CN101694899B - 一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器，属于微波/毫米波器件技术领域，涉及微波/毫米波集成电路。本发明是在传统平行耦合微带线滤波器的基础上，增加两段扇形开路支节；所述扇形开路支节是终端为扇形结构的四分之一波长终端开路线，两段扇形开路支节的始端均与副微带线的中心点垂直相连。本发明具有形式简单、结构紧凑、带外抑制度高的特点，不仅可以在微波/毫米波集成电路中使用，还可以用于频率更高的亚毫米波波段上；同时，本发明的输入和输出微带线都在同一直线上，便于在实际工程中的应用。

Description

一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器

技术领域

本发明属于微波/毫米波器件技术领域，涉及微波/毫米波集成电路，具体涉及一种用于微波/毫米波集成电路中的微带带通滤波器。

背景技术

滤波器具有选频功能，通过需要的频率信号，抑制不需要的频率信号。对于射频收发端系统来说，滤波器更是广泛使用的无源器件之一，它的性能好坏将直接影响到整个系统性能的优劣。随着毫米波技术在无线通讯和雷达系统中应用的不断增多，对电路尺寸小、制作简单的毫米波带通滤波器的需求也日益增加。由于微带在平面制图和制版上的方便，且易于和别的电路集成，所以微带带通滤波器在毫米波频段得到了广泛的应用。

常见的微带带通滤波器结构有平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、交指滤波器和微带类椭圆函数滤波器等，这些结构都是通过耦合线实现的。发夹式、梳状型和交指型等结构对加工工艺要求高，很少在毫米波上使用。传统的平行耦合结构的微带带通滤波器存在下述不足：1、为了改善带外抑制，只有增加滤波器的级数，从而使得滤波器的长度大大增加，不利于在毫米波集成电路中的小型化；2、随着频率增大，为了达到一定的滤波效果，平行耦合滤波器的耦合缝隙可能太小，这样对加工工艺要求高；3、它的输入、输出端不在同一条直线上，使得它在实际工程应用中受到一定的限制。

发明内容

本发明针对传统平行耦合微带滤波器存在的缺陷进行改进，提出了一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器，此种滤波器具有形式简单、结构紧凑、带外抑制度高的特点，不仅可以在微波/毫米波集成电路中使用，还可以用于频率更高的亚毫米波波段上；同时，此种滤波器的输入和输出微带线都在同一直线上，便于在实际工程中的应用。

本发明技术方案如下：

一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器，如图1所示，包括位于介质基片4表面的主传输线1、耦合微带线2和两段扇形开路支节3。所述主传输线1由主传输线输入端和主传输线输出端组成。所述耦合微带线2由主微带线和副微带线组成，其中耦合微带线2的主微带线分成两段：其中一段主微带线与主传输线输入端相连，另一段主微带线与主传输线输出端相连，两段主微带线之间形成一个缺口。所述主传输线1的中心线和耦合微带线2的主微带线的中心线在一条直线上。所述耦合微带线2的副微带线与主微带线相平行。所述扇形开路支节3是终端为扇形结构的带通滤波器中心工作频率所对应的四分之一波长终端开路线，两段扇形开路支节3的始端均与副微带线的中心点垂直相连。

图2(a)所示为一段平行耦合微带传输线，可以证明单个耦合微带单元能够等效成如图2(b)所示的一个导纳倒置转换器和接在两边的两段电角度为θ、特性导纳为Y₀的传输线段的组合。

$\left[A\right]=\left[\begin{array}{cc}(J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ},& j({J\sin }^2\mathrm{\θ}/{Y_0}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ}/J)\\ -j{J\cos }^2\mathrm{\θ}+j{Y_0}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}/J& (J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

两种等效电路之间的参量关系为：

$Z_{0e}=\frac{1}{Y_0}[1+J/Y_0+{(J/Y_0)}^2]---\left(1\right)$

$Z_{0o}=\frac{1}{Y_0}[1-J/Y_0+{(J/Y_0)}^2]---\left(2\right)$

其中，Z_0e和Z_0o分别表示耦合线段的偶模阻抗和奇模阻抗。所以，将耦合单元看作倒置转换器，且其两端各有一段电长度为θ，特性导纳为Y₀的传输线是可以的。

本发明提供的扇形开路支节微带带通滤波器是在平行耦合微带线的中点处连接了两个1/4波长扇形开路支节，其扇形开路支节等效于一个电感L和一个电容C串联接地的电路。

整个滤波器的等效网络如图3所示。为了简化电路，把两个并联的1/4波长开路支节等效为一个并联导纳jX，如图4所示。再把整个滤波器等效为三个A矩阵的级联。

扇形开路带通滤波器等效电路的A矩阵如下：

$\left[A\right]=A_1\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{jX}& 1\end{array}\right]A_2=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11},& A_{12}\\ A_{21,}& A_{22}\end{array}\right]$

其中：

$A_1=\left[\begin{array}{cc}(J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ},& j({J\sin }^2\mathrm{\θ}/{Y_0}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ}/J)\\ -j{J\cos }^2\mathrm{\θ}+j{Y_0}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}/J& (J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],$

$A_2=\left[\begin{array}{cc}(J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ},& j({J\sin }^2\mathrm{\θ}/{Y_0}^2-{\cos }^2\mathrm{\θ}/J)\\ -j{J\cos }^2\mathrm{\θ}+j{Y_0}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}/J& (J/Y_0+Y_0/J)\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

A₁₁＝[(J/Y₀+Y₀/J)sinθcosθ-X(Jsin²θ/Y₀ ²-cos²θ/J)](J/Y₀+Y₀/J)sinθcosθ-(Jsin²θ/Y₀ ²-cos2θ/J)(Y₀ ²sin²θ/J-Jcos²θ)

A₁₂＝j(Jsin²θ/Y₀ ²-cos²θ/J)[2(J/Y₀+Y₀/J)sinθcosθ-X(Jsin²θ/Y₀ ²-cos²θ/J)]

A₂₁＝j[Xsinθcosθ(J/Y₀+Y₀/J)+2(Y₀ ²sin²θ/J-Jcos²θ)][sinθcosθ(J/Y₀+Y₀/J)]

A₂₂＝-[Xsinθcosθ(J/Y₀+Y₀/J)+(Y₀ ²sin²θ/J-Jcos²θ)](Jsin²θ/Y₀ ²-cos²θ/J)+(J/Y₀+Y₀/J)²sin²θcos²θ

其中，Y₀为传输线的特性导纳，耦合段长度为L＝λ_g/4，θ＝90°，λ_g为带通滤波器的中心频率处的波长。根据所需带宽和通带中心频率，求出的导纳倒置转换器参量J，并且通过计算出奇偶模特性阻抗值，可求得耦合微带线的宽度W以及间距S。通过调整扇形的半径、角度以及支节长度来改变主传输线上对地的传输零点，这些参数由上式中等效并联导纳jX确定。

本发明的有益效果是：

本发明提供的微带带通滤波器采用了传统的耦合形式和扇形开路支节相结合的结构，对平行耦合滤波器有了很大的改进。首先，本发明通过将两个扇形开路支节连接到耦合微带线的中点处，使得在传输线上方和下方对称并联的两个支节会在主传输线上出现对地的传输零点，从而提高了整个滤波器的矩形度(即相对于传统平行耦合滤波器而言，其通带到阻带的变化更为陡峭)，能够实现很好的带外抑制；其次，本发明采用两个扇形支节的形状来实现不同的频率响应，使得本发明不仅可以在微波/毫米波集成电路中使用，还可以用于频率更高的亚毫米波波段上；再者，本发明采用扇形结构的开路支节，相对于传统直线形开路支节相比，本发明能在输入阻抗相同的情况下实现较宽频带；还有，本发明电路形式简单、结构更加紧凑；最后，本发明由于输入输出都是微带传输线，便于和任何形式的电路集成，且其输入端和输出端微带线都在同一直线上，更便于在实际工程中的应用。

附图说明：

图1为本发明提供的具有扇形开路结构的微带带通滤波器的结构示意图。

其中：1为主传输线，2为耦合微带线，3为扇形开路支节，4为介质基片。

图2为平行耦合微带传输线示意图。其中图2(a)表示平行耦合微带传输线，图2(b)为把耦合单元表示为包含导纳倒置转换器的等效电路图。

图3为本发明提供的具有扇形开路结构的微带带通滤波器的等效电路。

图4为本发明提供的具有扇形开路结构的微带带通滤波器经简化后的等效网络。

图5为本发明提供的具有扇形开路结构的微带带通滤波器的测试结构图。

图6为本发明提供的具有扇形开路结构的微带带通滤波器的仿真测试结果。

其中：4为介质基片，5为微带到波导的对极鳍线过渡。

具体实施方式

设计中心频率为34GHz，对30GHz有很好抑制的具有扇形开路结构的微带带通滤波器。把整个微带带通滤波器结构制作在Rogers公司的聚四氟乙烯介质基片Duriod5880上，基片相对介电常数ε_r＝2.22，基片厚度d＝0.254mm，滤波器电路尺寸为2.3x3.67mm²(不包括50欧姆微带和波导到微带过渡的尺寸)。为了便于装配，扩大了基片的尺寸大小，如图5所示。为了进行测试，在滤波器的两个端口采用了微带到波导的对极鳍线过渡5，把介质基片及电路装配到腔体内，信号通过微带-波导转换5由波导输入输出。扇形开路带通滤波器仿真测试结果如图6所示，扇形开路结构的微带带通滤波器在30GHz处有一个传输零点，对30GHz能够实现很好的抑制，可达32dB，而34GHz的信号则无损耗的通过。

为了满足工程应用中的需要，通过改变两个扇形支节的半径和角度、耦合微带线的长度和间距可以实现不同的频率响应，我们在仿真中证实了这种结构的滤波器不仅可以在毫米波集成电路中使用，还可以用于频率更高的亚毫米波波段上。在仿真当中，我们还采用了其他一些低介电常数和低损耗正切角的介质基片，比如熔融石英，氟晶云母等，通过选择基片的最佳厚度能达到理想的滤波效果。

Claims (1)

1.一种具有扇形开路结构的微带带通滤波器，包括位于介质基片(4)表面的主传输线(1)、耦合微带线(2)和两段扇形开路支节(3)；所述主传输线(1)由主传输线输入端和主传输线输出端组成；所述耦合微带线(2)由主微带线和副微带线组成，其中耦合微带线(2)的主微带线分成两段：其中一段主微带线与主传输线输入端相连，另一段主微带线与主传输线输出端相连，两段主微带线之间形成一个缺口；其特征在于，所述主传输线(1)的中心线和耦合微带线(2)的主微带线的中心线在一条直线上；所述耦合微带线(2)的副微带线与主微带线相平行；所述扇形开路支节(3)是终端为扇形结构的带通滤波器中心工作频率所对应的四分之一波长终端开路线，两段扇形开路支节(3)的始端均与副微带线的中心点垂直相连。

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