CN101599568B - 一种可抑制二次谐波的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：它包括左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器，左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器为大小相同的矩形环，矩形环均由微带线构成，微带线展开后的周长为半工作波长；左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器等间距并排设置在介质基板上；左开环谐振器上的输入端口和右开环谐振器上的输出端口关于中开环谐振器中心对称，其微带传输线的宽度均为50欧姆；开环缝隙设置在所在边的中点上。本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器在电路结构简单，易于实现，对介质板的要求不高，且不包含任何集中元件，因此不会有电阻产生热能，在射频集成电路中有着广泛的应用前景。

Description

一种可抑制二次谐波的带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，特别是一种可抑制二次谐波的带通滤波器。

背景技术

在微波系统中带通滤波器是一种非常重要的器件，带通滤波器是一种允许特定频段的波通过的同时，屏蔽其他频段的设备。一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带，同时限制通带外所有频率的波通过，然而在现有技术中，大多数带通滤波器都存在谐波响应特性，这将会导致微波系统整体性能的下降。

在现阶段，抑制谐波响应的方法大致可以分为四类：(1)在带通滤波器上连接一个带阻滤波器，使得后者的阻带中心频率与前者的二次谐波频率重合，此时带通滤波器的谐波响应能被有效地抑制。(2)通过扰动和改变谐振器的耦合线宽度，产生布喇格反射来抑制二次谐波。(3)在带通滤波器的介质基板中挖槽来修正奇偶模的相速使其一致，从而实现二次谐波抑制。(4)通过在带通滤波器上级联多个阶跃阻抗谐振器(SIR)来实现谐波抑制，令所有的阶跃阻抗谐振器的基模频率一致，以使其谐波频率错开，从而实现谐波抑制。

以上四种方法存在以下缺陷：方法(1)和(4)的电路尺寸较大，给应用带来不便；方法(2)和(3)电路结构复杂，不利于设计加工。因此，设计一种电路结构简单，尺寸较小的抑制谐波响应的滤波器是非常必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、电路尺寸较小、加工制作容易的可抑制二次谐波的带通滤波器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：它包括左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器，所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器为大小相同的矩形环，矩形环均由微带线构成，所述微带线展开后的周长为半工作波长；所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器等间距并排设置在介质基板上；所述左开环谐振器上的输入端口和右开环谐振器上的输出端口关于所述中开环谐振器中心对称；所述开环缝隙设置在所在边的中点上。

所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的设计方法为，首先确定介质基板的厚度、介质基板的介电常数、带通滤波器的中心频率和开环谐振器的周长；其次利用仿真方法优化得出所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的微带线宽、长宽比例、输入端口和输出端口的位置和相邻开环谐振器之间的距离。

当所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器均为长方形时，所述左开环谐振器的开环缝隙设置在右边中点上，所述中开环谐振器的开环缝隙设置在顶边中点上，所述右开环谐振器的开环缝隙设置在左边中点上。

当所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器均为正方形时，将所述中开环谐振器替换为一短路环谐振器，所述左开环谐振器、短路环谐振器和右开环谐振器的开环缝隙均设置在顶边中点上，所述输入端口和输出端口在所述左开环谐振器和右开环谐振器上的位置相同。

所述的介质基板的介电常数为4～10。

所述的介质基输入、输出端口的微带线宽度为50欧姆。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器通过选择适当的耦合区间实现谐波抑制，因此使得电路结构简单，易于实现。2、本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器在结构中不包含任何集中元件，因此不会有电阻产生热能，在射频集成电路中有着广泛的应用前景。3、本发明由于谐振器结构简单，因此而对介质板的要求不高，并且一旦谐振器的耦合区间确定，环形谐振器的形状可以灵活变化，因此在射频集成电路中有着很好的应用前景。本发明可广泛应用于射频微波系统以及射频集成电路。

附图说明

图1是本发明的带通滤波器当三个开环谐振器均为长方形时结构示意图

图2是本发明的带通滤波器当三个开环谐振器均为正方形时结构示意图

图3是半波长微带谐振器以及其上的二次谐波电压波函数示意图

图4是本发明的耦合区间示意图

图5是本发明的耦合区间相邻两微带线上的二次谐波电压波函数示意图

图6是本发明的介质基板结构示意图

图7是本发明的实施例一的S参数与频率的曲线示意图

图8是本发明的实施例二的S参数与频率的曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器包括左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3。左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3大小相同的矩形环，它们等间距地并排刻蚀在带通滤波器的介质基板上面。三个开环谐振器的矩形环均由微带线按照一定的长、宽比例做成，微带线展开后的周长l为半工作波长，且半工作波长可由现有的计算软件根据滤波器的中心频率计算得到。在三个开环谐振器中，左开环谐振器1和右开环谐振器3上分别设置有输入端口11和输出端口31，输入端口11和输出端口31的微带线宽度均为50欧姆。左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3上分别设置有宽度相等的左开环缝隙12、中开环缝隙21和右开环缝隙32，且左开环缝隙12、中开环缝隙21和右开环缝隙32的宽度与半工作波长相比必须足够小，为半工作波长的百分之一或者千分之一数量级，开环缝隙的位置在其所在开环谐振器的边长中点处。

如图1所示，当左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3均为长方形时，则输入端口11和输出端口31分别设置在距左开环缝隙12和右开环缝隙32的1/3～1/2周长处，且输入端口11和输出端口31关于中开环谐振器2中心对称。左开环缝隙12位于左开环谐振器1的右边的中点处，中开环缝隙21位于中开环谐振器2的顶边中点处，右开环缝隙32位于右开环谐振器3的左边中点处。左开环缝隙12、中开环缝隙21和右开环缝隙32的宽度一致。

如图2所示，当三个谐振器均为正方形时，需将中开环谐振器2替换为一开环缝隙处打孔接地的短路环谐振器4。输入端口11和输出端口31分别设置在距左开环缝隙12和右开环缝隙32的1/3～1/2周长处，且输入端口11和输出端口31在左开环谐振器1和右开环谐振器3上的位置相同。左开环缝隙12、中开环缝隙21和右开环缝隙32均位于左开环谐振器1、短路环谐振器4和右开环谐振器3的顶边中点处，且宽度一致。

本发明带通滤波器的设计中，首先确定介质基板的厚度、介质基板的介电常数、带通滤波器的中心频率和开环谐振器的周长。其次，根据这些参数，利用现有的电磁仿真软件对滤波器进行仿真，优化得出三个谐振器的微带线宽、矩形环的长宽比例、输入端口和输出端口的具体位置和相邻开环谐振器之间的距离。

如图3所示，表示半波长微带谐振器OL，其长度L即为将开环谐振器的矩形环展开后的周长l，作为本发明中开环谐振器的计算模型。半波长微带谐振器OL上的曲线表示二次谐波的电压波函数。如图4所示，由于开环谐振器的开环缝隙设置在其所在边的中点处，而且二次谐波的电压波函数的曲线在半波长微带谐振器OL上是均匀分布的，这样可以保证相邻开环谐振器上的二次谐波电压波函数在耦合区间Z内是对称的。综上所述，相邻两边的耦合强度k可以表示为：

$k=A\frac{\∫V_1\left(l\right)V_2\left(l\right)\mathrm{dl}}{\sqrt{\∫{\left|V_1\left(l\right)\right|}^2\mathrm{dl}+\∫{\left|V_2\left(l\right)\right|}^2\mathrm{dl}}}$

其中，A为定值系数，在本发明中，A的值与耦合区间的选取无关。V1和V2分别是耦合区间Z内的两微带线上的二次谐波电压波函数。如图5所示，由于半波长微带谐振器OL具有二次谐波电压波函数均匀分布的特点，以及开环谐振器的开环缝隙设置在其所在边的中点处；因此可以使得耦合区间Z一微带线上的二次谐波电压波函数关于对称轴OO’呈奇对称，另一微带线上的二次谐波电压波函数关于对称轴OO’呈偶对称。因此耦合区间Z的耦合强度k经过积分计算之后的积分值为零，即相邻开环谐振器的耦合区间内，耦合强度k在二次谐波频率处为零，从而实现了整个带通滤波器的二次谐波抑制。

下面通过两个实施例，对本发明的装置作进一步说明：

实施例一，如图1、图6所示，本实施例的带通滤波器中，当左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3均为长方形时，左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3等间距地刻蚀在介质基板5一面，介质基板5的另一面是接地板6。介质基板5的介电常数通常在4～10之间。

本实施例的带通滤波器设计步骤如下：

1)选定介质基板5的介电常数为6.03，厚度为32密耳，输入端口11和输出端口31的微带线宽W₁＝1.2mm，带通滤波器的通带中心频率f＝1.1GHz。利用microwave office电磁仿真软件确定的带通滤波器的半波长微带谐振器OL长度L＝70mm，左开环缝隙12、中开环缝隙21和右开环缝隙32的宽度g₁＝0.3mm。

2)利用Ansoft公司的仿真软件Designer对本实施例的带通滤波器进行仿真，用安捷伦公司的网络分析仪8753ES对该结构的滤波器进行测试，得到一组优化的带通滤波器几何尺寸参数：左开环谐振器1、中开环谐振器2和右开环谐振器3的短边长度为L₁＝15mm，长边长度为L₂＝20mm，微带线宽W₂＝1mm，相邻开环谐振器之间距离g₂＝0.2mm，输入端口11和输出端口31距离边界d＝3mm。

如图7所示，虚线为仿真曲线，实线为实测曲线。其中回波损耗S₁₁为从输入端口11反射出来的能量与输入能量比值的对数，回波损耗S₁₁若为零，则说明从输入端口11进入的能量与从输入端口11反射回来的能量相等，即输入的能量全部在输入端口11被反射回来，没有通过带通滤波器。插入损耗S₂₁为从输出端口31输出的能量与进入输入端口11能量的比值的对数，也就是输入的能量在带通滤波器中的传输效率。通常情况下，在带通滤波器中的通带处插入损耗S₂₁值越大越好，理想的插入损耗S₂₁值是0dB。因此在带通处的插入损耗S₂₁越大，则传输效率越高；而在通带以外的频率处，插入损耗S₂₁的值越小越好。

在参数模值为-3dB处对应的频率分别为1.07GHz和1.13GHz，二次谐波对应的频率在2.2GHz附近。回波损耗S₁₁在通带以外的频率处几乎为零，说明通带以外频率处能量几乎全部被反射回来。在二次谐波的频率处插入损耗S₂₁的值为-40dB，即二次谐波的抑制超过40dB。通带两边分别各有一个传输零点，因此，本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器的通带选择性非常好。

实施例二，如图2、图6所示，带通滤波器包括左开环谐振器1、短路环谐振器4和右开环谐振器3，左开环谐振器1、短路环谐振器4和右开环谐振器3为大小一致的正方形，且等间距地刻蚀在介质基板5一面，短路环谐振器4的开环端口打孔接地，设置在左开环谐振器1和右开环谐振器3中间。其中，三个谐振器的开环缝隙全部设置在谐振器顶边的中心处，且开环缝隙宽度一致。介质基板5的另一面是接地板6。介质基板5的介电常数通常在4～10之间。

本实施例的带通滤波器设计步骤如下：

i)选定介质基板5的介电常数为6.03，厚度为32密耳，输入端口11和输出端口31的微带线宽度W₁＝1.2mm，带通滤波器的通带中心频率f＝0.96GHz。利用microwave office电磁仿真软件来确定的带通滤波器的半波长微带谐振器OL长度L＝80mm，左开环缝隙12、短路环谐振器4和右开环缝隙32的宽度g₁＝0.3mm。

ii)利用Ansoft公司的仿真软件Designer对本实施例的带通滤波器进行仿真，用安捷伦公司的网络分析仪8753ES对该结构的滤波器进行测试，得到一组优化的带通滤波器的几何尺寸参数：左开环谐振器1、短路环谐振器4和右开环谐振器3的边长L₁＝20mm，相邻谐振器之间距离g₂＝0.6mm，左开环谐振器1、短路环谐振器4和右开环谐振器3的微带线宽度W₂＝1mm。

如图8所示，虚线为仿真曲线，实线为实测曲线。本实施例在仿真结果中实测插入损耗S₂₁仅为1.36dB，在二次谐波的频率处插入损耗S₂₁的值为-37dB，即二次谐波处的抑制达到37dB。通带两边分别各有一个传输零点，同样可证明，本发明的可抑制二次谐波的带通滤波器的通带选择性非常好。

以上所述，仅为发明的一种较佳实施方式，本领域技术人员可依据本实用新型说明书、权利要求书与附图进行修改与等效变换，对于各开环谐振器长宽比例以及短路环谐振器尺寸的修改与变换均应包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：它包括等间距并排刻蚀在介质基板上的左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器，所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器均由微带线做成大小相同的长方形，每一所述微带线展开后的周长为半工作波长；所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器上分别设置有宽度相等的左开环缝隙、中开环缝隙和右开环缝隙，且所述左开环缝隙位于所述左开环谐振器的右边中点处，所述中开环缝隙位于所述中开环谐振器的顶边中点处，所述右开环缝隙位于所述右开环谐振器的左边中点处；在距所述左开环缝隙的1/3～1/2周长处的所述左开环谐振器上设置有一输入端口，在距所述右开环缝隙的1/3～1/2周长处的所述右开环谐振器上设置有一输出端口，且所述输入端口和输出端口关于所述中开环谐振器中心对称。

2.如权利要求1所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的设计方法为，首先确定介质基板的厚度、介质基板的介电常数、带通滤波器的中心频率和开环谐振器的周长；其次利用仿真方法优化得出所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的微带线宽、长宽比例、输入端口和输出端口的位置和相邻开环谐振器之间的距离。

3.如权利要求1所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述的介质基板的介电常数为4～10。

4.如权利要求2所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述的介质基板的介电常数为4～10。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述介质基板输入、输出端口的微带线宽度为50欧姆。

6.一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：它包括等间距并排刻蚀在介质基板上的左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器，所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器均由微带线做成大小相同的正方形，每一所述微带线展开后的周长为半工作波长；所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器上分别设置有宽度相等的左开环缝隙、中开环缝隙和右开环缝隙，且所述左开环缝隙、中开环缝隙和右开环缝隙均位于所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的顶边中点处；在距所述左开环缝隙的1/3～1/2周长处的所述左开环谐振器上设置有一输入端口，在距所述右开环缝隙的1/3～1/2周长处的所述右开环谐振器上设置有一输出端口，且所述输入端口和输出端口在所述左开环谐振器和右开环谐振器上的位置相同；所述中开环谐振器为一在所述中开环缝隙处打孔接地的短路环谐振器。

7.如权利要求6所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的设计方法为，首先确定介质基板的厚度、介质基板的介电常数、带通滤波器的中心频率和开环谐振器的周长；其次利用仿真方法优化得出所述左开环谐振器、中开环谐振器和右开环谐振器的微带线宽、长宽比例、输入端口和输出端口的位置和相邻开环谐振器之间的距离。

8.如权利要求6所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述的介质基板的介电常数为4～10。

9.如权利要求7所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述的介质基板的介电常数为4～10。

10.如权利要求6或7或8或9所述的一种可抑制二次谐波的带通滤波器，其特征在于：所述介质基板输入、输出端口的微带线宽度为50欧姆。

Images