CN111709154B - 一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法 - Google Patents

一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，包括以下步骤：S1.建立腔体滤波器中的混合电磁耦合结构模型；S2.确定混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数和电耦合系数表达式；S3.确定电耦合系数、磁耦合系数与传输零点之间的关系；S4.确定传输零点的设计方案。本发明基于电磁混合耦合结构进行滤波器传输零点的设计，减小了滤波器的阶数和体积，从而有效降低了滤波器的复杂度，并且在进行传输零点设计时，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分相对面的正对面积，实现增加或减小电耦合系数，从而达到调节传输零点的目的，不需要调节金属谐振杆之间的距离，从而不会额外增加滤波器的长度和体积。

Description

一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法。
背景技术
由于信息产业和无线通信***的蓬勃发展，微波频段出现相对拥挤的状态，频带资源划分更加精细，分配到各类通信***的频率间隔越来越密，对滤波器的性能提出了更高的要求。因此，设计具有低成本，高性能，小型化，稳定可靠的滤波器，是目前微波和毫米波通信领域的关键环节之一。
传统的滤波器实现传输零点都是用非相邻谐振腔交叉耦合的方式，且至少要三个谐振器才能实现一个传输零点，这种交叉耦合的方式对于呈直线型排腔的滤波器来说很难物理实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，基于电磁混合耦合结构进行滤波器传输零点的设计，减小了滤波器的阶数和体积，从而有效降低了滤波器的复杂度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，包括以下步骤：
S1.建立腔体滤波器中的混合电磁耦合结构模型；
所述混合电磁耦合结构模型包括金属腔体和位于金属腔体内相同的两根金属谐振杆；所述金属谐振杆包括位于金属谐振杆上部的开路部分和位于金属谐振杆下部的短路部分；两根金属谐振杆的短路部分通过金属连接杆相连；
金属谐振杆的开路部分的长宽尺寸大于短路部分的长宽尺寸，在金属谐振杆中，开路部分的阻抗小于短路部分，在整个金属谐振杆中，开路部分表现为低阻抗，短路部分表现为高阻抗；
根据场分布，两根金属谐振杆中，低阻抗部分电场密度大，高阻抗部分的磁场密度大，即表现为低阻抗的开路部分主要呈电耦合，表现为高阻抗的短路部分主要呈磁耦合，形成了混合电磁耦合结构；
S2.确定混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数和电耦合系数表达式：
将每根金属谐振杆等效为一个LC回路的谐振器，设：
L为金属谐振杆的等效电感，C为金属谐振杆的等效电容；Lm为两根金属谐振杆之间的耦合电感，Cm为两根金属谐振杆之间耦合电容；
则混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数Mc为：
Mc＝Lm/L；
则混合电磁耦合结构模型的电耦合系数Ec为：
Ec＝C/Cm；
S3.确定电耦合系数Ec、磁耦合系数Mc与传输零点fz之间的关系:
fz＝f0*(Mc/Ec)1/2；
其中，f0为给滤波器设计的通带中心频率，属于预设的已知参数；
总耦合系数k为：
k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)；
由此得到：
当Mc＞Ec时，总的耦合呈磁耦合，在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点；
当Mc＜Ec时，总的耦合呈电耦合，在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点；
S4.确定传输零点的设计方案：
S401.根据所需的传输零点产生位置，确定Mc、Ec的大小关系：
若需要在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＞Ec；
若需要在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＜Ec；
S402.在总耦合系数k的前提下，对传输零点与通带之间的距离关系进行调整：
若需要使得传输零点fz靠近通带，则：
在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec向1靠近，此时，传输零点fz向f0靠近；
若需要使得传输零点fz远离通带，则在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec远离1，此时，传输零点fz向f0远离。
所述步骤S4中，调整电耦合系数Ec的方式包括：
在固定两根金属谐振杆距离的情况下，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分相对面的正对面积，实现电耦合系数的调整。
所述步骤S4中，调整磁耦合系数Mc的方式包括：
通过增大或减小金属连接杆相对于金属谐振杆底部的高度，实现磁耦合系数的调整。
优选地，所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的开路部分高度为整个金属谐振杆高度的1/3～1/2。所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的短路部分的高度为整个金属谐振杆高度的1/2～2/3。所述两根所述金属谐振杆的开路部分的相对面相互平行。
本发明的有益效果是：本发明基于电磁混合耦合结构进行滤波器传输零点的设计，减小了滤波器的阶数和体积，从而有效降低了滤波器的复杂度，并且在进行传输零点设计时，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分相对面的正对面积，实现电耦合系数调节，不需要调节金属谐振杆之间的距离，从而不会额外增加滤波器的长度和体积，且能够使得不同传输零点设计得到的混合电磁结构能够保持外形较高的一致性，有利于生产的批量化和规范化。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为混合电磁耦合模型的原理示意图；
图中，1-金属腔体，2-开路部分，3-短路部分，4-金属连接杆。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，包括以下步骤：
S1.建立腔体滤波器中的混合电磁耦合结构模型；
如图2所示，所述混合电磁耦合结构模型包括金属腔体1和位于金属腔体1内相同的两根金属谐振杆；所述金属谐振杆包括位于金属谐振杆上部的开路部分2和位于金属谐振杆下部的短路部分3；两根金属谐振杆的短路部分通过金属连接杆4相连；
金属谐振杆的开路部分2的长宽尺寸大于短路部分的长宽尺寸，在金属谐振杆中，开路部分2的阻抗小于短路部分3，在整个金属谐振杆中，开路部分2表现为低阻抗，短路部分3表现为高阻抗；
根据场分布，两根金属谐振杆中，低阻抗部分电场密度大，高阻抗部分的磁场密度大，即表现为低阻抗的开路部分2主要呈电耦合，表现为高阻抗的短路部分3主要呈磁耦合，形成了混合电磁耦合结构；
在本申请的实施例中，在其中一个金属谐振杆的短路部分3到连接一个延伸到金属腔体外的信号输入连接器；在另一个金属谐振杆的短路部分3到连接一个延伸到金属腔体外的信号输出连接器，则可以形成腔体滤波器。
S2.确定混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数和电耦合系数表达式：
将每根金属谐振杆等效为一个LC回路的谐振器，设：
L为金属谐振杆的等效电感，C为金属谐振杆的等效电容；Lm为两根金属谐振杆之间的耦合电感，Cm为两根金属谐振杆之间耦合电容；
则混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数Mc为：
Mc＝Lm/L；
则混合电磁耦合结构模型的电耦合系数Ec为：
Ec＝C/Cm；
S3.确定电耦合系数Ec、磁耦合系数Mc与传输零点fz之间的关系:
fz＝f0*(Mc/Ec)1/2；
其中，f0为给滤波器设计的通带中心频率，属于预设的已知参数；
总耦合系数k为：
k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)；
由此得到：
当Mc＞Ec时，总的耦合呈磁耦合，在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点；
当Mc＜Ec时，总的耦合呈电耦合，在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点；
S4.确定传输零点的设计方案：
S401.根据所需的传输零点产生位置，确定Mc、Ec的大小关系：
若需要在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＞Ec；
若需要在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＜Ec；
S402.在总耦合系数k的前提下，对传输零点与通带之间的距离关系进行调整：
若需要使得传输零点fz靠近通带，则：
在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec向1靠近，此时，传输零点fz向f0靠近；
若需要使得传输零点fz远离通带，则在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec远离1，此时，传输零点fz向f0远离。
所述步骤S4中，调整电耦合系数Ec的方式包括：
在固定两根金属谐振杆距离的情况下，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分2相对面的正对面积，实现电耦合系数的调整。
两根金属谐振杆开路部分2之间的板间电容Cd可以表示为公式：
Cd＝ε*S/d；
其中，ε为空气的介电常数，S为两谐振器开路端侧面正对，d为两谐振器开路端侧面的距离；其中电容Cd与耦合电容Cm呈正相关，因此电容Cd为影响电偶合系数的重要参数，通过调节S或调节d的方式能够调节电容Cd，从而调节耦合电容，进而实现电耦合系数的调节；但是，考虑到在调节d时，可能会引起两根谐振杆的距离也发生变换，可能会额外增加滤波器的长度和体积，也可能在批量化生产时，使得不同传输零点设计得到的一批混合电磁结构长度参差不齐，外形存在差异，不利于生产的批量化和规范化，故本申请通过调节两金属谐振杆开路部分2相对面的正对面积，实现电耦合系数的调节，以避免该问题。
短路部分3磁场比较密集，但是越往上磁场密度越小，金属连接杆的存在加强了连接区域的磁场密度；金属连接杆4升高则磁耦合系数增大，降低则磁耦合系数减小；因此，所述步骤S4中，通过增大或减小金属连接杆4相对于金属谐振杆底部的高度，实现磁耦合系数的调整。
在本申请的实施例中，所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的开路部分2高度为整个金属谐振杆高度的1/3～1/2。所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的短路部分3的高度为整个金属谐振杆高度的1/2～2/3。所述两根所述金属谐振杆的开路部分2的相对面相互平行。
综上所述，本发明基于电磁混合耦合结构进行滤波器传输零点的设计，减小了滤波器的阶数和体积，从而有效降低了滤波器的复杂度，并且在进行传输零点设计时，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分相对面的正对面积，实现增加或减小电耦合系数，从而达到调节传输零点的目的，不需要调节金属谐振杆之间的距离，从而不会额外增加滤波器的长度和体积，且能够使得不同传输零点设计得到的混合电磁结构能够保持外形较高的一致性，有利于生产的批量化和规范化。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.建立腔体滤波器中的混合电磁耦合结构模型；
所述混合电磁耦合结构模型包括金属腔体(1)和位于金属腔体(1)内相同的两根金属谐振杆；所述金属谐振杆包括位于金属谐振杆上部的开路部分(2)和位于金属谐振杆下部的短路部分(3)；两根金属谐振杆的短路部分通过金属连接杆(4)相连；
金属谐振杆的开路部分(2)的长宽尺寸大于短路部分的长宽尺寸，在金属谐振杆中，开路部分(2)的阻抗小于短路部分(3)，在整个金属谐振杆中，开路部分(2)表现为低阻抗，短路部分(3)表现为高阻抗；
根据场分布，两根金属谐振杆中，低阻抗部分电场密度大，高阻抗部分的磁场密度大，即表现为低阻抗的开路部分(2)呈电耦合，表现为高阻抗的短路部分(3)呈磁耦合，形成了混合电磁耦合结构；
S2.确定混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数和电耦合系数表达式：
将每根金属谐振杆等效为一个LC回路的谐振器，设：
L为金属谐振杆的等效电感，C为金属谐振杆的等效电容；Lm为两根金属谐振杆之间的耦合电感，Cm为两根金属谐振杆之间耦合电容；
则混合电磁耦合结构模型的磁耦合系数Mc为：
Mc＝Lm/L；
则混合电磁耦合结构模型的电耦合系数Ec为：
Ec＝C/Cm；
S3.确定电耦合系数Ec、磁耦合系数Mc与传输零点fz之间的关系:
fz＝f0*(Mc/Ec)1/2；
其中，f0为给滤波器设计的通带中心频率，属于预设的已知参数；
总耦合系数k为：
k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)；
由此得到：
当Mc＞Ec时，总的耦合呈磁耦合，在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点；
当Mc＜Ec时，总的耦合呈电耦合，在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点；
S4.确定传输零点的设计方案：
S401.根据所需的传输零点产生位置，确定Mc、Ec的大小关系：
若需要在高于滤波器通带最大频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＞Ec；
若需要在低于滤波器通带最低频率的阻带产生传输零点，则调整Mc、Ec，使Mc＜Ec；
S402.在总耦合系数k的前提下，对传输零点与通带之间的距离关系进行调整：
若需要使得传输零点fz靠近通带，则：
在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec向1靠近，此时，传输零点fz向f0靠近；
若需要使得传输零点fz远离通带，则在满足k＝(Mc-Ec)/(1-Mc*Ec)与步骤S401中确定的Mc、Ec大小关系的条件下，调整Mc、Ec，使Mc/Ec远离1，此时，传输零点fz向f0远离。
2.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，调整电耦合系数Ec的方式包括：
在固定两根金属谐振杆距离的情况下，通过增大或减小两金属谐振杆开路部分(2)相对面的正对面积，实现电耦合系数的调整。
3.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，调整磁耦合系数Mc的方式包括：
通过增大或减小金属连接杆(4)相对于金属谐振杆底部的高度，实现磁耦合系数的调整。
4.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的开路部分(2)高度为整个金属谐振杆高度的1/3～1/2。
5.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：所述混合电磁耦合结构模型中，每一个金属谐振杆的短路部分(3)的高度为整个金属谐振杆高度的1/2～2/3。
6.根据权利要求1所述的一种腔体滤波器中混合电磁耦合产生传输零点的设计方法，其特征在于：所述两根金属谐振杆的开路部分(2)的相对面相互平行。
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