一种小型化双同轴腔体滤波器、控制方法及应用

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种小型化双同轴腔体滤波器、控制方法及应用。

背景技术

目前，伴随移动通信需求的扩大，通信设备及基础设施的使用量激增。腔体滤波器凭借着高Q值、高功率容量、低成本成为移动通信基站和大功率通信系统不可或缺的射频器件。腔体滤波器通常利用多个谐振腔耦合级联实现，但是其依靠内部空腔结构进行谐振的固有特点，使滤波器的体积偏大，且工作频率越低，波长越长，腔体体积越大。目前的同轴腔体小型化技术有（1）加载电容结构，但电路结构复杂、以牺牲Q值为代价降低谐振频率；（2）使用交叉耦合产生传输零点减少滤波器阶数，但拓扑结构复杂，调试难度加大；（3）多模技术，减少了谐振腔的数目，却带来一定的插损等。每种小型化技术都有各自的局限性，往往需结合起来使用。因此，通信系统射频前端滤波电路向着低损耗、小体积、重量轻方向发展过程中，简单有效地实现小型化、高性能的腔体滤波仍是谐振腔小型化技术探索中亟待解决的问题。

专利“一种小型化低频腔体滤波器”（CN 214477826U）设计的小型化低频腔体滤波器，采用加载微波介质块构成加载电容，使腔体滤波器工作在低频体积却不会增大。引入介质不失为一种方法，但是在中高频腔体滤波器小型化，介质材料受限。且调谐螺钉需穿过介质块插入谐振杆，连接结构复杂，加工调试易产生偏差。

文献“Wang X, Jang G, Lee B, et al. Compact quad-mode bandpass filterusing modifiedcoaxial cavity resonator with improved Q-factor[J]. IEEETransactions onMicrowave Theory and Techniques, 2015, 63(3): 965-975.”提出了新型的四模同轴腔，由单个腔内四个导电柱组成，为带通滤波器实现了新的四重谐振模式，提高了单腔的空间利用率。但是仅仅两个腔的尺寸就为43mm*21mm*15.5mm。

文献“Zhang Z C, Wong S W, Yu X, et al. Compact Quadruple-ModeWideband BandpassFilter Using L-Shaped Feed-Line in a Single Cavity[J]. IEEEMicrowave andWireless Components Letters, 2021, 31(10): 1111-1114.”设计了四模宽带带通滤波器。单腔由一对对称的导电柱和L型馈线构成，L型馈线不仅控制外部耦合，还被用作电抗负载，以降低TE模式谐振频率，一定程度上缩减了低频的体积，但是引入的调节量有限，单腔的体积也仅为28mm*28mm*24mm。

腔体小型化的实现，通常都是引入各式复杂的结构又或是利用介质，使用的频率范围、Q值有限。高品质因数、低损耗全金属小型化腔体滤波器的研究仍需要新思路、新方案。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的腔体滤波器的体积偏大，且工作频率越低，波长越长，腔体体积越大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化双同轴腔体滤波器、控制方法及应用。

本发明是这样实现的，一种小型化双同轴腔体滤波器包括：

金属腔体、盖板、支撑介质、槽状谐振柱、馈线、两个SMA-K型接头；所述金属腔体由三个小型单个谐振腔级联构成，盖板位于金属腔体的顶部，使得金属腔体形成封闭空间，减少辐射损耗；其中单个谐振腔由一个空腔和尺寸不同的内外槽状谐振柱构成，两个槽状谐振柱上下嵌套复用，所述支撑介质位于内外谐振柱之间，对内谐振柱起包裹、支撑作用。所述输入馈线馈入第一个谐振腔中的外槽状谐振柱中，输出馈线连接第三个谐振腔中外槽状谐振柱，输出能量；所述SMA-K型抽头，包含输入、输出馈线，位于金属腔体两侧的输入、输出端，与外电路连接。所述金属腔体由三个小型单个谐振腔级联构成，所述单个谐振腔由一个空腔和尺寸不同的两个槽状谐振柱构成，两个槽状谐振柱上下嵌套复用。

进一步，单腔中，嵌套复用的双导体柱位于空腔中心，整个空腔与槽型环柱对称。1.45GHz中心频率下，其初始尺寸为：外槽型谐振柱壁厚1.2mm，槽深17mm、内槽型谐振柱壁厚0.6mm，槽深14mm。

进一步，两个槽状谐振柱槽底厚度均为2mm，嵌套谐振柱侧壁间隔0.6mm，底部间隔3mm。

进一步，Q值为2057。

进一步，所述单个谐振腔内，两个槽状谐振柱之间注入能包裹住内侧槽状谐振柱底部的支撑介质，使得两个嵌套谐振柱结构稳定。

进一步，所述支撑介质为相对介电常数为2.1的特氟龙（Teflon（tm））树脂介质材料，介质材料的介电常数需接近或高于原有的空气介质，具有良好的电绝缘性，减少对谐振电路的影响，只作为支撑介质使用。

进一步，基于嵌套结构的三阶同轴滤波器设计中，两端的谐振腔内的槽状谐振柱采用单腔初始尺寸，中间谐振腔外侧的槽状谐振柱壁厚1.7mm，内侧谐振柱壁厚仍为0.6mm，形成以中间腔对称的三阶小型化同轴滤波器。

进一步，抽头中馈线馈入相邻腔内的外侧槽状谐振柱，与外谐振柱的内壁短接，抽头探针高度高于内侧槽状谐振柱的底部。

进一步，SMA-K型接头置于滤波器输入、输出端两侧，通过SMA-K型接头、50Ω特性阻抗传输线将腔体滤波器接入外电路并于外电路匹配。

本发明的另一目的在于提供一种小型化双同轴腔体滤波器的控制方法，所述小型化双同轴腔体滤波器的控制方法包括：

步骤一，嵌套复用单腔设计。

采用

步骤二，复用单腔之间耦合系数的确定。

在三阶同轴腔体滤波器设计中，先根据设计指标采用滤波器综合软件计算出腔间耦合系数矩阵，确定腔体间耦合系数理论值为m

本发明的另一目的在于提供一种通信设备，所述通信设备设置有所述的小型化双同轴腔体滤波器。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明设置有便于多个谐振柱复用的单柱槽型结构，通过单腔加载复用多个谐振柱，使得空间结构更加紧凑，提高空腔利用率。本发明解决了全金属腔体滤波器的小型化的问题，此单腔小型化方式可用于其他传输线结构。

本发明中的滤波器在1.15-1.54GHz内回波损耗S

本发明中的滤波器在2.13GHz处实现了一个传输零点，提高了通带选择性。

本发明中的腔体滤波器具有优良的结构特性，结构简单紧凑，整体尺寸仅为

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明在实现低损耗、具有良好的通带选择性且保证品质因数的同时，进一步实现小型化腔体滤波器以满足通信网络射频元件轻巧、紧凑、可集成的需求。

在小型化同轴腔体滤波器设计中，本发明技术效果和优点如下：一是相比传统谐振腔级联型排腔方式，采用嵌套的方式复用谐振柱单元，组成新的小型化谐振单腔，谐振频率下降，低频段腔体滤波器的尺寸减小。二是谐振柱单元设计为槽型，便于嵌套结构的使用和小型化单腔的实现。且槽型谐振柱的壁厚和槽深对单腔的工作频率和Q值影响较大，壁厚越小，谐振柱高度越大，频率越低，Q值越大，插入损耗越小。但是由于加工精度限制，壁厚最小做到0.6mm。三是输出同轴线结构与相邻的基于嵌套复用结构的谐振腔产生了交叉耦合，在带外产生传输零点，极大地提高了带外抑制度。第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

（1）本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

采用嵌套方式复用两个谐振单元，使得低频段单个谐振腔结构紧凑，Q值达到2000。相比通过加载其他复杂电路结构增大腔体滤波器的电尺寸方式，在保持良好滤波性能的基础上，结构简单、易装配、成本低。

（2）本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

嵌套方式往往出现在微带线等平面滤波器设计中，谐振环的嵌套。本发明将此谐振单元间的嵌套级联方式用于三维金属腔体滤波器的小型化中，并采用槽型谐振柱配合嵌套复用方式的使用。相比介质腔体滤波器，保留了金属腔体滤波器的高Q值，达到2000左右。相比加载电容、多模技术等小型化单腔技术，结构简单、插损低。对于直线型腔体滤波器难以运用交叉耦合产生传输零点的问题而言，特殊的双谐振柱嵌套复用方式与输出馈线产生了交叉耦合，在带外2.13GHz处产生了传输零点，提高了带外选择性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小型化双同轴腔体滤波器的俯视示意图；

图中R1、R2、R3为采用嵌套方式的小型化谐振单腔。

图2是本发明实施例提供的单腔内谐振柱复用结构示意图；图中1、2槽型谐振柱中，d=3mm为嵌套间隔，n_h1=2mm为槽型谐振柱底部厚度。

图3是本发明实施例提供的支撑介质位置示意图；图中3为介质环柱。

图4是本发明实施例提供的支撑介质的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的支撑介质的剖面图；介质高度为4.5mm。

图6是本发明实施例提供的小型化双同轴腔体滤波器的S

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。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的小型化双同轴腔体滤波器由三个小型单腔级联构成的金属腔体、盖板、支撑介质、槽状谐振柱、馈线、两个SMA-K型接头构成。所述金属腔体由三个小型单个谐振腔级联构成，盖板位于金属腔体的顶部，使得金属腔体形成封闭空间，减少辐射损耗；其中单个谐振腔由一个空腔和尺寸不同的内外槽状谐振柱构成，两个槽状谐振柱上下嵌套复用，所述支撑介质位于内外谐振柱之间，对内谐振柱起包裹、支撑作用。所述输入馈线馈入第一个谐振腔中的外槽状谐振柱中，输出馈线连接第三个谐振腔中外槽状谐振柱，输出能量；所述SMA-K型抽头，包含输入、输出馈线，位于金属腔体两侧的输入、输出端，与外电路连接。

单个谐振腔由一个空腔和尺寸不同的两个谐振柱构成，两个谐振柱上下嵌套复用。

单根金属柱根据谐振腔频率具有特定的槽深和壁厚，便于插入相同结构的内谐振柱。内、外谐振柱槽底厚度为2mm。

两端腔内谐振柱的壁厚为0.6mm，中间外谐振柱壁厚1.7mm，形成以中间腔对称的三阶小型化同轴滤波器。

单腔内，两个金属环柱之间注入能包裹住内谐振柱底部的支撑介质，使得结构稳固。

支撑介质为相对介电常数为2.1的Teflon（tm）。

抽头探针馈入相邻腔内的外谐振柱，抽头高度高于内谐振柱的底部。

电场在内外谐振柱间隙内来回变化，在两个谐振柱顶部相交部分电场最强。

1. 本发明解决了全金属腔体小型化的问题，此单腔小型化方式可用于其他传输线结构。

2. 滤波器谐振频率为1.41GHz，在1.15-1.54GHz内回波损耗S

3. 在2.13GHz处实现了一个传输零点，提高了通带选择性。

4. 该腔体滤波器具有优良的结构特性，结构简单紧凑。

5. 该滤波器整体尺寸仅为

6. 实现了小型化。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明实施例中的谐振单元复用结构可适用于其他传输线结构，小型化滤波器可适用于在相同频段的通信设备。

在具体产品设计中，根据加工精度调节谐振柱的槽深和介质的高度，使得刀具可以切割到。中心频率为1.5GHz，该滤波器在1.42GHz-1.72GHz通带范围内S

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

相比中低频段其他小型化同轴腔体滤波器，电尺寸对比如下：

[1] Yang Yongxia, Liu Fangfang, Guo Liang. Study andDesign ofbandpass filter for Coaxial cavity [J].Proceedings of Xi'an PolytechnicUniversity, 2015,35(07):521-526.DOI:10.16185/j.jxatu.edu.

[2] Shi Zhixiong, Li Simin, Qin Mi, Ye Jincai, Wang Guofu. Studydesign of 2.45 GHz [J]. Piezoelectric and acoustic light,2021,43 (02): 161-164.

[3] Z. -C. Zhang, S. -W. Wong, X. Yu, B. Zhao, D. Wang andR. Chen, "Compact Quadruple-Mode Wideband Bandpass Filter Using L-Shaped Feed-Line in aSingle Cavity," in IEEE Microwave andWireless Components Letters, vol. 31,no. 10, pp. 1111-1114, Oct. 2021, doi: 10.1109/LMWC.2021.3107952.

[4] 雷光, 王培章, 许舵. S 波段电容加载型同轴腔体滤波器的设计[J]. 军事通信技术, 2010, 3.

[5] Li S, Wang X, Li Y, et al. Design of compact coaxialcavitybandpass filter with high selectivity[C]//2019IEEE MTT-S InternationalMicrowave Biomedical Conference (IMBioC). IEEE, 2019, 1: 1-4.

[6] Zhang Z C, Yang J P, Li Q Y, et al. Design ofminiaturizedbandpass filter using modified coaxial cavity resonator[C]//2019International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT).IEEE, 2019: 1-3.

[7] Y. Chen and K. -L. Wu, "An All-metal CapacitiveCoupling Structurefor Coaxial Cavity Filters," 2020 IEEE/MTT-S International MicrowaveSymposium (IMS), 2020, pp. 583-586, doi:10.1109/IMS30576.2020.9223932.

由表格可以看出，基于嵌套复用方式的小型化同轴腔体滤波器的小型化优势所在。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。