多模濾波器的製作方法

2023-04-23 15:01:11 2

專利名稱：多模濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種濾波器，更具體地說，涉及一種具有帶通功能的多模濾波器。
背景技術：
濾波器作為一種二埠網絡，具有特定的頻率選擇特性，即讓需要的頻率信號順利通過而對其他頻率信號衰減抑制，目前廣泛應用於雷達、廣播、無線通信、測控系統等領域。濾波器性能的優劣直接影響整個微波系統，實際中時常需要使用具有高帶外抑制性能的濾波器。通過在帶外一定頻率處引入衰減極點，即傳輸零點，可以為濾波器帶來陡峭的帶外抑制。兩路或多路信號的相互抵消，是傳輸零點產生的物理原因。實現信號相互抵消的一種方法是在非相鄰諧振器之間引入交叉耦合。引入交叉耦合結構以後，當一定頻率的信號通過濾波器時，濾波器主路的相移與交叉耦合路徑的相移相差180°，即相位相反，從而使得主路信號與交叉耦合路徑的信號相互抵消，產生衰減極點。實現信號相互抵消的另外 一種方法是在梯形網絡的串聯或並聯支路中插入特有的零點激發元件(支節)，如極點提取技術，也稱「零點腔」技術。多模濾波器是濾波器小型化的技術途徑之一。在一個腔內，可以存在數個諧振頻率相等或者十分接近的模式，每一個模式相當於一個諧振迴路，將這些模式耦合連接起來，便構成多模濾波器，這種濾波器較單模濾波器更為緊湊，具有廣泛應用前景。目前，多模技術在波導、介質、微帶等濾波器中已有大量研究，例如介紹波導濾波器多模技術中常用的模式及耦合的典型方法，也有採用對一個矩形介質諧振振子切角、使兩個的極化簡併模耦合，實現了雙模濾波器，或者利用一種微帶雙模諧振單元，通過垂直的埠激勵以及45°處的微擾，實現了兩個正交模式耦合。利用交叉耦合或「零點腔」技術產生零點，都需要額外引入耦合結構或者外加的腔體，使濾波器結構變的繁冗複雜。而多模濾波器都不可不避免需要加上微擾工藝及微擾的耦合結構，增加了加工工藝的難度。

發明內容
本發明的目的在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種無線引入耦合結構或外加腔體即可形成「零點腔」、實現多模的多模濾波器。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種多模濾波器，包括諧振腔、設置在所述諧振腔側壁上的輸入端和輸出端、置於所述諧振腔中的諧振子，所述輸入端和輸出端相互垂直，所述諧振腔側壁上還設有分別與所述輸入端和輸出端共軸線的第一調諧杆和第二調諧杆，所述諧振子包括非金屬材料製成的基板和附著在所述基板上的人造微結構，所述人造微結構為導電材料製成的具有幾何圖案的平面結構。在本發明所述的多模濾波器中，所述諧振子包括相同且疊合在一起的兩塊基板，其中一塊基板的面向另一塊基板的表面上附著有所述人造微結構。在本發明所述的多模濾波器中，所述人造微結構包括四個T字形支路，每個T字形支路包括一條橫線和一條起始端端連接在所述橫線上的豎線，且所述豎線垂直平分所述橫線。在本發明所述的多模濾波器中，四個所述T字形支路的四條豎線的末端共一點，且所述四條豎線分別依次與輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆的軸線共線。在本發明所述的多模濾波器中，所述四條豎線長度相等，四條橫線的長度不完全相等。在本發明所述的多模濾波器中，所述基板由微波介質陶瓷材料製成，所述人造微結構由金屬製成。在本發明所述的多模濾波器中，每塊所述基板採用介電常數為16、損耗角正切值 為0. 001的陶瓷,厚度為Imm ;人造微結構由線寬為0. 2mm、厚度為0. 018mm的銅線構成，四個T字形支路的每條豎線長9. 7mm,四條橫線長度依次為10. 4mm,7. 4mm、10. 4mm、7. 4mm。在本發明所述的多模濾波器中，所述基板為正方形，所述正方形的四個側面分別依次面向輸入端、輸出端、第一調諧杆和第二調諧杆的末端端面，且四個側面到四個對應的末端端面的距離均相等。在本發明所述的多模濾波器中，所述輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆伸入所述諧振腔內的長度均相同，所述諧振子位於所述諧振腔中央。在本發明所述的多模濾波器中，所述諧振腔內部為對稱結構，其內壁面由四個相同的平面或曲面依次連接且首尾相接而成。在本發明所述的多模濾波器中，所述諧振腔內部為圓柱形，半徑20mm，高30mm ;所述輸入端、輸出端、第一調諧杆和第二調諧杆伸入所述諧振腔內的部分直徑均為2mm。在本發明所述的多模濾波器中，多個所述多模濾波器級聯成一個具有帶外抑制功能的濾波器。實施本發明的多模濾波器，具有以下有益效果本發明設計一種帶有人造微結構的諧振子，該諧振子具有三個頻率相近的本徵模式，並同時設計了一個垂直的埠激勵結構的諧振腔，形成通帶高低端的兩個零點，實現高抑制性能的帶通濾波器。


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I是本發明優選實施例的多模濾波器的俯視圖；圖2是圖I所示多模濾波器的A-A旋轉剖面圖；圖3是圖I所示多模濾波器的人造微結構的尺寸示意圖；圖4是圖I所示多模濾波器的諧振子的剖面示意圖；圖5是第一模式的電磁場中人造微結構的等效電路圖；圖6是第二模式的電磁場中人造微結構的等效電路圖；圖7是第三模式的電磁場中人造微結構的等效電路圖；圖8是圖4所示諧振子的等效電路圖；圖9是C1值不同時諧振子的等效電路響應曲線；圖10是具體實施例下多模濾波器的S參數仿真圖。
具體實施例方式本發明涉及一種多模濾波器，如圖I、圖2所示，包括諧振腔I、設置在諧振腔I側壁上的輸入端Portl和輸出端Port2、置於諧振腔I中的諧振子以及支撐諧振子的底座4。其中，輸入端Portl和輸出端Port2相互垂直，即二者的軸線是相互垂直的。在諧振腔I側壁上還設有與輸入端Portl共軸線的第一調諧杆Tunl，以及與輸出端Port2共軸線的第二調諧杆Tun2,同時輸入端Port I、輸出端Port2、第一調諧杆Tunl、第二調諧杆Tun2的軸線均在同一水平面上。輸入端Portl、輸出端Port2伸入諧振腔內的部分為探針，探針成直線形，兩個探針的直徑與第一調諧杆Tunl、第二調諧杆Tun2的直徑均相同，兩個探針伸入腔內的長度相同且與第一調諧杆Tunl、第二調諧杆Tun2伸入腔內的長度相同。本發明的諧振子沒有採用傳統的微波介質陶瓷諧振子，而是採用帶狀線介質，其包括非金屬材料製成的基板3和附著在基板3上的人造微結構2。基板3的非金屬材料優··選為介電常數高、損耗角正切值低的微波介質陶瓷，當然也可以採用其他介電常數相對較聞、損耗小的材料例如環氧樹脂、聚四氣乙稀、鐵電材料等。為了使諧振腔內的對稱性，使電磁波的對稱性更佳，如圖2、圖4所示，本發明優選諧振子具有兩塊相同的基板3且二者整齊地疊合，人造微結構2夾在二者之間。實際製作中，即在一塊基板3的表面上通過電鍍後蝕刻或者蒸鍍等方法附上人造微結構2，然後在該表面上通過現有的微波專用膠水粘上另一塊基板3。整個諧振子位於諧振腔I的正中央，即其中心點處於諧振腔高度一半、橫截面中心的位置。本實施例中，基板3為正方形，如圖I所示，正方形的四個側面分別依次面向輸入端Portl、輸出端Port2、第一調諧杆Tunl和第二調諧杆Tun2的末端端面，且四個側面到四個對應的末端端面的距離均相等。初始狀態下，輸入端Portl、輸出端Port2、第一調諧杆Tunl、第二調諧杆Tun2伸入諧振腔I內的長度均相同。當然，後期調諧過程中，第一調諧杆Tunl、第二調諧杆Tun2伸入腔內的尺寸是可調的。人造微結構2為具有一定幾何圖案的平面結構，該圖案由導電材料的絲線組合合成。導電材料常用的是金屬或金屬合金，例如銀、銅、金、銀合金、銅合金等，非金屬的導電材料包括銦錫氧化物、摻鋁氧化鋅、石墨、碳納米管、導電塑料等。由於導電材料的存在，使得其在電磁場中能引起一定量的電子移動和聚集，從而形成電容/電感等效電路，從而影響電磁場的分布。因此，本發明即設計一類特殊的人造微結構的結構形狀，使得其具有三個頻率非常相近的本徵模式，同時通過上述相互垂直設置的輸入、輸出埠激勵，使得三個頻率中最低、最高兩個頻率的模式相當於外掛的「零點腔」，從而在無需外加耦合結構或腔體的情況下，實現諧振模式頻率高低端各帶一個傳輸零點。這種人造微結構2可作為濾波器的諧振單元耦合使用，在製作高抑制性能濾波器中具有潛在應用價值。為了獲得上述三個頻率非常相近的本徵模式，本發明的人造微結構具有四個支路，且這四個支路基本上相同只略有區別，從而具有相近而略有區別的模式頻率。為了便於調諧，簡化為每個支路包括電感等效線和電容等效線，且四個電感等效線的起始端分別連接著各自的電容等效線，而末端共一點。進一步簡化，四個電感等效線完全相同，且以任一電感等效線的末端點為旋轉中心旋轉90度後與原四個電感等效線構成的圖形重合。四個電容等效線分別靠近輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆的末端端面，並與之分別形成四個等效電容。電感等效線則用來等效為連接在電容之間的電感。上述電感等效線、電容等效線可以為任意形狀的線條，例如直線、多段線、螺旋線或其他任意曲線。本實施例中，為了進一步簡化，電感等效線和電容等效線均為直線。如圖I、圖3所示，人造微結構包括四個T字形支路，每個T字形支路包括一條橫線和一條豎線，該豎線的起始端連接在橫線上且垂直平分所述橫線。這裡的橫線即為電容等效線，豎線為電感等效線。由圖可知，四個T字形支路的四條豎線長度相等且末端共一點，而四條橫線的長度不完全相等。為了減少參數變量，取相平行的兩條橫線等長，四條橫線的兩組平行線長度不相等。同時為了進一步簡化模型、便於計算，這四條豎線分別依次與輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆的軸線共線。同時，為了減少其他變量對電磁場的影響，諧振腔內部為對稱結構，其內壁面由四個相同的平面或曲面依次連接且首尾相接而成，例如為正方形柱面、圓柱面等。如圖3、圖4所示，設定四條豎線連成的兩條垂直相交線段的長度分別為Ip I2，則 已知I1 = 12。兩條相平行的橫線的線長均為S1，另兩條橫線的線長均為S2,已知S1幸s2。且線長為S1的兩條橫線分別對應著輸入端Portl的末端和第一調諧杆Tunl的末端，線長為S2的兩條橫線分別對應著輸出端Port2的末端和第二調諧杆Tun2的末端。所有橫線和豎線的線寬均為《，線厚為ht，基板有兩塊且為相同的正方形，邊長為H，板厚為hs。由CST電磁仿真軟體可以得知，該結構具有三個頻率相近的本徵模式。其中，第一模式的電場主要集中在邊長為S1的兩條橫線上，而這兩條橫線和與之相對的輸入端、第一調諧杆的末端端面距離相等且尺寸相同，因此兩條橫線與輸入端、第一調諧杆分別產生電容效應因此相當於加載了等值的電容，設定可以分別等效為一個容值相等的電容C1，而磁場主要環繞在與這兩條橫線相連的兩條豎線構成的線段I1上，因此可以等效為電感U。因此，第一模式的等效電路圖如圖5所示。第二模式的電場分布在四條橫線上，而磁場環繞四條豎線，根據上述每個邊長為S1的橫線與對應的輸入/輸出端或第一 /第二調諧杆等效為電容C1，邊長為S2的等下為C2,連起來長度為I1的兩條豎線分別等效為一個U/2的電感，而連起來長度為I2的兩條豎線分別等效為一個L2/2的電感。第二模式的等效電路圖如圖6所示。第三模式的電場則主要集中在邊長為S2的兩條橫線上，而這兩條橫線和與之相對的輸出端、第二調諧杆的末端端面距離相等且尺寸相同，因此可以分別等效為一個容值相等的電容C2，而磁場主要環繞在與這兩條橫線相連的兩條豎線構成的線段I2上，因此可以等效為電感L2。因此，第一模式的等效電路圖如圖7所示。本發明為垂直埠進行激勵，本實施例中輸入端Portl和輸出端Port2為兩個軸線垂直放置的50歐匹配的同軸線埠，採用探針方式對諧振子激勵。整個諧振子在垂直埠激勵下的等效電路如圖8所示。輸入端Portl和接地端Groundl之間構成第一模式的諧振迴路,輸出端Port2和接地端Ground2之間為第二模式的諧振迴路,輸入端Portl和輸出端Port2之間構成第三模式的諧振迴路。由圖8可以看出，第一模式對應的輸入端頻率和第三模式對應的輸入端頻率的信號將分別傳到Groundl和Ground2,而不能到達輸出端，因此算一模式和第三模式的諧振電路相當於外接的零點激勵支節，即「零點腔」，第一模式對應的輸入端頻率為f；。-和第三模式對應的輸入端頻率fMde;3為零點所在位置。
本文採用的雪花結構有I1 = I2，兩金屬邊等效電感相等，設其大小為L1，則三個模式各自的諧振頻率為⑴、⑵、(3)式所示

權利要求
1.一種多模濾波器，包括諧振腔、設置在所述諧振腔側壁上的輸入端和輸出端、置於所述諧振腔中的諧振子，其特徵在於，所述輸入端和輸出端相互垂直，所述諧振腔側壁上還設有分別與所述輸入端和輸出端共軸線的第一調諧杆和第二調諧杆，所述諧振子包括非金屬材料製成的基板和附著在所述基板上的人造微結構，所述人造微結構為導電材料製成的具有幾何圖案的平面結構。
2.根據權利要求I所述的多模濾波器，其特徵在於，所述諧振子包括相同且疊合在一起的兩塊基板，其中一塊基板的面向另一塊基板的表面上附著有所述人造微結構。
3.根據權利要求I所述的多模濾波器，其特徵在於，所述人造微結構包括四個T字形支路，每個T字形支路包括一條橫線和一條起始端端連接在所述橫線上的豎線，且所述豎線垂直平分所述橫線。
4.根據權利要求3所述的多模濾波器，其特徵在於，四個所述T字形支路的四條豎線的末端共一點，且所述四條豎線分別依次與輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆的軸線共線。
5.根據權利要求4所述的多模濾波器，其特徵在於，所述四條豎線長度相等，四條橫線的長度不完全相等。
6.根據權利要求2所述的多模濾波器，其特徵在於，所述基板由微波介質陶瓷材料製成，所述人造微結構由金屬材料製成。
7.根據權利要求I所述的多模濾波器，其特徵在於，所述基板為正方形，所述正方形的四個側面分別依次面向輸入端、輸出端、第一調諧杆和第二調諧杆的末端端面，且四個側面到四個對應的末端端面的距離均相等。
8.根據權利要求7所述的多模濾波器，其特徵在於，所述輸入端、輸出端、第一調諧杆、第二調諧杆伸入所述諧振腔內的長度均相同，所述諧振子位於所述諧振腔中央。
9.根據權利要求8所述的多模濾波器，其特徵在於，所述諧振腔內部為對稱結構，其內壁面由四個相同的平面或曲面依次連接且首尾相接而成。
10.根據權利要求5所述的多模濾波器，其特徵在於，多個所述多模濾波器級聯為一個濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種多模濾波器，包括諧振腔、設置在所述諧振腔側壁上的輸入端和輸出端、置於所述諧振腔中的諧振子，所述輸入端和輸出端相互垂直，所述諧振腔側壁上還設有分別與所述輸入端和輸出端共軸線的第一調諧杆和第二調諧杆，所述諧振子包括非金屬材料製成的基板和附著在所述基板上的人造微結構，所述人造微結構為導電材料製成的具有幾何圖案的平面結構。本發明設計一種帶有人造微結構的諧振子，該諧振子具有三個頻率相近的本徵模式，並同時設計了一個垂直的埠激勵結構的諧振腔，形成通帶高低端的兩個零點，實現高抑制性能的帶通濾波器。
文檔編號H01P1/207GK102800909SQ20121026854
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者劉若鵬, 徐冠雄, 劉京京, 許寧, 任玉海 申請人:深圳光啟創新技術有限公司