設置，每兩個相對的第一側壁安裝一組差分激勵結構。
實施本發明的基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器，具有以下有益效果：一方面，根據單個矩形介質諧振器主模的電磁場分布，當矩形諧振器沿著電場對稱面切半且在切面上塗覆金屬面時，主模的電磁場不會發生變化，本發明所採用的諧振器可以看作是兩個相同的切半矩形介質諧振器正交形成，與傳統的雙模介質諧振器相比，其尺寸可以減小一半；另一方面，等效的兩個切半矩形介質諧振器的主模都可以被一對位於其兩側的差分激勵結構激勵，由於採用雙模諧振器的原因，濾波器僅需要一個金屬腔體，有效地減小了濾波器的體積；
進一步優選的，本發明還可以在兩個切半矩形介質諧振器相交形成的一對相對拐角處設置兩個用於正交模式分離的微擾件。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1是本發明基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器的較佳實施例的俯視圖；
圖2是雙模介質諧振器的結構示意圖；
圖3是本發明基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器的較佳實施例的側透視圖；
圖4是單個矩形介質諧振器te11δz模式的電場示意圖；
圖5是切半矩形介質諧振器半te11δz模式的電場示意圖；
圖6是微擾件的參數a和耦合係數k12d之間的關係；
圖7是饋電探針的參數l1和l3與外部品質因數qed之間的關係；
圖8是差分雙模介質濾波器的仿真和實測結果示意圖。
具體實施方式
本發明的差分濾波器所採用的諧振器等效於兩個相同的矩形介質諧振器正交後切半且在切面上塗覆一層金屬形成，根據單個矩形介質諧振器主模的電磁場分布，當矩形諧振器沿著電場對稱面切半且在切面上塗覆金屬面時，主模的電磁場不會發生變化，與傳統的雙模介質諧振器相比，其尺寸可以減小一半；等效的兩個切半矩形介質諧振器的主模都可以被一對位於其兩側的差分激勵結構激勵，由於採用雙模諧振器的原因，濾波器僅需要一個金屬腔體，有效地減小了濾波器的體積。
為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施例對上述技術方案進行詳細的說明，應當理解本發明實施例以及實施例中的具體特徵是對本申請技術方案的詳細的說明，而不是對本申請技術方案的限定，在不衝突的情況下，本發明實施例以及實施例中的技術特徵可以相互組合。
參考圖1-2，較佳實施例中，差分濾波器包括金屬腔體1、固定設置在金屬腔體1內的兩組差分激勵結構21、22和雙模介質諧振器3、設置在金屬腔體1的外壁上的與兩組差分激勵結構21、22對應連接的兩組微波接頭，如圖中，埠1-1』為一組微波接頭，埠2-2』為另一組微波接頭。
參考圖2，雙模介質諧振器3橫截面呈十字形且十字形上表面為金屬面，其實質上等效於相同的兩個矩形介質諧振器正交後切半且在切面上塗覆一層金屬形成。
參考圖1且結合圖3，金屬腔體1包括高度為l4的主體部以及封蓋所述主體部的金屬蓋板，所述主體部包括四個第一側壁11以及四個連接相鄰第一側壁11的第二側壁12，第一側壁11的寬度大於第二側壁12的寬度，任意相鄰的兩個第一側壁11垂直設置，任意相鄰的兩個第二側壁12垂直設置。實際上，其橫截面等效於一個邊長為w1的正方形的四個拐角被切除形成。
其中，每兩個相對的第一側壁11安裝一組差分激勵結構21或者差分激勵結構22。差分激勵結構21互為鏡像且與一個等效的切半矩形介質諧振器的兩端部正對設置，同理，差分激勵結構22互為鏡像且與一個等效的切半矩形介質諧振器的兩端部正對設置。一組差分激勵結構21/22用於信號輸入，另一組差分激勵結構22/21用於信號輸出，它們具有相同的尺寸。較佳實施例中，差分激勵結構21、22為饋電探針，具體包括依次連接的第一饋電部、第二饋電部以及第三饋電部，所述第一饋電部以及第三饋電部均與金屬腔體內壁垂直設置，所述第二饋電部豎直向下連接第一饋電部和第三饋電部，即第一饋電部以及第三饋電部的長度相等。如圖3中，第一饋電部和第三饋電部長度為l1，第二饋電部長度為l2。
繼續參考圖1和圖3，等效的兩個切半矩形介質諧振器在相交處形成四個拐角。優選的，至少一對互為對角的拐角處設置有兩個用於分離兩個正交模式的沿雙模介質諧振器3的高度方向延伸的微擾件4。微擾件4和雙模介質諧振器3具有相同的介電常數。本實施例中，雙模介質諧振器3的介電常數和損耗角正切分別38和2.5×10-4。
如圖1中，較佳實施例在一對互為對角的拐角處分別設置了一個微擾件4。當然，還可以將微擾件4設置在另外一對互為對角的拐角處，或者在4個拐角處均設置微擾件4。
較佳實施例中，所述微擾件4在高度方向上的橫截面呈方形。可以理解的是，具體的形狀並不限於此，橫截面還可以是矩形，或者微擾件4還可以是柱形甚至是不規則的條形，這些都在本發明的保護範圍之內。
另外，本實施例中，所述微擾件4與所述雙模介質諧振器3一體成型。需要明確的是，一體成型僅僅是本發明的一個優選方案，實際上微擾件4還可以是與雙模介質諧振器3分離的結構，這些都在本發明的保護範圍之內。
繼續參考圖3，微波接頭的高度為l3，所述微波接頭包括與第一饋電部對接的內導體以及嵌套在內導體外部的與金屬腔體1外壁相連的外導體。具體實施例中，第一饋電部和內導體直接連接。
參考圖3，所述濾波器還包括固定設置在所述金屬腔體1的底部上的用於承載所述雙模介質諧振器3的底座5。具體的，底座5包括一體成型的方形底板51和與方形底板垂直的柱體結構52，雙模介質諧振器3通過粘合方式與柱體結構52固定，方形底板51的四角通過螺釘固定在金屬腔體1的底部上。
本實施例中，底座5具體為al2o3材質。當然，具體材料並不限於此，只要底座5具備一定的剛性能用於承重即可。
下面結合圖4和圖5以及上述實施例介紹本發明的工作原理。
如圖4所示，矩形介質諧振器te11δz模式的電場在諧振器內呈現閉環分布，並且它與對稱面y＝a/2是相互正交的。根據電磁場邊界條件，在電場對稱面y＝a/2上覆蓋一層金屬面(近似等效為理想電壁)將不會改變te11δz模原有的場分布，如圖5所示，該切半矩形介質諧振器可以由圖4所示的矩形介質諧振器沿著電場對稱面y＝a/2切半並在切面上塗覆一層金屬構成。
基於此原理，本發明所採用的諧振器等效於兩個相同的矩形介質諧振器正交後切半且在切面上塗覆一層金屬形成(如圖2所示，其中，a、b、l分別表示單個矩形介質諧振器的高、長、寬)。與傳統的雙模介質諧振器相比，其尺寸減小了一半。
根據雙模介質諧振器3的結構，其存在一對具有相同諧振頻率的正交模式，即半te11δx和半te11δy模式，這兩個模式可以由一組饋電探針差分激勵。其中，差分激勵結構21激勵半te11δx模式，差分激勵結構22激勵半te11δy模式，每一組差分激勵結構的兩個饋電探針引入用於激勵相應半te11δ模式的等幅反向電流。根據互易性原理可知，從工作在半te11δ模式的介質諧振器上提取的信號也必然是反向的。
四個饋電探針用於組成兩對差分輸入/輸出，它們具有相同的尺寸並且其長度和高度決定了輸入/輸出耦合量，即外部品質因數qed。一般情況下，正交模之間不存在耦合。如果正交模式需要發生耦合，那麼它們的電磁場分布就應該被擾亂。本發明中的橫截面呈方形的微擾件4即是用於兩個正交模式的分離，其尺寸為a*a*a/2。兩個模式間的耦合係數，即k12d，由微擾件4的尺寸決定。從圖6可以看出，k12d的值隨著a增加而增大。根據圖7可以看出，當饋電探針參數l1或l3增大時，qed的值減小。
基於以上分析，我們設計一個中心頻率為1.75ghz，0.04db紋波相對帶寬(fbw)為0.42％的兩階差分切比雪夫帶通濾波器。按照濾波器設計指標，低通原型濾波器的集總元件值為：g0＝1，g1＝0.6508，g2＝0.5371。差分濾波器設計所需要的qed和k12d可由如下公式得到：
最終，根據提取的qed和k12d，差分濾波器結構的對應尺寸經過仿真優化後可確定如下：l1＝4.65mm，l2＝20mm，l3＝30mm，l4＝35mm，w1＝45mm，a＝1.6mm，a＝31mm，b＝24.5mm，l＝11mm。
圖8給出了提出的差分濾波器的仿真和實測結果，具有良好的一致性。圖中，sdd11表示差模信號在埠1-1』的反射係數；sdd21表示差模信號從埠1-1』到埠2-2』的傳輸係數；scc21表示共模信號從埠1-1』到埠2-2』的傳輸係數。從該圖中可以看出，測得的差模通帶中心頻率為1.75ghz，通帶內回波損耗優於15db，仿真和實測的最小插入損耗約為0.73db和0.9db，並且差模通帶內的共模抑制大於40db。
綜上所述，實施本發明的基於小型化雙模介質諧振器的差分濾波器，具有以下有益效果：一方面，根據單個矩形介質諧振器主模的電磁場分布，當矩形諧振器沿著電場對稱面切半且在切面上塗覆金屬面時，主模的電磁場不會發生變化，本發明所採用的諧振器可以看作是兩個相同的切半矩形介質諧振器正交形成，與傳統的雙模介質諧振器相比，其尺寸可以減小一半；另一方面，等效的兩個切半矩形介質諧振器的主模都可以被一對位於其兩側的差分激勵結構激勵，由於採用雙模諧振器的原因，濾波器僅需要一個金屬腔體，有效地減小了濾波器的體積；進一步優選的，本發明還可以在兩個切半矩形介質諧振器相交形成的一對相對拐角處設置兩個用於正交模式分離的微擾件。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。