基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器

摘要

本发明公开了一种基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器，该滤波器包括介质基板，位于介质基板上表面的第一、第二谐振器，两谐振器的上表面与下表面均敷有金属层；输入端口、两个输出端口分别位于第一、第二谐振器上表面并垂直于介质基板；两谐振器均为等腰直角三角形介质谐振器。第一谐振器工作模式的磁壁位于其斜边中轴线上，沿磁壁半切第一谐振器能在不改变谐振频率的情况下使谐振器的尺寸减半，得到第二谐振器，同时得到第二谐振器中轴线两边的电场分布是等幅反相的。本发明在保证高性能、小型化的前提下实现了等腰三角形谐振器谐波的抑制，带外选择性能好，两端口之间隔离度高，非常适用于现代无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，特别涉及一种基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器。

背景技术

随着微波技术的发展，对于高性能、小型化和低成本的电路要求不断提高，现代无线通信系统对于度集成多功能微波电路，尤其是被动微波组件需求也随之提高。在这种趋势下，具有滤波功能的巴伦作为一种典型的多功能器件得到越来越多的关注。其不仅可以实现非平衡到平衡信信号的转化，还具有频率选择的功能。

近年来，研究者对多种集成设计方法进行了研究。在文献1(F.Huang,J.Wang,L.Zhu,Q.Chen and W.Wu,"Dual-Band Microstrip Balun With Flexible FrequencyRatio and High Selectivity,"in IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,vol.27,no.11,pp.962-964,Nov.2017.)中，提出了一种基于微带谐振设计巴伦滤波器，其具有结构简单和选择性好的优点。但是由于微带线上传导电流分布不均匀导致，该巴伦滤波器的插入损耗较大。而高介电常数的介质陶瓷加载的谐振器具有尺寸小、材料损耗低的优点，适用对于性能与集成度要求较高的电路中。基于此，文献2(J.Chen,X.Yuan,J.Li and W.Qin,"Dual-Band Filtering Balun Based on Dual-Mode DielectricResonator,"2018IEEE International Conference on ComputationalElectromagnetics(ICCEM),Chengdu,2018,pp.1-2.)和文献3(J.Xu,H.Li,X.Y.Zhang,Y.Yang,Q.Xue and E.Dutkiewicz,"Compact Dual-Channel Balanced Filter and BalunFilter Based on Quad-Mode Dielectric Resonator,"in IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,vol.67,no.2,pp.494-504,Feb.2019.)，分别利用正方形和圆形的介质谐振器设计了巴伦滤波器。然而，介质谐振器存在大量固有存在谐波模式，这些模式在单纯的介质波导谐振器设计中很难去除。因此，研制具有滤波功能且结构简单的高选择性巴伦滤波器具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种结构简单、带外抑制性能强，选择性好的巴伦滤波器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器，所述滤波器包括介质基板，位于介质基板上表面的第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器的上表面与下表面均敷有第一金属层，第二谐振器的上表面与下表面均敷有第二金属层；输入端口位于第一谐振器上表面并垂直于介质基板，第一输出端口和第二输出端口位于第二谐振器上表面并垂直于介质基板；所述第一谐振器、第二谐振器均为等腰直角三角形介质谐振器。

进一步地，所述滤波器还包括位于介质基板上层的金属地，第一谐振器和第二谐振器位于金属地上表面。

进一步地，所述第二谐振器的大小与第一谐振器沿三角形斜边中轴线对半分割后的三角形大小相同。

进一步地，所述第一谐振器的某一直角边与第二谐振器的斜边平行设置。

进一步地，所述平行设置的直角边与斜边之间的间距可调，用于调节耦合强弱。

进一步地，所述输入端口位于第一谐振器的三角形斜边中轴线上，第一输出端口和第二输出端口关于第二谐振器的斜边中轴线对称设置。

进一步地，所述输入端口、第一输出端口和第二输出端口均通过SMA信号探针进行馈电；所述输入端口的SMA信号探针插入第一谐振器以输入信号，第一输出端口和第二输出端口的SMA信号探针插入第二谐振器以输出信号。

进一步地，所述第一输出端口和第二输出端口输出等幅反相的信号。

进一步地，所述SMA信号探针的长短可调，用于控制信号的外部品质因数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)结构简单易于加工；2)第一谐振器所用的工作模式在斜边的中轴线上为磁壁，沿该磁壁对半切割第一谐振器得到第二谐振器，其可以在不改变工作频率的情况下，通过半切的等腰直角三角形结构减小了谐振器的物理尺寸；3)通过特定的输入与输出的馈电位置，抑制巴伦滤波器的无用模式，拓展了滤巴伦滤波器的阻带带宽；具体地：输入端口位于第一谐振器的顶部且位于第一谐振器斜边的中轴线上，该位置除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而提高带外抑制能力；第一输出端口与第二输出端口位于第二谐振器顶部，第一输出端口与第二输出端口关于第二谐振器的斜边中轴线对称，该位置同样除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而进一步提高带外抑制能力；4)本发明在共地不共地的情况下都可以实现信号传输，灵活性比较高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器的立体结构示剖析图。

图2为一个实施例中两个谐振器的俯视图。

图3为一个实施例中谐振器在工作模式下的电场分布图，其中图(a)为第一谐振器在工作模式下的电场分布图，图(b)为第二谐振器在工作模式下的电场分布图。

图4为一个实施例中参数仿真图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器，所述滤波器包括介质基板1，位于介质基板1上表面的第一谐振器3和第二谐振器4，第一谐振器3的上表面与下表面均敷有第一金属层5，第二谐振器4的上表面与下表面均敷有第二金属层6；输入端口7位于第一谐振器3上表面并垂直于介质基板1，第一输出端口8和第二输出端口9位于第二谐振器4上表面并垂直于介质基板1；所述第一谐振器3、第二谐振器4均为等腰直角三角形介质谐振器。

进一步地，在其中一个实施例中，所述滤波器还包括位于介质基板上层的金属地2，第一谐振器3和第二谐振器4位于金属地2上表面。

由此可以看出，本发明在共地不共地的情况下都可以实现信号传输，灵活性比较高。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述第二谐振器4的大小与第一谐振器3沿三角形斜边中轴线对半分割后的三角形大小相同。第一谐振器所用的工作模式在斜边的中轴线上为磁壁，沿该磁壁对半切割第一谐振器得到第二谐振器，其可以在不改变工作频率的情况下，减小谐振器的物理尺寸。

进一步地，在其中一个实施例中，所述第一谐振器3的某一直角边与第二谐振器4的斜边平行设置。

进一步地，在其中一个实施例中，所述平行设置的直角边与斜边之间的间距可调，用于调节耦合强弱，间距越小耦合越强。

进一步地，在其中一个实施例中，所述输入端口7位于第一谐振器3的三角形斜边中轴线上，该位置除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而提高带外抑制能力；第一输出端口8和第二输出端口9关于第二谐振器4的斜边中轴线对称设置，该位置同样除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而进一步提高带外抑制能力。

进一步地，在其中一个实施例中，所述输入端口7、第一输出端口8和第二输出端口9均通过SMA信号探针进行馈电；所述输入端口7的SMA信号探针插入第一谐振器3以输入信号，第一输出端口8和第二输出端口9的SMA信号探针插入第二谐振器4以输出信号。

进一步地，在其中一个实施例中，所述第一输出端口8和第二输出端口9输出等幅反相的信号。

进一步地，在其中一个实施例中，所述SMA信号探针的长短可调，用于控制信号的外部品质因数，探针插入介质越深外部品质因数越小。

进一步地，在其中一个实施例中，所述介质基板1的相对介电常数为2.2，厚度为1mm。

本发明基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器的工作原理为：信号通过输入端口7传入第一等腰直角三角形谐振器3，通过第一谐振器3的直角边与第二等腰直角三角形谐振器4斜边所在的介质面之间的耦合，将信号传入第二谐振器4，再由第二谐振器4将信号通过第一输出端口8和第二输出端口9输出，实现滤波器功能。第一谐振器3所用的工作模式的中轴线为磁壁，沿该磁壁对边切割第一谐振器3得到第二谐振器4，其可以在不改变工作频率的情况下，减小谐振器的物理尺寸，即第一谐振器3的大小是第二谐振器4的两倍。第一谐振器3的直角边与第二谐振器4的斜边平行设置，其间距控制谐振器的耦合强度，间距越小耦合越强。输入端口7位于第一谐振器3的顶部且位于第一谐振器3斜边的中轴线上，该位置除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而提高带外抑制能力。第一输出端口8与第二输出端口9位于第二谐振器顶部，第一输出端口8与第二输出端口9关于第二谐振器4的斜边中轴线对称，该位置同样除了工作模式能够被激励，其他临近模式的电场最小，从而进一步提高带外抑制能力。而半切的等腰三角形介质谐振器4的电场关于其斜边中轴线等幅反向分布，因此第一输出端口8与第二输出端口9输出等幅反相的信号，实现巴伦功能。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器进行进一步验证说明。结合图2，所采用的底层介质基板1的相对介电常数为2.2，厚度为1mm。等腰三角形介质谐振器均采用相对介电常数为45的介质陶瓷材料。结合图2，巴伦滤波器的各尺寸参数如下：谐振器的直角边长A＝39.1mm，两输出端口之间的间距L1＝22mm，输出端口至谐振器斜边的距离L2＝4mm,输入端口至谐振器直角顶点的距离L3＝13.67mm，第一金属层5与第二金属层6中非金属化圆的直径D1＝4.1mm，输入端口7、第一输出端口8和第二输出端口9的SMA探针的直径D2＝1.3mm，第一谐振器3的直角边与第二谐振器4斜边之间的间距S＝6.2mm，谐振器的高度H＝8。如图3所示，第一谐振器3的磁壁位于其中轴线上，沿磁壁半切第一谐振器3能在不改变谐振频率的情况下使谐振器的尺寸减半，得到第二谐振器4，同时得到第二谐振器4的中轴线两边的电场分布等幅反相的。

本实施例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。S参数仿真图如图4所示。由图4可知，该巴伦滤波器的中心频率为0.95GHz，相对带宽为10.5％，最小带内插入损耗为-0.8dB，通带内回波损耗小于-15dB。另外，通过将输入端口7、第一输出端口8和第二输出端口9放置在特定位置，该位置除工作模式以外其余临近模式的电场非常小，如下表1所示，从而实现良好的带外抑制。一直到2.1GHz范围内谐波抑制达到-20dB以下，使得本实施例中的功分滤波器具有高选择性。

表1不同模式的谐振频率和电场分布

综上所述，本发明基于空间耦合机制的等腰直角三角形介质陶瓷巴伦滤波器，在保证高性能、小型化的前提下实现了等腰三角形谐振器谐波的抑制，带外选择性能好，两端口之间隔离度高，非常适用于现代无线通信系统。