一种双模介质谐振器及应用其的滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种基于双模介质谐振器的滤波器。

背景技术

随着通信系统的发展，不仅要求滤波器具有损耗低，体积小，重量轻的特点，而且对滤波器的小型化要求也更高，同时也要求滤波器的带宽更宽。在滤波器中为了做到更小的体积就避免不了引入双模滤波器。

在一定尺寸金属腔中，相同的频率可以以多种不同的谐振模式发生谐振，这些以相同频率谐振的模式简称为简并谐振模式。双模滤波器的介质谐振器就是利用了两个简并谐振模式。换句话说，在一定尺寸下，双模滤波器比单模滤波器多利用了一个简并谐振模式；也就是说，当一个滤波器要求一定数量的简并谐振模式时，双模滤波器比单模滤波器具用更小的体积，从而提高滤波器的性能。

但是现有的双模滤波器，其双模谐振器一般为十字架结构，重量和体积仍然比较大，并且耦合带宽不足，调试难度极大，需要实现批量生产也存在一定的问题。如何设计一种双模介质滤波器是滤波器领域一个亟待解决的问题。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明提出一种双模介质谐振器及应用其的滤波器，具有优良的带外抑制性能和稳定性，提高了滤波器的使用效率；结构简单紧凑，提高了滤波器的生产效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种双模介质谐振器，所述双模介质谐振器为表面设有金属层的介质立体块；

所述介质立体块的表面设有两个谐振孔，两个所述谐振孔设于两个相互垂直的谐振方向上，所述谐振孔用于调节谐振模式的谐振频率；

所述介质立体块的另外任意两个相对的表面向内凹陷形成中空区域，所述中空区域不设金属层，所述中空区域设有耦合结构。

优选地，所述介质立体块为正方体、圆柱体、长方体或棱柱体的陶瓷介质体，所述中空区域为所述介质立体块的两个相对的表面垂直向内凹陷形成的凹槽。

优选地，所述谐振孔为设有金属层的盲孔，所述谐振孔设于所述介质立体块的外侧面的中间区域。

优选地，所述耦合结构包括孔结构，所述孔结构是盲孔或通孔。

优选地，所述耦合结构是由多个所述孔结构组成。

优选地，所述孔结构的竖直截面为圆形、矩形或圆角矩形。

优选地，当所述孔结构为矩形时，所述孔结构的长边与所述介质立体块的水平边的夹角为[0°,180°]。

一种基于双模介质谐振器的滤波器，包括至少一个所述谐振器、输入端和输出端。

优选地，包括两个相互连接的所述双模介质谐振器，两个所述双模介质谐振器通过相对的两个所述中空区域构成的耦合窗口进行耦合；

所述输入端设于一个所述双模谐振器，所述输出端设于另一个所述双模谐振器。

优选地，多个谐振器级联连接，其中包括单模谐振器或/和若干个多模谐振器或/和所述双模介质谐振器；

所述双模介质谐振器通过所述中空区域与所述单模谐振器进行耦合；

所述双模介质谐振器通过所述中空区域与所述多模谐振器进行耦合；

两个所述双模介质谐振通过相对的两个所述中空区域构成耦合窗口进行耦合；

所述输入端和所述输出端分设于不同的谐振器。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有以下有益效果：

本发明提供了一种双模介质谐振器，通过在谐振器介质体相对的两面设置中空区域，并将可以调节谐振器简并模式耦合量的耦合结构设于该中空区域内，使谐振器Q值提升，具备更好的性能；此外，在应用该谐振器的滤波器中，中空区域可以作为谐振器间调节耦合量的耦合窗口使用，通过调整中空区域的尺寸可以调节相邻谐振器间的耦合量，调试方便，结构简单，利于加工生产。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的谐振器的示意图；

图2是图1所示的谐振器的透视图；

图3是图1中两个简并谐振模中一个谐振模的电场分布图；

图4是图1中两个简并谐振模中另一个谐振模的电场分布图；

图5是本发明另一个实施例提供的谐振器的示意图；

图6是图5所示的谐振器的透视图；

图7是本发明另一个实施例提供的四阶双模滤波器的透视图；

图8是本发明另一个实施例提供的六阶双模滤波器的透视图；

图9是六阶双模滤波器的仿真结果；

图10是本发明另一个实施例提供的不同形状耦合结构的谐振器的平面图。其中：双模介质谐振器100，介质立体块1，谐振孔2，中空区域3，耦合结构4，输入端5，输出端6，耦合窗口7。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

下面结合附图1至图10并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种双模介质谐振器100，其为表面设有金属层的介质立体块1；

所述介质立体块1的表面设有两个谐振孔2，两个所述谐振孔2设于两个相互垂直的谐振方向上，所述谐振孔2用于调节谐振模式的谐振频率；

所述介质立体块1的另外任意两个相对的表面向内凹陷形成中空区域3，所述中空区域3不设金属层，所述中空区域3设有耦合结构4。

实施例一：

本发明提供一种双模介质谐振器100，参照图1、图2，介质立体块1表面设有金属层可以使双模介质谐振器100的整体性能一致。

双模介质谐振器100能够产生两个谐振频率，具有两个谐振频率对应的两个互相垂直的谐振方向，即两个正交谐振模式(两个简并模)，为了实现双模介质谐振器100的高Q值及高性能，在介质立体块1的表面设有两个用于调节谐振频率的谐振孔2，两个谐振孔2设于两个相互垂直的谐振方向上。

在介质立体块1的另外任意两个相对的表面向内凹陷形成不设金属层的中空区域3，中空区域3用于减少介质立体块1外部辐射和热损耗，以及用于增强谐振器的Q值，进而改善具体应用该谐振器的滤波器的频率响应和带外抑制性能，经仿真实验比对，设置中空区域3的谐振器比未设置中空区域的谐振器的Q值性能提升20％—60％；此外，中空区域3的形状或/和尺寸还用于调节相邻谐振器间的耦合量。在高温或高功率的应用过程中，金属化的区域会产生热应力或机械应力，进而影响谐振器的性能，若对中空区域3进行去金属化，则可消除这些应力的影响，提高谐振器的稳定性和可靠性；同时，去金属化的中空区域3可以采用机加工或干压成型后粉料注射成型等现有工艺实现，中空区域3可直接在介质立体块1上加工而形成，可以简化制造过程，提高生产效率，同时降低制造成本。在中空区域3内设有的耦合结构4，通过耦合结构4可以实现两个简并模的耦合方式。

将本实施例的双模介质谐振器100置于空间内进行电场分析，双模介质谐振器100的两个简并谐振模的电场分布如图3、图4所示，从图3、图4所示可以看到简并谐振模的场能量较多地集中在耦合结构4附近，这样就方便了双模介质谐振器100的两个简并谐振模之间很好地实现较强的耦合，同时通过调整耦合结构4的尺寸就可以轻易调节耦合量，所以本发明提供了一种双模介质谐振器的结构简单，同时方便耦合量的调节，解决了调试难度大，耦合带宽不足的问题。

进一步的，所述介质立体块1为正方体、圆柱体、长方体或棱柱体的陶瓷介质体，所述中空区域3为所述介质立体块1的两个相对的表面垂直向内凹陷形成的凹槽。本实施例中，介质立体块1为陶瓷介质的立方体，陶瓷介质的立体块可靠性好，对温度的变化不敏感，同时耐腐蚀性能好。本发明不对陶瓷介质立体块2的形状作限制，立体块的具体形状可以是正方体或长方体等的立方体，也可以是圆柱体或圆台等的柱体，不同形状的谐振器介质立体块1可分别适用不同的应用场景或谐振器的尺寸大小需要，进一步地，可以将介质立体块的棱边进行倒角处理，使其外形更圆滑，更方便地安装和使用。

优选地，中空区域3的横截面的形状与陶瓷介质立体块1的横截面的形状相同，耦合量的调节可更规律，有利于谐振器的生产与测试。

更进一步的，所述谐振孔2为设有金属层的盲孔，所述谐振孔2设于所述介质立体块1的外侧面的中间区域。本实施例中，在陶瓷介质立体块1谐振孔2的表面也设有金属层，使谐振器整体性能保持一致并稳定Q值，并且避免两个简并谐振模经谐振孔2发生耦合效应；谐振孔2设于谐振器的谐振最强最集中的区域(即两个互相垂直谐振方向形成十字状的中间区域)，调节谐振频率效果最明显，对谐振器的频率影响最小。

需要说明的是，谐振孔2并不是必然客观存在的孔，可以理解为，谐振孔2是孔深大于等于0的一个盲孔，可以根据应用频率的需要而调节谐振孔2的孔深。另外，值得说明的是，谐振孔2不能与谐振器的其他结构相通形成通孔，因为若谐振孔2为贯穿介质立体块1的通孔时，会与谐振器的其他结构发生反应，有可能改变谐振器的电场分布和电容，从而导致谐振频率偏移；或有可能改变耦合结构附近的电场分布，影响耦合结构的耦合强度；或引入新的模式交互，影响滤波器的带宽和频率响应，影响滤波器的Q值，导致滤波器带外抑制性能下降等。

需要说明的是，本实施例中，两个谐振孔2的形状或尺寸不一定要一致，具体可以通过改变谐振孔2的形状、孔深或横截面积等数据来限定谐振器的谐振频率；从另一个角度来说，谐振孔2的形状和尺寸大小会影响谐振器表面金属化的面积，通过调节谐振器表面金属化的面积，同样可以控制谐振器的谐振频率。在电磁仿真或机械加工中，可以通过调节谐振盲孔的尺寸参数来控制谐振频率，这个方法操作简单，调整灵活，制作成本低。

进一步的，所述耦合结构4包括孔结构，所述孔结构是盲孔或通孔。本实施例中，耦合结构4可以为通孔结构或盲孔结构。当耦合结构4为盲孔时，耦合结构4可以是设于一个中空区域3的一个盲孔，或是设于相对面的两个中空区域3的对应的两个盲孔；当耦合结构4为通孔时，则是贯穿两个中空区域3的表面而形成的通孔。在谐振器中，耦合孔结构的孔深对于谐振器的频率会有影响，通过调节孔结构的深度来具体控制两个简并模的耦合量。

需要说明的是，在本实施例的双模介质谐振器中，耦合结构4具体为通孔结构和盲孔结构是适用于不同滤波器的相对带宽。虽然通孔结构的耦合强度比盲孔结构的耦合强度大，但盲孔结构更适用于窄带宽(0～100MHz)的应用场景。

进一步地说明，在本实施例中，耦合结构4为非金属化结构。非金属化的耦合结构能确保耦合结构不会对其他元件或信号产生干扰，且易于加工、成本低廉、机械强度高及热稳定性好。

更进一步的，所述耦合结构4是由多个所述孔结构组成。在其他实施例中，双模介质谐振器的简并谐振模耦合结构是由多个孔结构组成的。通过设置多个耦合孔结构可以引入更多的频率偏移和模式交叉，从而优化滤波器的频率响应，提高带外抑制能力；多个耦合孔结构可以提供更强的耦合强度。通过合理设计每个耦合孔的位置和尺寸，可以优化不同模式之间的耦合强度，从而实现更好的滤波性能。

进一步说明，孔结构设置的位置不限，例如，参考图1、图2和图7，通孔结构设置在中空区域3的中心；参考图8，盲孔结构设置在中空区域3的中心；参考图5和图6，通孔结构设置在中空区域3的边缘或/和其他位置。

更进一步的，所述孔结构的竖直截面为圆形、矩形或圆角矩形。当所述孔结构为矩形时，所述孔结构的长边与所述介质立体块1的水平边的夹角为[0°,180°]。

参考图1、图2、图5、图6、图7和图8，孔结构的竖直截面可以为圆形、矩形或圆角矩形；当孔结构的竖直截面为矩形(或圆角矩形)时，孔结构长边与介质立体块1的水平边的夹角可以在0°至180°范围内调整。参考图1和图2，圆角矩形的通孔结构与介质立体块1的水平边夹角为45°；参考图5和图6，圆角矩形的通孔结构位于中空区域3的左侧，并与介质立体块1的水平边夹角为90°；参考图10，耦合结构是由为圆角矩形和两个半圆形组合而成。可进一步参考图7所示的一个滤波器实施例，其中不同双模介质谐振器100的耦合结构4与其介质立体块1的水平边的夹角不相同，图7中，其中一个双模介质谐振器的通孔结构与水平边的夹角为45°，另一个与之相连接的双模介质谐振器的通孔结构与水平边的夹角为135°。通过改变耦合结构4的形状、角度或改变其长度和宽度以改变其尺寸的其中一种方式，都能够改变耦合量。这使得本发明能够更灵活和多渠道地改变耦合量。

本发明提供一种滤波器包括至少一个双模介质谐振器100、信号输入端和输出端。

双模介质谐振器100是由金属层包裹陶瓷介质立体块1而构成的整体。双模介质谐振器100能够产生两个谐振频率，具有两个谐振频率对应的两个互相垂直的谐振方向，即两个正交谐振模式(两个简并模)，为了实现双模介质谐振器100的高Q值及提高滤波器的性能，在陶瓷介质立体块1的相邻两个外侧面分别设有谐振孔2，用于调节谐振频率；具体地，谐振孔2设对应两个互相垂直的谐振方向设置，谐振孔2的表面也设有金属层，使产品整体性能保持一致并稳定Q值，并且避免两个简并模经谐振孔2发生耦合效应。在陶瓷介质立体块1的另外两个相对的面分别向内凹陷形成中空区域3，在中空区域3内设有用于调节两个简并谐振模式之间的耦合通孔4。信号输入端和输出端与双模介质谐振器100连接实现信号传输。

实施例二：四阶双模介质波导滤波器。

参考图7，滤波器包括两个相互连接的所述双模介质谐振器100，两个所述双模介质谐振器通过相对的两个所述中空区域3构成的耦合窗口7进行耦合；所述输入端5设于一个所述双模谐振器100，所述输出端6设于另一个所述双模谐振器100。其中：两个双模介质谐振器100相互连接，同轴输入端5与一个双模介质谐振器100连接，输出端6与另一个双模介质谐振器100连接，实现信号在滤波器中的输入和输出。同轴输入端5和输出端6分别通过探针与两个双模介质谐振器进行耦合，可以通过调节输入端5和输出端6的探针的尺寸来调节耦合量。两个双模介质谐振器100之间通过其相对应的中空区域3组成的耦合窗口7进行能量的耦合，具体可以通过调整耦合窗口7的尺寸来调节耦合量；同时，可以通过调整双模介质谐振器的谐振孔2的尺寸来调节双模介质谐振器100的两个简并谐振模的谐振频率，由此可以形成四阶的带通滤波响应。

实施例三：六阶双模介质波导滤波器。

为了滤波器的灵活运用，本实施例给出滤波器中单模谐振器和双模谐振器混合使用的具体示例，图8是本实施例中的六阶双模介质波导滤波器的示意图。该滤波器具体是由单模谐振器、两个双模介质谐振器100和另一个单模谐振器按顺序呈直线式排列连接而成。其中，同轴输入端5和输出端口6分别通过探针与滤波器两侧的单模谐振器进行耦合，可以通过探针尺寸调节端口的耦合量；两个双模介质谐振器100的各自两个简并模式都是分别通过盲孔的耦合结构4来实现耦合，可以通过调整盲孔结构的孔深或孔截面面积等尺寸来调节耦合量，具体可以实现窄带耦合。单模谐振器与双模介质谐振器100之间的耦合是通过中空区域3来实现的，两个双模介质谐振器100之间是通过相对应的中空区域3共同构成的耦合窗口7来实现耦合的；由于中空区域3是去除金属化的，则耦合窗口7也是去除金属化的，具体可以通过调整中空区域3和耦合窗口7的尺寸以调节耦合量相邻谐振器间的耦合。同时，可以通过调整双模介质谐振器100的谐振孔2的尺寸来调节介质双模谐振器的两个简并谐振模的谐振频率，由此可以形成六阶的带通滤波响应。在本实施中设计滤波器带宽较小的滤波器，仿真参数图形如图9所示。

实施例三通过两个单模谐振器和两个双模介质谐振器配合实现了比实施例二更高阶的波导滤波器。在波导滤波器中，波导滤波器的阶数越高，则滤波器的频率选择性越强，即通带和阻带之间的频率间隔越小。这是因为多阶波导滤波器结构可以提供更多的频率选择表面，从而增加反射和透射的频率点。因此，对于某些需要高频率分辨率的应用来说，使用多阶波导滤波器是必要的。例如，在通信系统中，如果需要过滤出非常接近的频率分量，则必须使用多阶波导滤波器来实现。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。