本發(fā)明屬于微波間隙波導(dǎo)，具體涉及一種間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器及通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、間隙波導(dǎo)技術(shù)因其優(yōu)越的高頻特性而成為濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。間隙波導(dǎo)利用金屬波導(dǎo)之間的空氣間隙，能夠有效減少信號(hào)的損耗，特別適用于毫米波和更高頻率的工作環(huán)境。在毫米波/太赫茲頻段，電磁能量高度集中于空氣間隙傳播，既抑制了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的導(dǎo)體損耗，又?jǐn)[脫了介質(zhì)材料的高頻介電損耗限制，顯著提升信號(hào)傳輸效率。相較于傳統(tǒng)金屬腔體或微帶線結(jié)構(gòu)，該技術(shù)通過(guò)精密設(shè)計(jì)的電磁帶柵形成等效"場(chǎng)約束圍欄"，無(wú)需物理金屬壁即可實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)局域化，使濾波器在微型化尺寸下仍具備優(yōu)異的高頻選擇性與阻帶抑制能力，同時(shí)全金屬模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了器件的環(huán)境魯棒性。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比，間隙波導(dǎo)濾波器能夠在較小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)濾波，廣泛應(yīng)用于高頻雷達(dá)系統(tǒng)、5g通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

2、隨著頻譜的日益緊張，靈活、可調(diào)的濾波器需求逐漸增多，尤其是在動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線環(huán)境中，能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整頻率特性，提供更高效的信號(hào)處理和更精確的濾波效果的可調(diào)濾波器變得尤為重要。

3、現(xiàn)有技術(shù)中的間隙波導(dǎo)濾波器通常是固定頻率的，無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)需求靈活調(diào)整工作頻率。因此，設(shè)計(jì)出一種既能夠利用間隙波導(dǎo)的優(yōu)良高頻特性，又能夠在工作過(guò)程中進(jìn)行頻率調(diào)整的可調(diào)濾波器，成為了亟待解決的技術(shù)難題。

4、現(xiàn)有國(guó)內(nèi)技術(shù)中，公開號(hào)為cn116130906a的中國(guó)專利，公開了一種ka波段通帶可調(diào)的間隙波導(dǎo)濾波器，但是其僅實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)且回波損耗s11只能到達(dá)10db，不涉及中心頻率可調(diào)、全調(diào)諧濾波器的調(diào)諧設(shè)計(jì)。因此，在毫米波波段缺乏低損耗的間隙波導(dǎo)法蘭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種新型的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，以解決上述提出的毫米波信號(hào)傳輸存在的無(wú)法靈活調(diào)整工作頻率的問題，從而滿足通信系統(tǒng)中對(duì)不同頻率信號(hào)快速、穩(wěn)定分離的要求。本發(fā)明提供一種新型的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器具有工作頻段高、調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，包括底部金屬板、上部金屬板和耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)；底部金屬板的兩側(cè)設(shè)置有周期排布的組合金屬凸體，兩側(cè)的周期排布組合金屬凸體之間形成通道，上部金屬板為光滑金屬板，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)金屬桿設(shè)置在上部金屬板上，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)位于所述通道中，底部金屬板和上部金屬板以間距d平行設(shè)置，構(gòu)成非接觸的間隙結(jié)構(gòu)，在底部金屬板和上部金屬板之間形成多個(gè)諧振腔體。

3、進(jìn)一步的，周期排布組合金屬凸體中的金屬凸體均為長(zhǎng)方體，其尺寸、結(jié)構(gòu)完全相同，橫向間距和縱向間距相同。

4、進(jìn)一步的，周期排布組合金屬凸體的金屬凸體的尺寸、個(gè)數(shù)以及周期間距p根據(jù)所設(shè)計(jì)的濾波器工作頻率、尺寸及階數(shù)進(jìn)行調(diào)整，緊密圍繞在所設(shè)計(jì)的濾波器兩側(cè)。

5、進(jìn)一步的，諧振腔體的寬度、高度與濾波器工作頻段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口尺寸一致，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的頻段選擇對(duì)應(yīng)諧振腔體的寬度和高度；僅通過(guò)控制多個(gè)諧振腔體的長(zhǎng)度h來(lái)控制每個(gè)諧振腔的諧振頻率，從而控制濾波器的中心頻率，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率得到腔體諧振頻率，從而得到初始腔體長(zhǎng)度，腔體連接后再根據(jù)濾波器仿真結(jié)果調(diào)整不同諧振腔體的長(zhǎng)度來(lái)滿足耦合。

6、進(jìn)一步的，底部金屬板和上部金屬板之間的間距d小于工作頻率對(duì)應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)。

7、進(jìn)一步的，滑動(dòng)金屬桿的兩端設(shè)置滑動(dòng)間隙，上部金屬板穿過(guò)所述滑動(dòng)間隙。

8、進(jìn)一步的，耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)設(shè)置兩種結(jié)構(gòu)：中間無(wú)凸體結(jié)構(gòu)和全凸體結(jié)構(gòu)，中間無(wú)凸體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)耦合，全凸體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)較弱耦合，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器每個(gè)腔體間耦合系數(shù)以及外部q值選取對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。

9、進(jìn)一步的，通過(guò)耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)位置改變多個(gè)諧振腔體的尺寸，通過(guò)控制相鄰耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)的距離改變腔體間的耦合系數(shù)。

10、進(jìn)一步的，底部金屬板和上部金屬板通過(guò)兩端的波導(dǎo)法蘭連接。

11、本發(fā)明還可以提供一種高頻雷達(dá)系統(tǒng)、5g通信系統(tǒng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)，高頻雷達(dá)系統(tǒng)、5g通信系統(tǒng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用上述毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

13、本發(fā)明提供的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，通過(guò)底部金屬板、上部金屬板形式的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，減少了組裝間隙產(chǎn)生的電磁泄漏，組裝密封要求降低；同時(shí)電磁帶隙結(jié)構(gòu)的空氣間隙為耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)提供了條件，滑動(dòng)耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)對(duì)濾波器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易調(diào)諧；且在毫米波波段實(shí)現(xiàn)了中心頻率可調(diào)、帶寬可調(diào)、全調(diào)諧的可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)，且具有調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

14、進(jìn)一步的，周期性排列的金屬結(jié)構(gòu)在設(shè)定目標(biāo)頻段產(chǎn)生電磁帶隙，有效抑制設(shè)定目標(biāo)頻率的電磁波傳播，橫向和縱向間距的對(duì)稱性使這種帶隙在多個(gè)方向上具有一致性，對(duì)稱的間距和重復(fù)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分布，避免局部熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)濾波器相比，毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器兩側(cè)的金屬凸體和空氣間隙取代了封閉金屬厚壁，使熱量從兩側(cè)逸出，適合于工作頻率較高、功率容量密度較大的應(yīng)用。

15、進(jìn)一步的，周期性排列的金屬凸體的尺寸（如高度、寬度）及周期間距p直接影響其電磁屏蔽帶隙的頻率范圍，通過(guò)調(diào)整尺寸可精準(zhǔn)包含濾波器工作頻段的中心頻率和阻帶范圍，在濾波器工作頻段抑制電磁向兩側(cè)泄露；其周期間距p控制金屬凸體間的電磁耦合強(qiáng)度，減小p可增強(qiáng)耦合，拓寬濾波器帶寬；增大p則降低寄生耦合，減少帶內(nèi)插損；根據(jù)濾波器尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整凸體陣列排布，可在有限空間內(nèi)最大化利用邊緣區(qū)域，避免其它匹配結(jié)構(gòu)或過(guò)渡結(jié)構(gòu)的體積冗余，適用于微型化射頻系統(tǒng)，降低電磁的損耗。

16、進(jìn)一步的，諧振腔體與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口尺寸一致，確保電磁波從波導(dǎo)到腔體的阻抗連續(xù)過(guò)渡，顯著降低界面反射，從而降低插入損耗；匹配標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸可抑制高次模的激發(fā)，確保主模的單模工作狀態(tài)，避免寄生諧振導(dǎo)致的通帶畸變；波導(dǎo)口與腔體尺寸一致時(shí)，電磁場(chǎng)分布更均勻，減少局部過(guò)熱。

17、進(jìn)一步的，移除中間凸體后，相鄰諧振腔間的電磁場(chǎng)直接重疊區(qū)域增大，通過(guò)邊緣場(chǎng)強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)高耦合系數(shù)，適用于寬帶濾波器設(shè)計(jì)；全凸體結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬凸體的電磁屏蔽效應(yīng)限制腔體間場(chǎng)泄漏，降低耦合系數(shù)，適用于窄帶高選擇性濾波器；另外，凸體結(jié)構(gòu)可兼作散熱鰭片，通過(guò)金屬凸體導(dǎo)熱路徑降低腔體溫升。

技術(shù)特征：

1.一種毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，包括底部金屬板（1）、上部金屬板（2）和耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）；底部金屬板（1）的兩側(cè)設(shè)置有周期排布的組合金屬凸體（4），兩側(cè)的周期排布組合金屬凸體（4）之間形成通道，上部金屬板（2）為光滑金屬板，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）通過(guò)滑動(dòng)金屬桿（6）設(shè)置在上部金屬板（2）上，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）位于所述通道中，底部金屬板（1）和上部金屬板（2）以間距d平行設(shè)置，構(gòu)成非接觸的間隙結(jié)構(gòu)，在底部金屬板（1）和上部金屬板（2）之間形成多個(gè)諧振腔體（5）。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，周期排布組合金屬凸體（4）中的金屬凸體均為長(zhǎng)方體，其尺寸、結(jié)構(gòu)完全相同，橫向間距和縱向間距相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，周期排布組合金屬凸體（4）的金屬凸體的尺寸、個(gè)數(shù)以及周期間距p根據(jù)所設(shè)計(jì)的濾波器工作頻率、尺寸及階數(shù)進(jìn)行調(diào)整，緊密圍繞在所設(shè)計(jì)的濾波器兩側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，多個(gè)諧振腔體（5）的寬度、高度均與濾波器對(duì)應(yīng)工作頻段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口尺寸保持一致，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的頻段選擇對(duì)應(yīng)諧振腔體（5）的寬度和高度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，底部金屬板（1）和上部金屬板（2）之間的間距d小于工作頻率對(duì)應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，滑動(dòng)金屬桿（6）的兩端設(shè)置滑動(dòng)間隙，上部金屬板（2）穿過(guò)所述滑動(dòng)間隙。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）設(shè)置兩種結(jié)構(gòu)：中間無(wú)凸體結(jié)構(gòu)（31）和全凸體結(jié)構(gòu)（32）；中間無(wú)凸體結(jié)構(gòu)（31）對(duì)應(yīng)較強(qiáng)耦合，全凸體結(jié)構(gòu)（32）對(duì)應(yīng)較弱耦合，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器每個(gè)腔體間耦合系數(shù)以及外部q值選取對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，通過(guò)耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）位置改變多個(gè)諧振腔體（5）的尺寸，通過(guò)控制相鄰耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)（3）的距離改變腔體間的耦合系數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器，其特征在于，底部金屬板（1）和上部金屬板（2）通過(guò)兩端的波導(dǎo)法蘭連接。

10.一種通信系統(tǒng)，其特征在于，為高頻雷達(dá)系統(tǒng)、5g通信系統(tǒng)或衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器及通信系統(tǒng)，毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器包括底部金屬板、上部金屬板和耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)；底部金屬板的兩側(cè)設(shè)置有周期排布的組合金屬凸體，兩側(cè)的周期排布組合金屬凸體之間形成通道，上部金屬板為光滑金屬板，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)金屬桿設(shè)置在上部金屬板上，多組耦合組合金屬凸體結(jié)構(gòu)位于所述通道中，底部金屬板和上部金屬板以間距d平行設(shè)置，構(gòu)成非接觸的間隙結(jié)構(gòu)，在底部金屬板和上部金屬板之間形成多個(gè)諧振腔體，提供的毫米波間隙波導(dǎo)可調(diào)濾波器工作頻段高、調(diào)節(jié)范圍廣、調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)易，在毫米波波段實(shí)現(xiàn)了中心頻率可調(diào)、帶寬可調(diào)、全調(diào)諧的可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)。

技術(shù)研發(fā)人員：李韻,楊倩,楊怡帆,朱瑩,盛靖超,弋航,王梓堯,張安學(xué),賀振鑫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8