专利名称：低通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低通滤波器，尤其涉及一种微波频段使用的周期结构同轴线路低 通滤波器。
背景技术：
图 1 是表示对比文件 1( 'Microwave Filters, Impedance-MatchingNetwork, and Coupling Structures'G. L. Matthaei et. al, 1962,McGrawHi 11,p. 365-374)中披露的以往 的同轴线路滤波器(低通滤波器)结构的局部分解透视图。在图中，附图标记1表示具有 圆形中空内腔的圆筒形状的外部接地导体，附图标记2表示在该外部接地导体1的内部同 心位置上与该外部接地导体1隔离设置的圆柱形状的内部信号导体，附图标记3表示与该 内部信号导体2的一端连接的输入端子，附图标记4表示与该内部信号导体2的另一端连 接的输出端子，附图标记5、6、7分别表示每隔预定的间隔从圆柱形状的内部信号导体2周 边表面突出设置的与内部信号导体2同心的具有预定尺寸的金属圆盘，附图标记8、9、10分 别表示插入在各个金属圆盘5、6、7的外周和外部接地导体1内周之间的环状电介质。图2是图1所示的同轴线路滤波器的LC梯形等效电路图。具体地，在图1中，金 属圆盘5、6、7，环状电介质8、9、10与外部接地导体1之间分别共同构成低阻抗线路，相当于 图2中的接地电容Cl、C2、C3 ；而内部信号导体2与外部接地导体1之间构成高阻抗线路， 相当于图2中的电感L1、L2、L3、L4。下面说明图1所示的同轴线路滤波器的工作原理如果从输入端子3输入VHF频 带、UHF频带、微波频带、毫米波频带等信号，那么该同轴线路滤波器使上述LC梯形电路决 定的截止频率以上的频率信号衰减，仅通过截止频率以下的信号，并从输出端子4输出。因 此，起到低通滤波器的作用。图1所示的现有的同轴线路低通滤波器是通过低阻抗线和高阻抗线的多级连接， 获得LC梯形电路的作用，因而，会在一个高阻抗线路的电长度对应的频率上180度的相位 变化产生谐振，造成在比截止频率高的阻带中，通过该谐振频率信号，无法确保宽频带的衰 减量。具体地，图8显示图1所示的同轴线路滤波器的衰减特性的特性曲线图。在图8 中，横轴为信号频率，纵轴为衰减量，fc为截止频率，fs为高阻抗线路的谐振频率。如图8 所示，在比截止频率fc高的频带中，在谐振频率fs处存在较大的谐振，因此，无法确保宽频 带的高衰减量。为了解决该技术问题，对比文件2(公开号为CN 1288597A的中国专利申请)公开 一种低通滤波器。图5显示对比文件2所公开的同轴线路低通滤波器结构的局部分解透视 图。具体地，如图5所示，它在高阻抗线路(内部信号导体2)的中央位置设置两个小 金属片13和14，作为第二电容性导体，防止在高阻抗线之间产生谐振，从而在比截止频率 高的频带中确保宽频带的高衰减量。基于同样的原理，也可以用小的金属盘加载在高阻抗线的中央位置，达到同样的效果。图9显示图5所示的同轴线路滤波器的衰减特性的特性曲线图。在图9中，横轴 为信号频率，纵轴为衰减量，fc为截止频率，fs为高阻抗线路的谐振频率。如图9所示，在 比截止频率fc高的频带中，在谐振频率fs处的谐振快速衰减到-SOdB以下，因此，能够确 保宽频带的高衰减量。但是，图5所示的同轴线路滤波器存在如下缺点由于高阻抗线的内部信号导体 较细，在上面加载金属片或金属盘，增加了加工制造难度。并且，由于增加了金属片，零件总 数量增加，也提高了低通滤波器的生产成本。图3是表示对比文件2 (《微波工程》，第三版，David M. Pozar, P320)中披露的周 期结构波导的结构示意图。如图3所示，在中空的波导结构中，电抗性的金属周期模片PF 等间距地加载在波导空腔中，构成周期性加载波导传输线，简称为‘周期结构波导’。其中， 金属周期模片PF的大小相同，间距相等。图4为图3所示的周期结构波导的等效电路图，金属周期模片PF可以模拟为跨接 传输线上的集总参数电抗jb。该周期结构波导提供慢波传播，在一定的频率范围内存在多 个周期性的带通和带阻频率区域，与滤波器的通带和阻带频率特性相类似，主要用于行波 管，移相器和天线中。但是，图3所示的周期结构波导的主要缺陷是1)必须有大数量的金属周期模片 (至少需要十个、有时甚至需要几十个金属周期模片)才能提供有效的通带和阻带频率特 性，大量的金属周期模片的存在使得周期性加载波导传输线的结构体积变大；2)由于受到 结构体积的限制，金属周期模片的数量不能无限大，导致多个周期性的带通频率区域接近， 无法滤除高次谐波，更无法确保阻带内宽频带的高衰减量；3)在周期结构波导和外部普通 传输线连接时，需要特殊的阻抗匹配单元或连接器，否则，由于它们的特性阻抗不匹配，在 连接处将产生较大的反射损失，无法确保通带带宽内的低插入损失。
发明内容
本发明在于提供一种结构简单的、具有宽阻带带宽的低通滤波器。它结合了周期 结构同轴线路的通带阻带特性，及四分之一波长阻抗变换单元的阻抗匹配特性，从而实现 了低通滤波器的低通滤波效果。本发明在于，周期结构同轴线路的两端设置有第二金属圆盘，它们与输入/输出 端子，以及内部信号导体的两端共同构成输入/输出端口的阻抗匹配单元。该阻抗匹配单 元采用四分之一波长阻抗变换原理，将周期性加载传输线与外部普通传输线进行了有效的 阻抗匹配，在确保通带带宽内的低插入损失的同时，拓宽了大于截止频率的宽阻带频率范 围。在文件3 (Foundations for Microwave Engineering, 2nd Ed. , Robert, Ε, Collin, 2001，IEEE Press, P563，Fig. 8. 7)所示的周期结构传输线的阻抗匹配中，将四分之一波长 变换单元视为无限长周期性加载传输线的一个片段，也就是说，在引入四分之一波长变换 单元对周期结构进行阻抗匹配后，等效于将有限长的周期结构传输线转化成了无限长的周 期结构传输线。这样，通过有限数量的金属周期模片拓宽了低通滤波器的通带阻带频率特 性，并克服了周期结构传输线中周期模片数量多，体积大的缺陷。以上所述就是我们设计周期结构同轴线路低通滤波器的理论依据，它们构成了我们设计周期结构低通滤波器的基本 设计思想。根据本发明提供的一种低通滤波器，由周期结构同轴线路及阻抗匹配单元构成。 所述周期结构同轴线路，包括外部接地导体，所述外部接地导体具有圆柱形中空内腔；内 部信号导体，所述内部信号导体同轴地设置在所述外部接地导体的圆形中空内腔中；和彼 此相同的两个或更多个第一金属圆盘，所述两个或更多个第一金属圆盘同轴地设置在内部 信号导体上，并且沿所述内部信号导体相互等间距地隔开第一间距。所述阻抗匹配单元，包 括彼此相同的两个第二金属圆盘，所述两个第二金属圆盘分别同轴地设置在所述内部信 号导体的两端处，并且与相邻的所述第一金属圆盘分别间隔开第二间距；和彼此相同的输 入端子和输出端子，所述输入端子和输出端子分别设置在所述第二金属圆盘的两端，其中， 所述第二金属圆盘的直径小于所述第一金属圆盘的直径。在本发明的一个实例性的实施例中，所述低通滤波器包括相互平行的三个第一金 属圆盘，它们间距相等，并与外部接地导体和内部信号导体一起，共同构成本发明的周期结 构同轴线路部分。在本发明的一个实例性的实施例中，所述第一金属圆盘的直径等于所述第一间距 与第一金属圆盘厚度之和。在本发明的一个实例性的实施例中，所述第二金属圆盘的直径等于所述第二间距 与第二金属圆盘厚度之和。在本发明的一个实例性的实施例中，所述第一金属圆盘的外周面与所述外部接地 导体的内周面之间具有第一空气间隙，并通过该第一空气间隙间隔开。在本发明的一个实例性的实施例中，所述第二金属圆盘的外周面与所述外部接地 导体的内周面之间具有第二空气间隙，并通过该第二空气间隙间隔开。在本发明的一个实例性的实施例中，所述第二金属圆盘分别与所述输入端子和输 出端子一体形成。在本发明的再一个实例性的实施例中，所述第一、第二金属圆盘的外周面与所述 外部接地导体的内周面之间分别具有第一、第二空气间隙，并通过该第一、第二空气间隙间 隔开。在本发明的再一个实例性的实施例中，所述第一金属圆盘的直径等于所述第一间 距与第一金属圆盘厚度之和。在本发明的再一个实例性的实施例中，所述第二金属圆盘的直径等于所述第二间 距与第二金属圆盘厚度之和。在本发明的再一个实例性的实施例中，所述第一、第二金属圆盘与所述输入端子 和输出端子及内部信号导体一体形成。在本发明的再一个实例性的实施例中，每个所述第二金属圆盘的厚度与每个所述 第一金属圆盘的厚度均彼此相同。本发明通过在直径较大的第一金属圆盘(简称为‘大周期模片’)的两侧分别设 置一个直径较小的第二金属圆盘(简称为‘小周期模片’)，完成周期结构同轴线路与外部 普通传输线的阻抗匹配，在低频通带区域内减少了插入损失，并拓宽了周期性加载传输线 低通滤波器的带阻特性，在大于截止频率的宽阻带范围内充分衰减截止频率以上的高频成
5分。
图1显示现有技术中披露的同轴线路滤波器(低通滤波器)结构的局部分解透视 图；图2显示图1所示的同轴线路滤波器的LC梯形等效电路图；图3显示现有技术中披露的周期结构波导的结构示意图；图4为图3所示的周期结构波导的等效电路图；图5显示现有技术中公开的另一种同轴线路低通滤波器结构的局部分解透视图；图6显示本发明的滤波器的第一种实施例的立体结构示意图；图7显示图6所示的滤波器的轴向剖视图；图8显示图1所示的同轴线路滤波器的衰减特性的特性曲线图；图9显示图5所示的同轴线路滤波器的衰减特性的特性曲线图；图10显示本发明的实例性的低通滤波器的频率响应特性曲线；图11显示本发明的滤波器的第二种实施例的立体结构示意图。附图标记外部接地导体1内部信号导体2输入端子3输出端子4第一金属圆盘(大周期模片) 5、6、7第二金属圆盘(小周期模片) 11、1具体实施例方式下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同 或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释 本发明，而不能解释为对本发明的限制。第一实施例图6、7和图10显示本发明的低通滤波器的第一种实例性的实施例。具体地，图6 显示本发明的滤波器的一种实施例的立体结构示意图；图7显示图6所示的滤波器的轴向 剖视图；图10显示图6所示的本发明的滤波器的频率响应特性曲线。如图6所示，在本实施例中，滤波器包括圆筒形状的外部接地导体1 ；同心地设置 在外部接地导体1中的内部信号导体2 ；相互等间隔地设置在内部信号导体2上的三个第 一金属圆盘5、6、7 ；分别设置在内部信号导体2的两端处的两个第二金属圆盘11、12 ；与内 部信号导体2的一端连接的输入端子3 ；和与内部信号导体2的另一端连接的输出端子4。如图6所示，在本实施例中，外部接地导体1具有均勻一致的内径，即外部接地导 体1的内径在整个轴向上是恒定不变的。同样，内部信号导体2为一个具有均勻一致直径 的细长圆柱形导体，即内部信号导体2的直径在整个轴向上是恒定不变的。如图6所示，在本实施例中，三个第一金属圆盘5、6、7具有相同的直径、相同的厚度和相同的制造材料。理想地，三个第一金属圆盘5、6、7完全相同。三个第一金属圆盘5、 6、7相互平行，并以相等的间距，同轴地排列在内部信号导体2的中部，不妨将该间距定义 成第一间距，具体地，如图7所示，该第一间距用附图标记dl表示。如图6所示，在本实施例中，两个第二金属圆盘11、12具有相同的直径、相同的厚 度和相同的制造材料。理想地，两个第二金属圆盘11、12完全相同。第二金属圆盘11与其 相邻的第一金属圆盘5之间的间距等于第二金属圆盘12与与其相邻的第一金属圆盘7之 间的间距，不妨将该间距定义成第二间距，具体地，如图7所示，该第二间距用附图标记d2 表示。两个第二金属圆盘11、12相互平行，并与内部信号导体2同轴。如图6所示，在本实施例中，第二金属圆盘11、12的直径小于第一金属圆盘5、6、7 的直径。在本发明中，如此设置的目的是为了通过使用有限个直径不等的两种周期膜片来 构造物理特性近似或等同于由直径相等的无数个周期膜片所构成的周期性加载传输线的 通带阻带频率特性。这样，既能够获得由无数个周期膜片所构成的周期性加载传输线的低 通滤波特性，又能够大大减小低通滤波器的物理尺寸和制造成本，因为只需要两种直径大 小的有限个金属周期膜片。例如，在图6所示的实例性的实施例中，仅具有两种直径的五个 金属周期膜片三个第一金属圆盘5，6，7和两个第二金属圆盘11，12。在本发明的实施例中，第一金属圆盘5、6、7的间距相等，理想地，三个第一金属圆盘5、6、7之间的间距完全相同。在本发明的实施例中，第二金属圆盘11到第一金属圆盘5的距离等于第二金属圆 盘12到第一金属圆盘7的距离。理想地，两个第二金属圆盘11，12到第一金属圆盘5，7的 间距完全相同。在本发明的一个优选实施例中，每个第一金属圆盘5、6、7的直径等于第一间距dl 与第一金属圆盘5、6、7的厚度tl之和，即每个第一金属圆盘5、6、7的直径等于dl+tl。但 是，需要说明的是，这不是必须的，在其他变化实施例中，第一金属圆盘5、6、7的直径也可 以不等于第一间距dl与第一金属圆盘5、6、7的厚度tl之和。在本发明的一个优选实施例中，每个第二金属圆盘11、12的直径等于第二间距d2 与第二金属圆盘11、12的厚度t2之和，即每个第二金属圆盘11、12的直径等于d2+t2。但 是，需要说明的是，这不是必须的，在其他变化实施例中，第二金属圆盘11、12的直径也可 以不等于第二间距d2与第二金属圆盘11、12的厚度t2之和。 在本发明的一个优选实施例中，每个第二金属圆盘11、12的厚度t2等于每个第一 金属圆盘5、6、7的厚度tl，即每个第二金属圆盘的厚度与每个第一金属圆盘的厚度均彼此 相同。但是，本发明不局限于此，第二金属圆盘的厚度也可以不等于第一金属圆盘的厚度。
在本发明的一个优选实施例中，第一金属圆盘5、6、7的外周面与外部接地导体1 的内周面之间具有预定的第一空气间隙，并通过该第一空气间隙间隔开，即在第一金属圆 盘5、6、7的外周面与外部接地导体1的内周面之间除了具有第一空气间隙外，没有插入任 何其它电介质。具体地，如图7所示，该第一空气间隙用附图标记σ 表示。在该优选实施 例中，由于第一金属圆盘5、6、7的外周面与外部接地导体1的内周面之间直接通过第一空 气间隙介电隔离，而不需要使用额外的电介质，因此，大大减少了零件数量，节约了制造成 本。而且，由于不需要使用额外的电介质，消除了由电介质表面产生的反射损失，降低了本 发明实施例的插入损失，改善了低通通带内的频率通过特性。
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在本发明的一个优选实施例中，第二金属圆盘11、12的外周面与外部接地导体1 的内周面之间具有预定的第二空气间隙，并通过该第二空气间隙间隔开，即在第二金属圆 盘11、12的外周面与外部接地导体1的内周面之间除了具有第二空气间隙外，没有插入任 何其它电介质。具体地，如图7所示，该第二空气间隙用附图标记σ2表示。在该优选实 施例中，由于第二金属圆盘11、12的外周面与外部接地导体1的内周面之间直接通过第二 空气间隙介电隔离，而不需要使用额外的电介质，因此大大减少了零件数量，节约了制造成 本。同样地，降低了插入损失，改善了低通通带的频率通过特性。在本发明的一个优选实施例中，第一金属圆盘5、6、7可以与内部信号导体2 —体 形成，这样便于加工和安装，并减少了零件数量。但是，需要说明的是，第一金属圆盘5、6、7 也可以是独立于内部信号导体2的独立构件，使用时，直接组装在内部信号导体2上。在本发明的一个优选实施例中，第二金属圆盘11、12与内部信号导体2 —体形成， 这样便于加工和安装，并减少了零件数量。但是，需要说明的是，第二金属圆盘11、12也可 以是独立于内部信号导体2的独立构件，使用时，直接组装在内部信号导体2上。在本发明的一个优选实施例中，第二金属圆盘11、12分别与所述输入端子3和输 出端子4 一体形成，这样便于加工和安装，并减少了零件数量。下面借用实例和该实例的频率响应特性曲线来说明本发明特点和优点在该实例中，外部接地导体1的内径约16mm，总长度约80mm ；中心信号导体2的直 径约2. 6mm ；第一金属圆盘5、6、7的直径约14mm，厚度约2mm，第一间距dl约12mm ；第二金 属圆盘11、12的直径约12mm，厚度约2mm，第二距离d2约IOmm ；输入端子3和输出端子4的 外径为7. 0mm。在本实例中，由于外部接地导体1的内径为16mm，输入/输出端子3，4的外 径为7. 0mm，输入输出端口部的特性阻抗均为50欧姆。所以，该同轴线路低通滤波器可以方 便地与50欧姆的7/16同轴型射频/微波连接器相连，省去了阻抗转换连接。或者，将输入 输出端口设计为7/16同轴型射频/微波连接器的结构形式，成为7/16接口的微波同轴型 低通滤波器。图10显示上述实例性的低通滤波器的频率响应特性曲线。该同轴型低通滤波器 截止频率fc约为3. 4GHz，在截止频率以下的低频通带内具有较小的反射损失和插入损失； 在截止频率以上到20GHz的宽阻带带宽内有良好的宽阻带频率特性。第二实施例图11显示本发明的低通滤波器的实例性的第二实施例的结构示意图。如图11所示，第二实施例所示的低通滤波器与第一实施例所示的低通滤波器的 区别仅在于设置了两个第一金属圆盘5、7，而不象第一实施例那样设置三个第一金属圆
5、6、7 ο需要说明的是，在本发明中，第一金属圆盘的设置数量不仅可以是两个、三个，还 可以是四个或更多个。本发明的适用范围本发明的低通滤波器适用于VHF频带，UHF频带，微波频带，毫米波频带中使用。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范 围由所附权利要求及其等同物限定。
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权利要求
一种低通滤波器，由周期结构同轴线路及阻抗匹配单元构成，所述周期结构同轴线路，包括外部接地导体(1)，所述外部接地导体(1)具有圆柱形中空内腔；内部信号导体(2)，所述内部信号导体(2)同轴地设置在所述外部接地导体(1)的圆形中空内腔中；和彼此相同的两个或更多个第一金属圆盘(5、6、7)，所述两个或更多个第一金属圆盘(5、6、7)同轴地设置在内部信号导体(2)上，并且沿所述内部信号导体(2)相互等间距地隔开第一间距(d1)，所述阻抗匹配单元，包括彼此相同的两个第二金属圆盘(11、12)，所述两个第二金属圆盘(11、12)分别同轴地设置在所述内部信号导体(2)的两端处，并且与相邻的所述第一金属圆盘(5、7)分别间隔开第二间距(d2)；和彼此相同的输入端子(3)和输出端子(4)，所述输入端子(3)和输出端子(4)分别设置在所述第二金属圆盘(11、12)的两端，其中，所述第二金属圆盘(11、12)的直径小于所述第一金属圆盘(5、6、7)的直径。
2.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器包括相互平行的 三个第一金属圆盘(5、6、7)。
3.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一金属圆盘(5、6、7)的直径 等于所述第一间距(dl)与所述第一金属圆盘(5、6、7)的厚度(tl)之和。
4.根据权利要求1或3所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二金属圆盘(11、12)的 直径等于所述第二间距(d2)与所述第二金属圆盘(11、12)的厚度(t2)之和。
5.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一金属圆盘(5、6、7)的外周 面与所述外部接地导体(1)的内周面之间具有第一空气间隙(o 1)，并通过该第一空气间 隙(ol)间隔开。
6.根据权利要求1或5所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二金属圆盘(11、12)的 外周面与所述外部接地导体(1)的内周面之间具有第二空气间隙(0 2)，并通过该第二空 气间隙(o2)间隔开。
7.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二金属圆盘(11、12)分别与 所述输入端子和输出端子(3，4) 一体形成。
8.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，每个所述第二金属圆盘(11、12)的 厚度(t2)与每个所述第一金属圆盘(5、6、7)的厚度(tl)均彼此相同。
全文摘要
本发明公开了一种低通滤波器，它由周期结构同轴线路及其阻抗匹配单元构成。本发明包括具有圆形中空内腔的外部接地导体、设置在所述外部接地导体的圆形中空内腔中的内部信号导体、设置在内部信号导体中部的两个或更多个相同的第一金属圆盘和分别设置在内部信号导体两端处的两个相同的第二金属圆盘。本发明通过在直径较大的第一金属圆盘的两侧分别设置一个直径较小的第二金属圆盘，完成周期结构同轴线路与外部普通传输线的阻抗匹配。本发明通过使用阻抗匹配单元，有效地减少了周期结构传输线的插入损失，提高了低通带的频率通过特性，并且拓宽了周期结构传输线的阻带频率范围，在大于截止频率的宽阻带范围内充分衰减截止频率以上的高频成分。
文档编号H03H7/01GK101931113SQ200910054089
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者严忠友 申请人:泰科电子(上海)有限公司