椭圆波导极化旋转滤波器

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，更具体地说，是涉及一种椭圆波导极化旋转滤波器。

背景技术

波导滤波器和扭转波导是毫米波通信系统中重要的无源器件，滤波器为通信链路提供选频和干扰信号抑制能力，扭转波导用于连接不同朝向和不同电磁场极化方向的波导端口。在传统技术中，波导滤波器和扭转波导往往是独立设计和制造的器件，为了使波导滤波器具备极化旋转功能，可以将分立的波导滤波器与扭转波导级联，这将导致电路体积增加并引入额外的射频损耗。可以将扭转波导结构融入波导滤波器的设计，在一个器件中同时实现滤波和极化旋转两种功能，以提升器件的集成度。在传统技术中，这种极化旋转波导滤波器有两种实现方案，第一是在波导滤波器设计完成之后对规则的滤波器腔体结构进行扭转；第二是在波导滤波器的设计过程中对规则的谐振腔和耦合结构进行分级旋转。

传统技术方案主要存在以下问题：(1)扭转过程导致滤波器腔体结构畸变，畸变后的非规则谐振腔及其耦合结构的模式分析复杂化，滤波响应的优化难度加大；(2)畸变后的滤波器结构复杂，加工和装配难度加大；(3)虽然采用3-D打印技术可以实现极化旋转波导滤波器的一体化增材制造成型，简化加工和装配，但传统极化旋转波导滤波器的结构设计方案不完全兼容3-D打印工艺。这种结构与工艺之间的兼容性缺陷具体体现在：(1)矩形波导谐振腔及其耦合结构的腔壁为平面，腔壁相交处存在凹或凸的棱角，扭转后会产生畸变，3-D打印的成型质量差；(2)矩形波导谐振腔及其耦合结构不是旋转对称结构，在极化旋转过程中会使腔体结构更加复杂，进一步给3-D打印带来挑战；(3)容易在矩形波导谐振腔及其耦合结构内残留3-D打印支撑材料，且畸变后的腔体内表面的后处理难度大。因此，提升极化旋转波导滤波器的结构灵活性并增强滤波器结构与3-D打印工艺的兼容性成为有效改善这类滤波器制造质量的重要技术途径。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种椭圆波导极化旋转滤波器，旨在利用椭圆波导和圆波导的结构对称性、曲面轮廓以及谐振模式的相似性实现具有极化旋转特点的波导带通滤波器，增强这类滤波器结构的设计灵活性及其与3-D打印工艺的兼容性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种椭圆波导极化旋转滤波器，包括金属壳体，所述金属壳体的内部具有多个椭圆波导谐振腔以及两个矩形波导，其中一个所述矩形波导、多个所述椭圆波导谐振腔和另一个所述矩形波导依次连接，两个所述矩形波导与其横截面的长边方向平行的对称轴和各个所述椭圆波导谐振腔的椭圆截面的长轴均为旋转参考轴，后一个所述旋转参考轴的方向由前一个所述旋转参考轴的方向以所述金属壳体的长度方向为旋转轴旋转预定角度而成，且两个相邻所述椭圆波导谐振腔之间、相邻所述椭圆波导谐振腔和所述矩形波导之间均通过圆柱腔耦合连接。

可选地，所述椭圆波导谐振腔的中轴线、所述矩形波导的中轴线和所述圆柱腔的中轴线共线设置。

可选地，各个所述椭圆波导谐振腔的椭圆长轴长度相等，椭圆短轴长度相等。

可选地，所述椭圆波导谐振腔的数量为奇数个，以最中间的所述椭圆波导谐振腔为中心，对称设置的两个所述椭圆波导谐振腔的轴向长度相等；或者，所述椭圆波导谐振腔的数量为偶数个，以最中间的两个所述椭圆波导谐振腔的连接处为中心，对称设置的两个所述椭圆波导谐振腔的轴向长度相等。

可选地，各个所述圆柱腔的轴向长度相等。

可选地，所述圆柱腔的数量为奇数个，以最中间的所述圆柱腔为中心，对称设置的两个所述圆柱腔的横截面圆半径相等；或者，所述圆柱腔的数量为偶数个，以最中间的两个所述圆柱腔的圆心连线中心处为中心，对称设置的两个所述圆柱腔的横截面圆半径相等。

可选地，所述矩形波导和与其相邻的所述椭圆波导谐振腔之间还具有过渡波导，所述矩形波导、所述过渡波导、所述圆柱腔和所述椭圆波导谐振腔依次连接。

可选地，两个相邻所述旋转参考轴之间的夹角为α，0<α<45°。

可选地，任意两个相邻所述旋转参考轴之间的夹角相等。

可选地，所述旋转参考轴的数量为x，则α(x–1)＝(90±5)°。

本发明提供的椭圆波导极化旋转滤波器的有益效果在于：各个椭圆波导谐振腔通过圆柱腔依次级联，椭圆波导谐振腔和圆柱腔均具有旋转参考轴，后一个椭圆波导谐振腔可看作由前一个椭圆波导谐振腔旋转而成，后一个旋转参考轴的方向由前一个旋转参考轴的方向以金属壳体的长度方向为旋转轴旋转预定角度而成。因此，可以实现滤波器输入和输出端口的极化方向在0°至90°之间任意角度灵活设计，并同时获得良好的带通滤波响应。本发明提供的椭圆波导极化旋转滤波器端口的极化旋转角度不受结构限制，每一级椭圆波导谐振腔的可旋转角度不受结构限制，其设计旋转角度取决于实际需要的总极化旋转角度和滤波器的阶数。利用椭圆波导谐振腔和圆柱腔之间的电磁耦合，以及圆柱腔结构的旋转对称性，可以灵活实现滤波器的极化旋转功能，滤波器的所有结构在极化旋转过程中均不产生畸变，且维持与3-D打印工艺良好的兼容性，有助于滤波器采用3-D打印技术高质量一体化制造成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种椭圆波导极化旋转滤波器的空气腔仿真模型的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种椭圆波导极化旋转滤波器的立体结构图；

图3为图2中滤波器的立体半剖视图；

图4为图1和图2中滤波器仿真与测量的通带S

图5为图1和图2中滤波器仿真与测量的宽带S

图6为图1和图2中滤波器仿真和测量的损耗(1-|S

其中，图中各附图标记：

1-金属壳体；11-波导法兰盘；111-安装通孔；101-椭圆波导谐振腔；102-矩形波导；103-圆柱腔；104-过渡波导。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“水平”、“内”、“外”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”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的椭圆波导极化旋转滤波器进行说明。

请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的一种椭圆波导极化旋转滤波器的空气腔仿真模型的立体结构图，图2为本发明实施例提供的一种椭圆波导极化旋转滤波器的立体结构图，图3为图2中滤波器的立体半剖视图。椭圆波导极化旋转滤波器包括金属壳体1，金属壳体1的内部具有多个椭圆波导谐振腔101、多个圆柱腔103和两个矩形波导102，其中，椭圆波导谐振腔101的横截面为椭圆形，圆柱腔103的横截面为圆形，矩形波导102的横截面为矩形。多个椭圆波导谐振腔101沿金属壳体1的长度方向依次排列，相邻两个椭圆波导谐振腔101通过圆柱腔103依次连接，两个矩形波导102分别位于金属壳体1的相对两端，即，两个矩形波导102分别位于多个椭圆波导谐振腔101的相对两端。矩形波导102和与其相邻的椭圆波导谐振腔101也通过圆柱腔103耦合连接。从另一个角度而言，金属壳体1的内壁具有多个环形隔板，环形隔板的内环处形成上述圆柱腔103。两个矩形波导102与其横截面的长边方向平行的对称轴和各个椭圆波导谐振腔101的椭圆截面的长轴均设定为旋转参考轴，以金属壳体1的长度方向为旋转轴，后一个旋转参考轴的方向由前一个旋转参考轴的方向以该旋转轴旋转预定角度而成。任意两个旋转参考轴之间的夹角可称为极化旋转角度。需要说明的是，两个相邻的椭圆波导谐振腔101的椭圆长轴、椭圆短轴、轴向长度等尺寸并不一定相同。

本发明实施例中的椭圆波导极化旋转滤波器，采用各个椭圆波导谐振腔101中的

上述实施例中的椭圆波导极化旋转滤波器，各个椭圆波导谐振腔101通过圆柱腔103依次级联，椭圆波导谐振腔101和圆柱腔103均具有旋转参考轴，后一个椭圆波导谐振腔101可看作由前一个椭圆波导谐振腔101旋转而成，后一个旋转参考轴的方向由前一个旋转参考轴的方向以金属壳体1的长度方向为旋转轴旋转预定角度而成。因此，可以实现滤波器输入和输出端口的极化方向在0°至90°之间任意角度灵活设计，并同时获得良好的带通滤波响应。本发明提供的椭圆波导极化旋转滤波器的极化旋转角度不受结构限制，每一级椭圆波导谐振腔101的可旋转角度不受结构限制，其设计旋转角度取决于实际需要的总极化旋转角度和滤波器的阶数。利用椭圆波导谐振腔101和圆柱腔103之间的电磁耦合，以及圆柱腔103结构的旋转对称性，可以灵活实现滤波器的极化旋转功能，滤波器的所有结构在极化旋转过程中均不产生畸变，且维持与3-D打印工艺良好的兼容性，有助于滤波器采用3-D打印技术高质量一体化制造成型。

在本发明的其中一个实施例中，椭圆波导谐振腔101的中轴线、矩形波导102的中轴线和圆柱腔103的中轴线共线设置。共线式结构能较为直观地改变谐振腔的极化旋转角度，有效避免了其它拓扑结构在采用3-D打印技术加工时腔体需要内部支撑进而增加后处理难度的问题。

在本发明的其中一个实施例中，各个椭圆波导谐振腔101的椭圆长轴长度相等，椭圆短轴长度也相等，即各个椭圆波导谐振腔101的横截面尺寸相同。如此设置方便该椭圆波导极化旋转滤波器的射频设计。在其它实施例中，各个椭圆波导谐振腔101的椭圆长轴长度也可不相等，椭圆短轴长度也可不相等。

在本发明的其中一个实施例中，椭圆波导谐振腔101的数量为奇数个，以最中间的椭圆波导谐振腔101为中心，对称设置的两个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等。例如，椭圆波导谐振腔101的数量为五个，第一个椭圆波导谐振腔101的轴向长度和第五个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等，第二个椭圆波导谐振腔101的轴向长度和第四个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等。在本发明的另一个实施例中，椭圆波导谐振腔101的数量为偶数个，以最中间的两个椭圆波导谐振腔101的连接处为中心，对称设置的两个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等。例如，椭圆波导谐振腔101的数量为四个，第一个椭圆波导谐振腔101的轴向长度和第四个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等，第二个椭圆波导谐振腔101的轴向长度和第三个椭圆波导谐振腔101的轴向长度相等。在本发明的其它实施例中，各个椭圆波导谐振腔101的轴向长度可以相等，也可以不等。各个椭圆波导谐振腔101的轴向长度仅仅是控制该谐振腔谐振频率的尺寸之一，在设计过程中，可以同时结合谐振腔的加载技术，实现对椭圆波导谐振腔101谐振频率的控制。这表明，椭圆波导谐振腔101的轴向长度的差异性带来的谐振频率的变化，可以采用其它技术进行补偿。具体而言，当该轴向长度相等时，为了达到需要的带通滤波响应，可以对各个椭圆波导谐振腔101进行不同程度的加载；当该轴向长度不等时，为了达到需要的带通滤波响应，上述加载可以不需要，或相应地做出调整。

通过优化各个椭圆波导谐振腔101的椭圆横截面的尺寸，可以获得无载Q值(Q

在本发明的其中一个实施例中，为了简化滤波器建模，各个圆柱腔103的轴向长度设置为相等，这样可以减少需要调控的尺寸变量。在其它实施例中，各个圆柱腔103的轴向长度也可以不等。各个圆柱腔103的轴向长度仅仅是控制谐振腔级间耦合系数的尺寸之一，在设计过程中，可以同时调整各个圆柱腔103的横截面圆半径，实现对谐振腔级间耦合系数的控制。这表明，圆柱腔103的轴向长度的差异性带来的级间耦合系数的变化，可以调整圆柱腔103的横截面圆半径进行补偿。

在本发明的其中一个实施例中，圆柱腔103的数量为奇数个，以最中间的圆柱腔103为中心，对称设置的两个圆柱腔103的横截面半径相等。例如，圆柱腔103的数量为五个，第一个圆柱腔103和第五个圆柱腔103的横截面半径相等，第二个圆柱腔103和第四个圆柱腔103的横截面半径相等。在本发明的其它实施例中，圆柱腔103的数量为偶数个，以最中间的两个圆柱腔103的圆心连线中心处为中心，对称设置的两个圆柱腔103的轴向长度相等。例如，圆柱腔103的数量为四个，第一个圆柱腔103和第四个圆柱腔103的轴向长度相等，第二个圆柱腔103和第三个圆柱腔103的轴向长度相等。

通过调节两个相邻椭圆波导谐振腔101之间的圆柱腔103的横截面圆半径，可以控制滤波器的级间耦合系数。通过调节与矩形波导102相连的圆柱腔103的横截面圆半径，可以控制滤波器的外部耦合系数。例如，调节级间耦合系数的圆柱腔103的横截面圆半径分别为5.075毫米和4.76毫米，轴向长度均为2毫米；调节外部耦合系数的圆柱腔103的横截面圆半径均为6.425毫米，轴向长度均为0.8毫米。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图3，矩形波导102和与其相邻的椭圆波导谐振腔101之间还具有过渡波导104，过渡波导104用于平滑连接矩形波导102和圆柱腔103，使金属壳体1的内壁平滑。矩形波导102、过渡波导104、圆柱腔103和椭圆波导谐振腔101依次连接。

在本发明的其中一个实施例中，金属壳体1的内壁平滑设置，一是有助于提升滤波器一体化增材制造成型的质量，二是可以提升椭圆波导谐振腔101的Q

在本发明的其中一个实施例中，相邻两个旋转参考轴之间的夹角为α，也就是说，在依次连接的矩形波导102和椭圆波导谐振腔101、或两个椭圆波导谐振腔101中，后一个结构相对于前一个结构的旋转角度为α，α即为极化旋转角度。通过调节相邻两个椭圆波导谐振腔101之间的极化旋转角度α，可以控制滤波器的级间耦合系数；通过调节依次连接的矩形波导102和椭圆波导谐振腔101之间的极化旋转角度α，可以控制滤波器的外部耦合系数。α可取0°至45°之间任意值。

可选地，任意两个相邻所述旋转参考轴之间的夹角相等，也就是说，各个极化旋转角度α均相同。

两个矩形波导102的波导端口的极化方向由TE

本发明实施例提供的一种椭圆波导极化旋转滤波器，设计的中心频率为10GHz，相对带宽为3％，对应的通带频率范围为9.85–10.15GHz，设计的通带反射系数小于-20dB。椭圆波导谐振腔101的数量为四个，极化旋转角度均为18°，首端的矩形波导102的极化方向和尾端的矩形波导102的极化方向之间的夹角为90°。对于这样一个滤波器，结合图1，一组优选的尺寸为：椭圆波导谐振腔101的椭圆横截面的长轴长度为22.86毫米，短轴长度为13.06毫米，各个椭圆波导谐振腔101的轴向长度依次为19.64毫米、21.49毫米、21.49毫米、19.64毫米；各个圆柱腔103的横截面半径依次为6.425毫米、5.075毫米、4.76毫米、5.075毫米、6.425毫米，环形隔板的厚度依次为0.80毫米、2毫米、2毫米、2毫米、0.80毫米；过渡波导104的长度均为2.5毫米；波导法兰盘11为国际代码BJ100中的标准法兰盘尺寸，波导法兰盘11上具有安装通孔111。其中，矩形波导102的波导端口的宽边和窄边长度分别为22.86毫米和10.16毫米；为了折衷滤波器金属壳体1的机械强度和冗余结构材料的用量，滤波器金属壳体1的厚度设置在4.5毫米至5.5毫米之间。

请参阅图4至图6，图4为图1和图2中滤波器仿真与测量的通带S

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，第一，如何利用椭圆波导谐振腔101和圆柱腔103的模式分布规律，以及两种腔体结构的旋转对称性，在实现极化旋转的带通滤波响应的同时，避免产生滤波器腔体结构的畸变，是本发明解决的核心技术问题；第二，滤波器的阶数和极化旋转角度仅仅是示意性的，并不唯一，仅仅为一种较优的可实现的结构，具体地，滤波器的阶数可以为任意阶，滤波器的极化旋转角度可以为0°至90°之间任意角度；第三，椭圆波导谐振腔101和圆柱腔103比传统矩形腔更加兼容3-D打印工艺，滤波器的内轮廓经过圆角化处理，为平面或平滑曲面，适用于多种非金属/金属3-D打印工艺和打印材料，结构设计方法的普适性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。