一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，屬于電氣領(lǐng)域。具體包括：金屬蓋，金屬腔體，十字形微波介質(zhì)塊，介質(zhì)底座，三個端口和三個相同的金屬棒；金屬腔體為長方體金屬空腔；上方匹配金屬蓋密封；介質(zhì)底座固定設置在金屬腔體的內(nèi)部底部中心，介質(zhì)底座上邊安裝十字形微波介質(zhì)塊；三個端口分別設置在金屬腔體的三個側(cè)壁上，其末端分別連接三個金屬棒，金屬棒深入金屬腔體內(nèi)部，末端接觸金屬腔體的底部，且不與金屬腔體側(cè)壁接觸；優(yōu)點在于：在進行功率分配的同時具有窄帶濾波的特性，集成了濾波功能，有效地提升系統(tǒng)的集成度。
【專利說明】
一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電氣領(lǐng)域，具體涉及一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器。
【背景技術(shù)】
[0002]在射頻通信系統(tǒng)中，功率分配器是一種無源器件，能夠?qū)⒁宦沸盘柟β史譃閮陕坊蛘叨嗦饭β省０凑战Y(jié)構(gòu)劃分，功率分配器分為平面和立體兩種結(jié)構(gòu);其中平面結(jié)構(gòu)主要指使用印刷電路板和集成電路技術(shù)制造的功率分配器，而立體結(jié)構(gòu)則主要包括使用金屬或者介質(zhì)波導和金屬諧振腔構(gòu)建的功率分配器。對于基站、大型雷達等大功率應用場合，立體結(jié)構(gòu)的功率分配器因為具有較大的功率容量而得到廣泛的應用。
[0003]在某些應用中，只需要一定頻帶的信號，而其他頻帶上的信號需要被阻隔或者反射，針對這種需求，通常的解決方案是在需要阻隔信號的線路上安裝濾波器，來濾除信號中不需要的頻率成分。然而，如果把濾波的功能直接集成到功率分配器中，就能夠?qū)崿F(xiàn)兩個器件的功能，從而提高了系統(tǒng)的集成度，也方便了整體系統(tǒng)的調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有功率分配器沒有濾波功能的問題，提出了一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器。
[0005]所述集成功率分配器整體為立體結(jié)構(gòu)，包括金屬蓋，金屬腔體，十字形微波介質(zhì)塊，介質(zhì)底座，三個端口和三個金屬棒;三個端口分別為第一端口、第二端口和第三端口，三個端口大小和形狀均相同；三個金屬棒完全相同。
[0006]金屬腔體為長方體金屬空腔;上方匹配金屬蓋密封;介質(zhì)底座固定設置在金屬腔體的內(nèi)部底部中心，介質(zhì)底座上邊安裝十字形微波介質(zhì)塊;第一端口、第二端口和第三端口分別設置在金屬腔體的三個側(cè)壁上，其末端分別連接三個金屬棒，金屬棒深入金屬腔體內(nèi)部，末端接觸金屬腔體的底部，且不與金屬腔體側(cè)壁接觸；
[0007]具體為:
[0008]金屬腔體的所有金屬壁厚度相同，將金屬腔體長和高所在面的兩個同側(cè)對稱角切掉，形成金屬八面體，設切角所夾的面為金屬腔體的正面；同理，在金屬蓋的對應位置切掉兩個同側(cè)對稱角，用于密封金屬腔體。
[0009]在金屬腔體的其中一個切角形成的金屬側(cè)壁面中心上，金屬腔體的背面和右面?zhèn)缺诘闹行纳?，分別各打通一個穿透金屬壁的圓洞，圓洞內(nèi)分別各安裝一個連接器，每個連接器的末端焊接一個金屬棒，金屬棒均深入金屬腔體內(nèi)部，形成90度彎曲；連接器，金屬棒和圓洞一起形成了金屬腔體的三個端口。
[0010]三個端口的相對位置固定，其中，第一端口設置在左切角的側(cè)壁面中心，逆時針旋轉(zhuǎn)135度在右面?zhèn)缺诘闹行脑O置第二個端口，繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90度在背面?zhèn)缺诘闹行脑O置第三個端口；或者右切角的側(cè)壁面中心上設置第一端口，逆時針旋轉(zhuǎn)135度背面?zhèn)缺诘闹行脑O置第二個端口，繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90度在左面?zhèn)缺诘闹行脑O置第三個端口。
[0011]第二個端口為第二端口或第三端口，第三個端口為第二端口或第三端口；
[0012]在金屬腔體內(nèi)的底部中心固定放置介質(zhì)底座，用來支撐十字形微波介質(zhì)塊。
[0013]十字形微波介質(zhì)塊選用雙模的微波諧振器，由兩個相互垂直的臂構(gòu)成十字形，兩個臂選用形狀尺寸和電學特性完全相同的長方體介質(zhì)塊，且支持兩個相互正交的電磁波諧振模式;兩個臂分別正對金屬空腔的背面和右面的中心，將金屬空腔分成上左，上右，下左和下右四部分;第一端口的金屬棒位于下左部或者下右部的角平分線上，作為輸入端口，第二端口和第三端口分別正對互相垂直的兩臂中心，作為輸出端口。
[0014]一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器的工作原理如下:當對集成功率分配器施加電場時，外界電場經(jīng)過第一端口被引入金屬腔體內(nèi)部，從而在第一端口對應的方向上激勵十字形微波介質(zhì)塊的電場合成模式;十字形微波介質(zhì)塊的兩個臂所支持的兩個諧振模式的諧振頻率完全相同，且兩個模式之間不存在任何耦合;所以電場合成模式的電磁場功率在兩臂上產(chǎn)生兩個分立的模式，即模式I和模式2;模式I和模式2的電磁場功率是合成模式電磁場功率的一半，第一端口輸入的電磁場功率被平均分配到互相垂直的兩臂上，經(jīng)過兩臂分別對應的第二端口和第三端口將電磁場功率信號輸出，從而達到功率分配功能；
[0015]同時，十字形微波介質(zhì)塊自身帶有窄帶和濾波特性，在滿足平均分配功率的同時達到濾波效果。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0017]I)、一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在進行功率分配的同時具有窄帶濾波的特性，集成了濾波功能，有效地提升系統(tǒng)的集成度。
[0018]2)、一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，相比于平面結(jié)構(gòu)具有高功率容量，可以用于基站、大功率雷達等高功率應用場合。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明十字形微波介質(zhì)塊的局部放大圖；
[0021]圖3是本發(fā)明介質(zhì)底座的局部放大示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明金屬腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明三個端口與十字形微波介質(zhì)塊之間的位置示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明十字形微波介質(zhì)塊中諧振電磁波的模式分布圖；
[0025]圖7是本發(fā)明功率分配器的仿真曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0027]為了適應不斷發(fā)展的新通信系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，核心技術(shù)的實現(xiàn)是基于一種雙模十字形微波諧振器。
[0028]所述的功率分配器如圖1所不，整體為立體結(jié)構(gòu)，包含:一個金屬蓋和一個金屬腔體、一個十字形微波介質(zhì)塊，一個低介電常數(shù)的介質(zhì)底座，三個相同的饋電端口和三個金屬棒。三個端口分別為第一端口、第二端口和第三端口 ；
[0029]金屬腔體為長方體金屬空腔;上方采用金屬蓋密封;介質(zhì)底座固定設置在金屬腔體的內(nèi)部底部中心，介質(zhì)底座上邊安裝十字形微波介質(zhì)塊;第一端口、第二端口和第三端口分別設置在金屬腔體的三個側(cè)壁上，其末端分別連接三個金屬導體棒，金屬導體棒深入金屬腔體內(nèi)部;末端接觸金屬腔體的底部，且不與金屬腔體側(cè)壁接觸；
[0030]十字形微波介質(zhì)塊如圖2所示，由介電常數(shù)為38的微波陶瓷材料制成，并放置于金屬腔體底部中心處；由兩個相互垂直的臂構(gòu)成十字形，兩個臂選用形狀尺寸和電學特性完全相同的長方體介質(zhì)塊，且支持兩個相互正交的簡并的電磁波諧振模式;每個臂的長度為35mm，寬度為12mm，厚度為20mm。
[0031]介質(zhì)底座如圖3所示，選用介電常數(shù)9.8的三氧化二鋁材料制成，形狀為空心圓柱；介質(zhì)底座的內(nèi)環(huán)直徑為12mm，外環(huán)直徑為17mm，高度為8mm。介質(zhì)底座固定放置在十字形微波介質(zhì)塊和金屬腔體的底部中心之間，用來穩(wěn)妥支撐十字形微波介質(zhì)塊，底座只是起到支撐作用，對十字形微波介質(zhì)塊及其周圍的電磁波模式產(chǎn)生的影響忽略不計。
[0032]為了使十字形微波介質(zhì)塊產(chǎn)生需要的諧振模式，屏蔽周圍電磁波和外界的電磁干擾，同時為了方便饋電端口的設置，本發(fā)明所述的功率分配器外圍由一個金屬腔體包裹。
[0033]金屬腔體由普通黃銅制成的正方體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，邊長為52mm，深度為40mm，且該金屬腔體的所有金屬壁厚度均為4mm;金屬腔體內(nèi)部設計成開口的碗狀空腔，便于放置十字形微波介質(zhì)塊，介質(zhì)底座和金屬棒;上方采用金屬蓋密封;金屬蓋和碗狀空腔共同組成密閉的金屬空腔結(jié)構(gòu)。
[0034]在此實施例中，為了方便安裝輸入端口，將金屬腔體位于同側(cè)的兩個對稱角切掉，切角形狀為等腰直角三角形，腰長10.6毫米，從而形成金屬八面體，同理，在金屬蓋的對應位置切掉兩個同側(cè)對稱角，用于密封金屬腔體。
[0035]設金屬腔體兩個切角所夾的面為金屬腔體的正面，在金屬腔體的左切角形成的金屬側(cè)壁面中心上，打通一個直徑為3mm的圓洞，圓洞內(nèi)安裝一個SMA連接器，SMA連接器的內(nèi)部直徑為1.3mm; SMA連接器的末端焊接一個黃銅制成的金屬棒，金屬棒深入金屬腔體內(nèi)部，形成90度彎曲，金屬棒末端接觸金屬腔體的底部，且不與金屬腔側(cè)壁接觸;連接器，金屬棒和圓洞一起形成了金屬腔體的第一端口，第一端口為此功率分配器的輸入端口。
[0036]同理，在金屬空腔的背面和右面?zhèn)缺诘闹行纳?，分別打通兩個穿透金屬空腔的金屬壁且直徑為3mm的圓洞，圓洞內(nèi)分別各安裝一個SMA連接器，SMA連接器的內(nèi)部直徑均為1.3mm; SMA連接器末端各分別焊接一個金屬棒，金屬棒均深入金屬腔體內(nèi)部，形成90度彎曲，其末端分別接觸金屬腔體的底部，且不與金屬腔側(cè)壁接觸;背面?zhèn)缺谥行牡倪B接器，金屬棒和圓洞一起形成了金屬腔體的第二端口，右面?zhèn)缺谥行牡倪B接器，金屬棒和圓洞一起形成了金屬腔體的第三端口，第二端口和第三端口為輸出端口，且可以互換。
[0037]三個端口采用SMA連接器實現(xiàn)與外界設備的連接，且端口阻抗均為50歐姆。
[0038]如圖5所示，十字形微波介質(zhì)塊的兩個臂分別正對金屬空腔的背面和右面的中心，將金屬空腔分成上左，上右，下左和下右四部分;且兩臂與金屬腔體之間的距離均為4.5mm。
[0039]第一端口連接的金屬棒位于兩臂形成的下左部角平分線上，且金屬棒裸露在金屬腔體內(nèi)部的長度為11.2mm，與兩臂相交點為6mm，金屬棒的高度均為18mm。
[0040]第二端口和第三端口分別正對兩臂中心，第二端口和第三端口相連的金屬棒裸露在金屬腔體內(nèi)部的長度均為2.4mm，且金屬棒距臂分別為2.1mm;第二端口與第一端口之間形成逆時針的135度夾角，第三端口與第一端口之間形成順時針的135度夾角。
[0041]十字形微波介質(zhì)塊是一種雙模的微波諧振器，微波諧振器只會在單一的頻率產(chǎn)生理想諧振。當諧振器產(chǎn)生諧振時，諧振器組成的微波器件正常工作。因此，采用微波諧振器構(gòu)成的微波器件具有窄帶和濾波的性能特性。而本發(fā)明所述的功率分配器其主要組成部分即微波諧振器，因此具有天然的窄帶和濾波的性能。
[0042]功率分配特性是通過合理利用十字形微波介質(zhì)塊的兩個諧振模式來實現(xiàn)的。如圖6所示，十字形微波介質(zhì)塊的每個臂在諧振頻率點上支持一個電磁波諧振模式，此模式的電場方向與臂長邊平行。由于兩個臂的幾何尺寸和電學特性完全相同，且兩個臂完全垂直放置，因此這兩個臂所支持的兩個諧振模式的諧振頻率完全相同，并且兩個模式之間理論上不存在任何耦合。所以，兩個臂所組成的十字形微波介質(zhì)塊可以支持兩個正交的簡并諧振電磁場模式，分別為模式I和模式2 ο從電場合成的角度，因為模式I和模式2的諧振頻率相同，因此這兩個模式可以在45度方向合成一個總的模式，即合成模式，合成模式的電磁場功率是這兩個分立模式的和。
[0043]如果第一端口輸入信號，那么將會激發(fā)合成模式，同時在十字形諧振器的兩臂上將會產(chǎn)生兩個分立的模式，即模式I和模式2。并且模式I和模式2的電磁場功率是合成模式的一半，這樣，合成模式傳遞的總功率就被平均的分配到了模式I和模式2。在模式I和模式2的附近放置的第二端口和第三端口，將這兩個模式所攜帶的信號功率引出來，那么第二端口和第三端口的輸出功率相等且為第一端口輸入功率的一半。綜上，該發(fā)明的功率分配性能得以實現(xiàn)。
[0044]根據(jù)十字形微波介質(zhì)塊內(nèi)部及其周圍(不超過金屬空腔的范圍)的電場分布，可類似地導出磁場的分布，且不會影響到此發(fā)明所述原理的通用性。
[0045]如圖7所示，根據(jù)第二端口和第三端口的傳輸性能以及輸入端口第一端口的匹配性能，可以清晰地看出，在中心頻點(1.94GHz)，其輸入匹配性能(SI I)達到了-23dB，而傳輸?shù)男阅?S21和S31)均在-3dB附近，其匹配和傳輸性能均達到了正常工作的要求，并且在中心頻點附近，具有明顯的窄帶濾波特性。
[0046]本發(fā)明所公開的實施內(nèi)容為了便于理解而采用，并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述的方法還可有其他多種實施例。在不背離本發(fā)明實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變或變形，但這些相應的改變或變形都應屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，包括金屬蓋，金屬腔體，十字形微波介質(zhì)塊，介質(zhì)底座，三個相同端口和三個相同金屬棒;三個端口分別為第一端口、第二端口和第三端口 ； 金屬腔體上方匹配金屬蓋密封;介質(zhì)底座固定設置在金屬腔體的內(nèi)部底部中心，介質(zhì)底座上邊安裝十字形微波介質(zhì)塊;三個端口分別設置在金屬腔體的三個側(cè)壁上，三個端口末端分別連接三個金屬棒，金屬棒深入金屬腔體內(nèi)部，且末端接觸金屬腔體的底部，不與金屬腔體側(cè)壁接觸； 具體為: 將金屬腔體長和高所在面的兩個同側(cè)對稱角切掉，設切角所夾的面為金屬腔體的正面;在金屬腔體的一個切角形成的金屬側(cè)壁面中心上，金屬腔體的背面和右面?zhèn)缺诘闹行纳希謩e各打通一個穿透金屬壁的圓洞，圓洞內(nèi)分別各安裝一個連接器，每個連接器的末端焊接一個金屬棒，金屬棒均深入金屬腔體內(nèi)部，形成90度彎曲；連接器，金屬棒和圓洞一起形成了金屬腔體的三個端口 ； 三個端口的相對位置固定，其中，第一端口設在其中一個切角中心，逆時針旋轉(zhuǎn)135度設置第二個端口，繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90度設置第三個端口 ；第二個端口為第二端口或第三端P; 十字形微波介質(zhì)塊選用雙模的微波諧振器，由兩個相互垂直的臂構(gòu)成十字形，兩個臂分別正對金屬空腔的背面和右面的中心，將金屬空腔分成上左，上右，下左和下右四部分；第一端口的金屬棒位于下左部或者下右部的角平分線上，作為輸入端口，第二端口和第三端口分別正對互相垂直的兩臂中心，作為輸出端口。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，所述集成功率分配器整體為立體結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，在金屬蓋的對應位置切掉兩個同側(cè)對稱角，用于匹配金屬腔體。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，所述三個端口的位置具體設為: 第一端口設置在左切角的側(cè)壁面中心，逆時針旋轉(zhuǎn)135度在右面?zhèn)缺诘闹行脑O置第二個端口，繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90度在背面?zhèn)缺诘闹行脑O置第三個端口；或者右切角的側(cè)壁面中心上設置第一端口，逆時針旋轉(zhuǎn)135度背面?zhèn)缺诘闹行脑O置第二個端口，繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)90度在左面?zhèn)缺诘闹行脑O置第三個端口。5.如權(quán)利要求1所述的一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，所述十字形微波介質(zhì)塊的兩個臂選用形狀尺寸和電學特性完全相同的長方體介質(zhì)塊，且支持兩個相互正交的電磁波諧振模式。6.如權(quán)利要求1所述的一種基于立體十字介質(zhì)諧振器的窄帶濾波集成功率分配器，其特征在于，所述集成功率分配器的工作原理如下:當對集成功率分配器施加電場時，外界電場經(jīng)過第一端口被引入金屬腔體內(nèi)部，從而在第一端口對應的方向上激勵十字形微波介質(zhì)塊的電場合成模式;十字形微波介質(zhì)塊的兩個臂所支持的兩個諧振模式的諧振頻率完全相同，且兩個模式之間不存在任何耦合;所以電場合成模式的電磁場功率在兩臂上產(chǎn)生兩個分立的模式，即模式I和模式2;模式I和模式2的電磁場功率各是合成模式電磁場功率的一半，第一端口輸入的電磁場功率被平均分配到互相垂直的兩臂上，經(jīng)過兩臂分別對應的第二端口和第三端口將電磁場功率信號輸出，從而達到功率分配功能； 同時，十字形微波介質(zhì)塊自身帶有窄帶和濾波特性，在滿足平均分配功率的同時達到濾波效果。
【文檔編號】H01P5/18GK106025474SQ201610341013
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】吳永樂, 焦凌霄, 王衛(wèi)民, 劉元安
【申請人】北京郵電大學