一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器

1.本发明涉及通信设备组件技术领域，尤其涉及一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器。


背景技术：

2.滤波器是一种能够过滤掉无用信号并让有用信号通过的无源器件，在无线通信系统中有着广泛的应用，在射频收发前端，其性能的好坏也直接决定了整个通信系统的好坏。现代无线通信技术的飞速发展使得滤波器的作用显得越来越突出，同时对滤波器的性能也提出了更高的要求，小型化、高带外抑制已成为现代滤波器的发展趋势。介质波导滤波器是通过在一体成型的陶瓷结构表面金属化来实现的，可以很好地满足5g及未来移动通信系统的低损耗、小型化、轻量化等要求。随着5g以及万物互联的时代到来，频谱资源日益紧张，频段分配日趋复杂，空间电磁干扰也越来越严重，这就对滤波器的频率选择特性与带外噪声抑制能力提出了更高的要求。滤波器为了在带外某些频点/频带需要具有更大的抑制性能，传统方法是将多个谐振器级联，然而，这种方法不但会增加滤波器的电路尺寸，还会增加插入损耗。应用交叉耦合理论，在带外引入传输零点变成了更好的选择。根据交叉耦合理论，利用交叉耦合产生的传输零点最多和谐振器的个数相等，即五个谐振器组成的五阶滤波器理论上最多产生五个传输零点。然而，现有五阶介质波导滤波器只能产生三个传输零点。
3.基于此，如何在不增加五阶介质波导滤波器额外尺寸的基础上在有限频率内产生五个传输零点（理论极限）具有现实意义。因此，设计一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器对提高滤波器的阻带抑制性能具有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，该介质波导滤波器同时具有小型化、高带外抑制等优点。
5.为了实现本发明目的，本发明提供的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，包括表面金属化的介质波导谐振器和具有输入输出馈线的pcb板，所述输入输出馈线用于对介质波导谐振器进行馈电，所述介质波导谐振器为五阶介质波导谐振器，包括从输入端到输出端依次排布并耦合的第一至第五谐振器；其特征在于：所述第一谐振器还与第五谐振器耦合，第二谐振器还分别与第四谐振器和第五谐振器耦合，使介质波导滤波器形成三个ct结构，以获得三个传输零点；负载通过所述输出馈线同时对第一谐振器和第五谐振器馈电，使负载、第一谐振器和第五谐振器三者间两两耦合，形成第四个ct结构，使波导滤波器获得第四个传输零点，该第四个传输零点通过第一谐振器与第五谐振器之间的耦合系数m
15
调节；源通过所述输入馈线对第一谐振器馈电，并且源与负载耦合，使源、负载和第一谐振器三者间两两耦合，形成第五个ct结构，使波导滤波器获得第五个传输零点，该第五个传输零点通过源与负载之间的耦合系数m
sl
和源与第一谐振器r1之间的耦合系数m
s1
调节。
6.进一步的，第一谐振器、第二谐振器和第五谐振器三者间两两耦合，形成第一个ct
结构，使波导滤波器获得第一个传输零点，该第一个传输零点通过第一谐振器与第二谐振器之间的耦合系数m
12
调节；所述第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器三者间两两耦合，形成第二个ct结构，使波导滤波器获得第二个传输零点，该第二个传输零点通过第二谐振器与第三谐振器之间的耦合系数m
23
和第三谐振器与第四谐振器之间的耦合系数m
34
调节；所述第二谐振器、第四谐振器和第五谐振器三者间两两耦合，形成第三个ct结构，使波导滤波器获得第三个传输零点，该第三个传输零点通过第四谐振器与第五谐振器之间的耦合系数m
45
调节。
7.优选的，所述pcb板还具有分别与输入馈线、输出馈线连接的两根耦合微带线，所述两根耦合微带线的端部之间形成间隙，使源和负载之间形成容性耦合。所述输入馈线具有交指结构，使源与第一谐振器之间形成容性耦合。所述输出馈线至第一谐振器的耦合路径中具有断点，使负载与第一谐振器之间形成容性耦合；输出馈线至第五谐振器的耦合路径中具有交指结构，使负载与第五谐振器之间形成容性耦合。
8.优选的，第一谐振器与第二谐振器之间、第三谐振器与第四谐振器之间为容性耦合；第二谐振器与第三谐振器之间、第二谐振器与第四谐振器之间、第二谐振器与第五谐振器、第四谐振器与第五谐振器之间、第五谐振器与第一谐振器之间均为感性耦合。
9.本发明设计耦合拓扑时，本发明将源和负载纳入ct结构的构建中，从而在五阶介质波导滤波器是构建五个ct结构。如此，五个谐振器就能产生五个传输零点，即实现在有限频率内传输零点数达到理论上的最大值。并且在保证带内滤波器性能的前提下，不增加谐振器的数量也能达到所期望的带外抑制效果，这对保持滤波器小型化以及提高滤波器性能具有十分重要的意义。此外，ct结构可以灵活地控制零点的位置。这样一来，与现有同类介质波导滤波器相比，本发明能兼顾小型化的同时，拥有更好的带外抑制性能。
10.本发明相比于传统的介质波导滤波器，实现了传输零点数在有限频率范围内达到最大值，带外抑制能力更好，并且本发明充分利用了源与负载，能够更好的实现滤波器的小型化。
11.本发明提出的基于端口双馈电的多传输零点介质波导滤波器同时具有小型化、低损耗和高带外抑制的优点。所给出的设计实施例的通带范围均可覆盖3400mhz到3500mhz（中国电信的5g主力频段）。
附图说明
12.下面结合附图对本发明作进一步的说明；图1是本发明介质波导滤波器的三维结构图。
13.图2是本发明介质波导滤波器的pcb板馈电结构。
14.图3是本发明介质波导滤波器的耦合拓扑图。
15.图4是本发明介质波导滤波器的归一化耦合矩阵。
16.图5是本发明介波导滤波器的理论与仿真对比的结果。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
18.本发明实施例具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其介质部分结构如图1
所示。介质块可由介质陶瓷材料烧制而成，其表面金属化（除了第一非金属化圆环51、第二非金属化圆环52、第三非金属化圆环53外）。介质波导滤波器为由5个正六边形介质波导谐振器构成的五阶介质波导谐振器，具体来说，该五阶介质波导谐振器包括从输入端到输出端依次排列并耦合的第一谐振器r1、第二谐振器r2、第三谐振器r3和第四谐振器r4、第五谐振器r5。第一谐振器r1还与第五谐振器r5耦合，第二谐振器r2还分别与第四谐振器r4和第五谐振器r5耦合，使介质波导滤波器形成三个ct结构，以获得三个传输零点。
19.具体来说，第一谐振器r1、第二谐振器r2和第五谐振器r5三者间两两耦合，形成第一个ct结构，使波导滤波器获得第一个传输零点，该第一个传输零点通过第一谐振器r1与第二谐振器r2之间的耦合系数m
12
调节。第二谐振器r2、第三谐振器r3和第四谐振器r4三者间两两耦合，形成第二个ct结构，使波导滤波器获得第二个传输零点，该第二个传输零点通过第二谐振器r2与第三谐振器r3之间的耦合系数m
23
和第三谐振器r3与第四谐振器r4之间的耦合系数m
34
调节。第二谐振器r2、第四谐振器r4和第五谐振器r5三者间两两耦合，形成第三个ct结构，使波导滤波器获得第三个传输零点，该第三个传输零点通过第四谐振器r4与第五谐振器r5之间的耦合系数m
45
调节。
20.第一谐振器r1设置用于表面金属化的第一频率调节盲孔11，该第一频率调节盲孔11用于调节第一谐振器r1的频率；第二谐振器r2设置用于表面金属化的第二频率调节盲孔12，该第二频率调节盲孔12用于调节第二谐振器r2的频率；第三谐振器r3设置用于表面金属化的第三频率调节盲孔13，该第三频率调节盲孔13用于调节第二谐振器r3的频率；第四谐振器r4设置用于表面金属化的第四频率调节盲孔14，该第四频率调节盲孔14用于调节第四谐振器r4的频率；第五谐振器r5设置用于表面金属化的第五频率调节盲孔15，该第五频率调节盲孔15用于调节第五谐振器r5的频率。第一频率调节盲孔11、第二频率调节盲孔12、第三频率调节盲孔13、第四频率调节盲孔14和第五频率调节盲孔15均设置于介质波导滤波器的上表面。
21.如图1所示，第一谐振器r1和第二谐振器r2之间设置有用于调节两者耦合系数的第一耦合调节盲孔21，第一谐振器r1与第二谐振器r2之间的耦合系数m
12
通过第一耦合调节盲孔21调节；第二谐振器r2和第三谐振器r3之间设置有用于调节两者耦合系数的第二耦合调节盲孔22，第二谐振器r2与第三谐振器r3之间的耦合系数m
23
通过第二耦合调节盲孔22调节；第三谐振器r3和第四谐振器r4之间设置有用于调节两者耦合系数的第三耦合调节盲孔23，第三谐振器r3与第四谐振器r4之间的耦合系数m
34
通过第三耦合调节盲孔23调节；第四谐振器r4和第五谐振器r5之间设置有用于调节两者耦合系数的第四耦合调节盲孔24，第四谐振器r4与第五谐振器r5之间的耦合系数m
45
通过第四耦合调节盲孔24调节。第一耦合调节盲孔21、第二耦合调节盲孔22第三耦合调节盲孔23和第四耦合调节盲孔24位于介质波导滤波器的上表面。
22.介质块还设置有用于将第一谐振器r1与第五谐振器r5部分地隔开、将第二谐振器r2与第四谐振器r4部分地隔开、将第二谐振器r2与第五谐振器r部分地隔开的隔窗（隔窗为通孔）。隔窗的引入，可以避免各耦合间相互影响，对应的耦合系数可以通过调节盲孔分别独立控制，提高了滤波器设计的便捷性。
23.如图1所示，第一谐振器r1的下表面设置有输入端馈电盲孔31和第一输出端馈电盲孔32，与该输入端馈电盲孔31相接的输入端馈电圆盘41，以及与第一输出端馈电盲孔32
相接的第一输出端馈电圆盘42。输入端馈电圆盘41外设置有第一非金属化圆环51，第一输出端馈电圆盘42外设置有第二非金属化圆环52。第五谐振器r5的下表面设置第二输出馈电盲孔33和与第二输出端馈电盲孔33相接的第二输出端馈电圆盘43，第二输出端馈电圆盘43外设置有第三非金属化圆环53。
24.本发明通过集成pcb板来完成本实施例介质波导滤波器源与负载的双馈电结构，其结构如图2所示。本实施例中的谐振器的拓扑结构如图3所示。pcb板具有输入馈线（连接源）和输出馈线（连接负载），输入馈线连接第一非金属化圆环51，实现源对第一谐振器r1的馈电。输出馈线分别连接和第二非金属化圆环52和第三非金属化圆环53，实现负载同时对第一谐振器r1和第五谐振器r5的馈电。如图2所示，两根耦合微带线的端部之间形成间隙（图2中标号1对应部分），使源和负载之间形成容性耦合。输入馈线具有交指结构（图2中标号2对应部分），使源与第一谐振器r1之间形成容性耦合。输出馈线至第一谐振器r1的耦合路径中具有断点（图2中标号3对应部分），使负载与第一谐振器r1之间形成容性耦合；输出馈线至第五谐振器r5的耦合路径中具有交指结构（图2中标号4对应部分），使负载与第五谐振器r5之间形成容性耦合。
25.如图3所示，第一谐振器r1与第二谐振器r2之间、第三谐振器r3与第四谐振器r4之间为容性耦合；第二谐振器r2与第三谐振器r3之间、第二谐振器r2与第四谐振器r4之间、第二谐振器r2与第五谐振器r5、第四谐振器r4与第五谐振器r5之间、第五谐振器r5与第一谐振器r1之间均为感性耦合。
26.本滤波器中，负载通过输出馈线同时对第一谐振器r1和第五谐振器r5馈电，使负载、第一谐振器r1和第五谐振器r5三者间两两耦合，形成第四个ct结构，使波导滤波器获得第四个传输零点，该第四个传输零点通过第一谐振器r1与第五谐振器r5之间的耦合系数m
15
调节。源通过所述输入馈线对第一谐振器r1馈电，并且源与负载耦合，使源、负载和第一谐振器r1三者间两两耦合，形成第五个ct结构，使波导滤波器获得第五个传输零点，该第五个传输零点通过源与负载之间的耦合系数m
sl
和源与第一谐振器r1之间的耦合系数m
s1
调节。
27.本实施例具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，图3拓扑结构所对应的归一化耦合矩阵如图4所示。根据图4的归一化耦合矩阵，运用编程绘制了理论结果曲线，与滤波器仿真结果做出了对比，如图5所示。可以看到，仿真结果与理论结果在通带内有很好的一致性，并且零点的位置也大约一致，通带内回波均大于20db，插损约为-1.34db，传输零点位置在3.1ghz、3.32ghz、3.37ghz、3.53ghz、3.76ghz。
28.本发明实施例设计的介质波导滤波器的滤波通带覆盖3400mhz到3500mhz（中国电信的5g主力频段），可行性与实用性较高。
29.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

技术特征：
1.一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，包括表面金属化的介质波导谐振器和具有输入输出馈线的pcb板，所述输入输出馈线用于对介质波导谐振器进行馈电，所述介质波导谐振器为五阶介质波导谐振器，包括从输入端到输出端依次排布并耦合的第一至第五谐振器（r1、r2、r3、r4、r5）；其特征在于：所述第一谐振器（r1）还与第五谐振器（r5）耦合，第二谐振器（r2）还分别与第四谐振器（r4）和第五谐振器（r5）耦合，使介质波导滤波器形成三个ct结构，以获得三个传输零点；负载通过所述输出馈线同时对第一谐振器（r1）和第五谐振器（r5）馈电，使负载、第一谐振器（r1）和第五谐振器（r5）三者间两两耦合，形成第四个ct结构，使波导滤波器获得第四个传输零点，该第四个传输零点通过第一谐振器（r1）与第五谐振器（r5）之间的耦合系数（m
15
）调节；源通过所述输入馈线对第一谐振器（r1）馈电，并且源与负载耦合，使源、负载和第一谐振器（r1）三者间两两耦合，形成第五个ct结构，使波导滤波器获得第五个传输零点，该第五个传输零点通过源与负载之间的耦合系数（m
sl
）和源与第一谐振器（r1）之间的耦合系数（m
s1
）调节。2.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振器（r1）、第二谐振器（r2）和第五谐振器（r5）三者间两两耦合，形成第一个ct结构，使波导滤波器获得第一个传输零点，该第一个传输零点通过第一谐振器（r1）与第二谐振器（r2）之间的耦合系数（m
12
）调节；所述第二谐振器（r2）、第三谐振器（r3）和第四谐振器（r4）三者间两两耦合，形成第二个ct结构，使波导滤波器获得第二个传输零点，该第二个传输零点通过第二谐振器（r2）与第三谐振器（r3）之间的耦合系数（m
23
）和第三谐振器（r3）与第四谐振器（r4）之间的耦合系数（m
34
）调节；所述第二谐振器（r2）、第四谐振器（r4）和第五谐振器（r5）三者间两两耦合，形成第三个ct结构，使波导滤波器获得第三个传输零点，该第三个传输零点通过第四谐振器（r4）与第五谐振器（r5）之间的耦合系数（m
45
）调节。3.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：具有用于将第一谐振器（r1）与第五谐振器（r5）隔开、将第二谐振器（r2）与第四谐振器（r4）隔开、将第二谐振器（r2）与第五谐振器（r5）隔开的隔窗，所述隔窗为通孔。4.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振器（r1）的下表面设置有输入端馈电盲孔（31）和第一输出端馈电盲孔（32），与该输入端馈电盲孔（31）相接的输入端馈电圆盘（41），以及与第一输出端馈电盲孔（32）相接的第一输出端馈电圆盘（42）；所述输入端馈电圆盘（41）外设置有第一非金属化圆环（51），所述第一输出端馈电圆盘（42）外设置有第二非金属化圆环（52）；所述第五谐振器（r5）的下表面设置第二输出馈电盲孔（33）和与第二输出端馈电盲孔（33）相接的第二输出端馈电圆盘（43），所述第二输出端馈电圆盘（43）外设置有第三非金属化圆环（53）；所述输入馈线连接第一非金属化圆环（51），所述输出馈线分别连接和第二非金属化圆环（52）和第三非金属化圆环（53）。5.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述pcb板还具有分别与输入馈线、输出馈线连接的两根耦合微带线，所述两根耦合微带线的端部之间形成间隙，使源和负载之间形成容性耦合。6.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述输入馈线具有交指结构，使源与第一谐振器（r1）之间形成容性耦合。7.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述
输出馈线至第一谐振器（r1）的耦合路径中具有断点，使负载与第一谐振器（r1）之间形成容性耦合；输出馈线至第五谐振器（r5）的耦合路径中具有交指结构，使负载与第五谐振器（r5）之间形成容性耦合。8.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振器（r1）与第二谐振器（r2）之间、第三谐振器（r3）与第四谐振器（r4）之间为容性耦合；第二谐振器（r2）与第三谐振器（r3）之间、第二谐振器（r2）与第四谐振器（r4）之间、第二谐振器（r2）与第五谐振器（r5）、第四谐振器（r4）与第五谐振器（r5）之间、第五谐振器（r5）与第一谐振器（r1）之间均为感性耦合。9.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：所述第一至第五谐振器（r1、r2、r3、r4、r5）分别设置用于有调节谐振频率的表面金属化的第一至第五频率调节盲孔（11、12、13、14、15），第一至第五频率调节盲孔（11、12、13、14、15）位于介质波导滤波器的上表面。10.根据权利要求1所述的具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，其特征在于：第一谐振器（r1）和第二谐振器（r2）之间设置有用于调节两者耦合系数的第一耦合调节盲孔（21），第一谐振器（r1）与第二谐振器（r2）之间的耦合系数（m
12
）通过第一耦合调节盲孔（21）调节；第二谐振器（r2）和第三谐振器（r3）之间设置有用于调节两者耦合系数的第二耦合调节盲孔（22），第二谐振器（r2）与第三谐振器（r3）之间的耦合系数（m
23
）通过第二耦合调节盲孔（22）调节；第三谐振器（r3）和第四谐振器（r4）之间设置有用于调节两者耦合系数的第三耦合调节盲孔（23），第三谐振器（r3）与第四谐振器（r4）之间的耦合系数（m
34
）通过第三耦合调节盲孔（23）调节；第四谐振器（r4）和第五谐振器（r5）之间设置有用于调节两者耦合系数的第四耦合调节盲孔（24），第四谐振器（r4）与第五谐振器（r5）之间的耦合系数（m
45
）通过第四耦合调节盲孔（24）调节；第一至第四耦合调节盲孔（21、22、23、24）位于介质波导滤波器的上表面。

技术总结
本发明涉及一种具有五个传输零点的五阶介质波导滤波器，包括五阶介质波导谐振器和PCB板，源通过输入馈线对第一谐振器馈电，负载通过输出馈线同时对第一谐振器和第五谐振器馈电，此外源和负载间也进行了耦合，使介质波导滤波器额外产生两个独立可控的传输零点，加上五阶介质波导滤波器构建的三个CT结构所产生的的三个传输零点，从而使本发明具备了五个传输零点。本发明将源和负载纳入CT结构的构建中，让源、负载对两个谐振器进行馈电，构成端口双馈电结构，同时源与负载也进行耦合。与现有同类介质波导滤波器相比，本发明能兼顾小型化的同时，产生额外的传输零点，拥有更好的带外抑制性能并且本发明具有更好的设计灵活度。抑制性能并且本发明具有更好的设计灵活度。抑制性能并且本发明具有更好的设计灵活度。


技术研发人员：秦伟 周宇科 陈建新
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/13