CN101699649A - 平面紧凑型三通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了平面紧凑型三通带滤波器，是一种利用中心加载的谐振器和内嵌的半波长谐振器来实现的三通带滤波器。中心加载的谐振器由微带线和中心加载的T型结构组成，用于产生第一个和第三个通带；半波长谐振器内嵌于中心加载的谐振器，用于产生第二个通带，交叉指式耦合结构用于实现级间电磁耦合。对第二通带而言，该结构可实现源-负载的耦合，从而在第二个通带附近产生一对传输零点，提高了滚降特性。整个滤波器采用平面结构，呈现中心对称，能够实现三个不同频段信号的筛选。滤波器的每一个通带两侧都有至少一个传输零点，从而获得很高的边缘选择性，同时还具有尺寸小，空间利用率高，易加工等特点。

Description

平面紧凑型三通带滤波器

技术领域

本发明涉及到移动通信、卫星通信以及微波通信等技术领域中用于信号的发送接收的滤波器，是一种通带可以灵活控制的平面紧凑型三通带滤波器。

背景技术

近年来，多频带、多标准无线通信系统引起了越来越多的关注，多频带带通滤波器具有极其广泛的应用。在无线通信系统中，滤波器为极其重要的组件，其作用是使必要的信号通过，并且将不必要的信号滤除。

实现三频段信号的筛选，传统的方法是使用三个单通带滤波器，利用三个滤波器分别对信号进行处理，每一个滤波器筛选出对应的频段信号，这种方法的特点是简单可行，容易实现，其缺点在于集成度不够，对于无线通信系统要求小体积、轻重量的目标来说，实际上并不符合需求。因此如何设计一种能够有效集成的三通带滤波器，并且通带之间有较好的隔离效果是当前的一个重要课题。

三通带滤波器的实现方式有很多种，以下我们分别阐述比较常见的结构及其特点。

(1)由三组谐振器并联实现三通带滤波器结构

这种实现方式由三组谐振器组成，采用公共的输入输出端口，每组谐振器产生一个通带。这种滤波器的缺点是空间体积大，不易集成。

(2)由两组谐振器来实现三通带滤波器结构

这种实现方式由两组谐振器组成，其中一组谐振器产生一个通带，另一组谐振器产生两个通带，这两组谐振器由公共的输入输出端口馈入信号。这种拓扑结构的传统实现方法的缺点是通带的中心频率相互影响，难以控制。

(3)由一组谐振器来实现三通带滤波器结构

这种滤波器中的谐振器同时工作在三个频率上，产生三个通带。其特点是集成度很高，工艺简单，缺点在于三个频率是相互关联的，频率和带宽都难以控制。

发明内容

本发明的目的是利用一个中心加载的谐振器和一个内嵌的半波长谐振器来设计三通带滤波器，在每个通带的两侧都可以产生一个传输零点，滚降特性好，结构简单，容易加工，具有平面小型化的特征。

本发明通过如下技术方案来实现：

平面紧凑型三通带滤波器，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板；其特征在于，上层微带结构包括输入端口I/P、输出端口O/P、2个中心加载谐振器和2个内嵌谐振器；第一中心加载谐振器包括开口型微带线和T型结构，依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线组成两端出头的开口型微带线，T型结构与开口型微带线连接，位于开口型内部；第二中心加载谐振器与第一中心加载谐振器结构相同，对称布置，第二中心加载谐振器与第一中心加载谐振器设有间距；第二中心加载谐振器的两出头端微带线分别为第七微带线和第八微带线；第一微带线和第七微带线之间以及第六微带线和第八微带线之间构成耦合结构，用于实现级间信号的耦合；输入端口I/P和输出端口O/P分别直接连接在第一中心加载的谐振器和第二中心加载的谐振器上；第一内嵌谐振器和第二内嵌谐振器都为半波长谐振器，分别内嵌于第一中心加载的谐振器和第二中心加载的谐振器内；第一内嵌谐振器包括第九微带线、第十微带线、第十一微带线和交叉指式微带线，第九微带线和第十微带线是由四截直线微带线连接组成的弯折的口型结构，用于和第一中心加载谐振器的第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线及T型结构进行耦合；第二内嵌谐振器的结构和第一内嵌谐振器相同，对称布置，第一内嵌滤波器的交叉指式微带线和第二内嵌滤波器的交叉指式微带线通过多根直线微带线相互交叉排列组合成交叉指式结构，实现级间电磁耦合。

所述第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线以及第六微带线的总长度可调。中心加载的谐振器的谐振频率可以灵活地控制，通过改变第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线的总长度L可以控制第一通带的谐振频率。

所述第九微带线、第十微带线和第十一微带线的总长度可调。在确定L的长度之后，通过改变T型结构可对第三通带的谐振频率进行控制。通过改变第九微带线、第十微带线和第十一微带线的总长度可对第二通带的谐振频率进行控制，满足滤波器在三频段的响应要求。

利用中心加载的谐振器和内嵌半波长谐振器来实现的三通带滤波器，共有5个传输零点，通带的每一侧都至少有一个传输零点，使得该滤波器获得很好的滚降特性。其中，第四微带线、第五微带线和第六微带线的总长度在第一通带下侧零点频率上为1/4波长，第六微带线末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第一通带的下侧产生一个传输零点；第三微带线、第二微带线和第一微带线的总长度在第一通带上侧零点频率上为1/4波长，第一微带线末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第一通带的上侧产生一个传输零点；从抽头位置到T型结构的末端的等效总长度在第三通带上侧零点频率上为1/4波长，T型结构末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第三通带的上侧产生一个传输零点；第二个通带附近的一对传输零点是由滤波器实现的源-负载耦合所产生的。

所述的利用中心加载的谐振器和内嵌半波长谐振器来实现的三通带滤波器，所采用的衬底材料的介电常数为2.94，厚度为0.762mm。

相对于现有技术，本发明的三通带滤波器具有如下优点：

(1)该滤波器的通带中心频率以及带宽易于控制。

(2)共实现了5个传输零点，每个通带两侧至少有一个传输零点。其中，第二个通带附近产生一对传输零点是因为内嵌滤波器对第二通带可以实现源-负载的耦合，提高了滤波器的滚降特性。

(3)滤波器电路为平面结构，谐振器之间采用内嵌式的结构，整个电路尺寸小，结构紧凑，空间利用率高，容易加工。

(4)本滤波器的地面是完整的地，可以有效地防止信号泄露，并且易于和其他微带电路集成。

附图说明

图1是本发明的三通带滤波器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是中心加载的谐振器的结构示意图；

图4是本发明的三通带滤波器实施例的频率响应曲线。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，平面紧凑型三通带滤波器包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板；上层微带结构包括输入端口I/P、输出端口O/P、2个中心加载谐振器和2个内嵌谐振器；第一中心加载谐振器1包括开口型微带线和T型结构，依次连接的第一微带线5、第二微带线6、第三微带线7、第四微带线9、第五微带线10和第六微带线11组成两端出头的开口型微带线，T型结构8与开口型微带线连接，位于开口型内部；第二中心加载谐振器4与第一中心加载谐振器1结构相同，对称布置，第二中心加载谐振器4与第一中心加载谐振器1设有间距；第二中心加载谐振器4的两出头端微带线分别为第七微带线13和第八微带线12；第一微带线5和第七微带线13之间以及第六微带线11和第八微带线12之间构成耦合结构，用于实现级间信号的耦合，第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4用于产生第一和第三通带。输入端口I/P和输出端口O/P分别直接连接在第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4上，其特性阻抗都为50Ω。

第一内嵌谐振器2和第二内嵌谐振器3都为半波长谐振器，分别内嵌于第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4内，用于产生第二通带；第一内嵌谐振器2包括第九微带线14、第十微带线15、第十一微带线16和交叉指式微带线17，第九微带线14和第十微带线15是由四截直线微带线连接组成的弯折的口型结构，用于和第一中心加载谐振器1的第二微带线6、第三微带线7、第四微带线9、第五微带线10及T型结构8进行耦合；第二内嵌谐振器3的结构和第一内嵌谐振器2相同，第一内嵌滤波器2的交叉指式微带线17和第二内嵌滤波器3的交叉指式微带线18通过多根直线微带线相互交叉排列组合成交叉指式结构，相当于一个П型电容器，能够实现级间电磁耦合。该滤波器结构对第二通带而言可以实现源-负载的耦合，从而在第二个通带附近产生一对传输零点，提高了滚降特性。

利用2个中心加载的谐振器和2个内嵌谐振器实现的三通带滤波器，其通带的工作的中心频率是可控制的。第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4工作在第一通带谐振频率和第三通带谐振频率，第一通带谐振频率即为基波谐振频率，第三通带谐振频率是基波谐振频率的二次谐波频率。对于第一通带，第一微带线5、第二微带线6、第三微带线7、第四微带线9、第五微带线10以及第六微带线11的长度之和为L，如图3所示，若奇模激励加载于微带线L的两端，那么中心位置处的电压值为零，相当于该处接地，所以加载的T型结构8对奇模的谐振频率不会产生影响。奇模的谐振频率为：

$f_{\mathrm{odd}}=\frac{(2n-1)c}{2L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(1\right)$

其中，n＝1，2，3，...，c是自由空间的光速，ε_eff是有效介电常数。所以，L是以基波谐振频率对应的半波长为基准的，另外，第一内嵌谐振器2和第二内嵌谐振器3分别对第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4有负载效应，使得谐振频率向下漂移，所以L略小于基波谐振频率的半波长，通过调整L可以控制第一通带的谐振频率。对于第三通带，其谐振频率是基波谐振频率的二次谐波频率，根据文献“X.Y.Zhang and Q.Xue，Novelcentrally loaded resonators and their applications to bandpass filters，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，vol.56.no.4，pp.913-921，Apr.2008”的分析，若偶模激励加载于微带线L的两端，那么微带线L的中心位置点就没有电流流过，两端的电流都流向了T型结构，偶模的谐振频率大小由微带线L和T型结构的等效长度共同来决定，在确定奇模的谐振频率后，也就确定了微带线L的长度，所以通过控制T型结构的等效长度就能够对偶模的谐振频率进行控制，即T型结构可用来控制第三通带谐振频率。这样，就可以通过改变微带线的长度L及T型结构来控制第一通带和第三通带谐振频率。至于第二通带，其谐振频率和第一通带、第三通带谐振频率相互独立，假设第九微带线14、第十微带线15和第十一微带线16的总长度为L_c，无论奇模还是偶模，谐振频率都为：

$f=\frac{\mathrm{nc}}{{2L}_c\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(2\right)$

其中，n＝1，2，3，...，c是自由空间的光速，ε_eff是有效介电常数。选取n＝1对应的频率作为第二通带的谐振频率，则L_c等于第二通带谐振频率的半波长，所以通过改变第九微带线14、第十微带线15和第十一微带线16的总长度L_c，可以很容易地将其控制在所要求的频率点上。

利用2个中心加载的谐振器和2个内嵌半波长谐振器来实现的三通带滤波器，通带带宽取决于外部品质因数和耦合系数。对于第一和第三通带，外部品质因数取决于第三微带线7的长度d，随着d的增大，第一通带谐振频率的外部品质因数也会增大，从而使得第一通带的带宽减小，相反地，第三通带谐振频率的外部品质因数随d的增大而减小，从而使得第三通带的带宽增大；耦合系数的大小跟第一微带线5的长度L₃以及耦合缝隙的宽度g(第一微带线5和第七微带线13之间以及第六微带线11和第八微带线12之间构成耦合结构的宽度)有关，很显然，L₃越大，g越小，第一中心加载谐振器1和第二中心加载谐振器4之间的级间耦合就越强，耦合系数就越大。由于第一和第三通带的带宽决定于相同的尺寸参数d、L₃、g，因此设计尺寸参数d、L₃、g时需要综合考虑第一和第三通带的带宽要求。对于第二通带，带宽的控制有足够的自由空间，第二通带谐振频率的外部品质因数取决于内嵌谐振器和中心加载的谐振器之间的耦合强度，耦合缝隙g₁越小，内嵌谐振器微带线宽度越小，第一中心加载谐振器1和第一内嵌谐振器1之间以及第二中心加载谐振器4和第二内嵌谐振器3之间的耦合就越强，外部品质因数就越小；耦合系数取决于交叉指式结构，交叉指式结构相当于一个П型电容器，能够实现级间电磁耦合，通过改变交叉指式结构的物理尺寸，如交叉指式微带线的长度、宽度，相邻交叉指式微带线之间的耦合缝隙以及交叉指式微带线的根数，都可以对第一内嵌滤波器2和第二内嵌滤波器3之间的级间耦合强度进行控制，同时，第一中心加载的谐振器1和第二中心加载的谐振器4之间的耦合对第二通带的响应也会产生影响。

利用2个中心加载的谐振器和2个内嵌半波长谐振器来实现的三通带滤波器，共有5个传输零点，通带的每一侧都至少有一个传输零点，使得该滤波器获得很好的滚降特性。5个传输零点的产生是对滤波器的结构进行如下设计来实现的，首先，设计第四微带线9、第五微带线10和第六微带线11的总长度在第一通带下侧零点频率上为1/4波长，使得第六微带线11末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第一通带的下侧产生一个传输零点；其次，设计第三微带线7、第二微带线6和第一微带线5的总长度在第一通带上侧零点频率上为1/4波长，使得第一微带线5末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第一通带的上侧产生一个传输零点；第三，通过调整T型结构8的长度使得从抽头位置到T型结构8的末端的等效总长度在第三通带上侧零点频率上为1/4波长，这样T型结构8的末端的开路经过1/4波长阻抗变换后，在抽头位置相当于短路，从而在第三通带的上侧产生一个传输零点；第四，对于第二个通带，因为整个滤波器的耦合路径为：由第一中心加载谐振器1对第一内嵌谐振器2进行馈电，第一内嵌谐振器2和第二内嵌谐振器3进行耦合，第二内嵌谐振器3对第二中心加载谐振器4进行馈电，同时，第一中心加载谐振器1和第二中心加载谐振器4之间又进行耦合，这样就实现了源-负载间的耦合，从而在第二通带产生一对传输零点，提高了滤波器的滚降特性。

实施例1

将平面紧凑型三通带滤波器三通带中心频率控制在1.95GHz、2.45GHz以及3.5GHz，滤波器的衬底材料的介电常数为2.94，厚度为0.762mm。滤波器结构尺寸为：中心加载谐振器的微带线宽度为1mm，第一微带线5长度L₃＝5.6mm(第一中心加载谐振器和第二中心加载谐振器级间耦合微带线长度)，第三微带线7长度为d＝5.9mm、第四微带线9长度L₁＝12.45mm，第五微带线10长度为L₂＝9.7mm(第一中心加载谐振器宽度)，第一中心加载谐振器和第二中心加载谐振器级间耦合缝隙g＝0.3mm，T型结构(见图3)的上臂长度L₆＝5mm，高L₅＝10.25mm，中心加载谐振器与内嵌谐振器之间的耦合缝隙为g₁＝0.4mm(这是指什么，要有文字说明和图上标记)，内嵌谐振器的内宽L₄＝7.6mm，微带线宽0.7mm，单根交叉指长2.4mm，宽0.5mm，交叉指间缝隙为0.3mm，输入输出端口微带线宽度为1.9mm。内嵌滤波器的交叉指的个数为14。整个滤波器的大小为0.22λ_g*0.27λ_g，λ_g是第一通带谐振频率对应的波长。

图4是该实施例的频率响应曲线，图中包含两条曲线S₁₁、S₂₁，曲线S₁₁是信号在端口反射的特性曲线，曲线S₂₁是信号的传输特性曲线。由图分析可知，第一通带的中心频率是1.95GHz，其1dB带宽为4.9％，满足DCS系统的要求，插入损耗为0.9dB，回波损耗大于20dB，该通带在1.62GHz和2.12GHz处产生了两个传输零点，极大地提高了边缘选择性；第二通带的中心频率是2.45GHz，其1dB带宽为3.5％，覆盖了2.4GHzWLAN系统的频率范围，最小插入损耗为1.6dB，通带内回波损耗大于15dB，由于源-负载的耦合作用该通带在2.35GHz和2.75GHz处产生了两个传输零点，它们处于通带的边缘位置，较大地提高了滤波器的滚降系数；第三通带的中心频率是3.5GHz，其1dB带宽为5.7％，满足3.5GHzWiMax系统的要求，插入损耗为1.6dB，通带内回波损耗大于15dB，在上通带频率点3.9GHz处获得一个传输零点。

Claims (3)

1.平面紧凑型三通带滤波器，包括上层微带结构、中间介质基板和底层金属地板；其特征在于，上层微带结构包括输入端口I/P、输出端口O/P、2个中心加载谐振器和2个内嵌谐振器；第一中心加载谐振器包括开口型微带线和T型结构，依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线组成两端出头的开口型微带线，T型结构与开口型微带线连接，位于开口型内部；第二中心加载谐振器与第一中心加载谐振器结构相同，对称布置，第二中心加载谐振器与第一中心加载谐振器设有间距；第二中心加载谐振器的两出头端微带线分别为第七微带线和第八微带线；第一微带线和第七微带线之间以及第六微带线和第八微带线之间构成耦合结构，用于实现级间信号的耦合；输入端口I/P和输出端口O/P分别直接连接在第一中心加载的谐振器和第二中心加载的谐振器上；第一内嵌谐振器和第二内嵌谐振器都为半波长谐振器，分别内嵌于第一中心加载的谐振器和第二中心加载的谐振器内；第一内嵌谐振器包括第九微带线、第十微带线、第十一微带线和交叉指式微带线，第九微带线和第十微带线是由四截直线微带线连接组成的弯折的口型结构，用于和第一中心加载谐振器的第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线及T型结构进行耦合；第二内嵌谐振器的结构和第一内嵌谐振器相同，对称布置，第一内嵌滤波器的交叉指式微带线和第二内嵌滤波器的交叉指式微带线通过多根直线微带线相互交叉排列组合成交叉指式结构，实现级间电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的平面紧凑型三通带滤波器，其特征在于，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线以及第六微带线的总长度可调。

3.根据权利要求1所述的平面紧凑型三通带滤波器，其特征在于，所述第九微带线、第十微带线和第十一微带线的总长度可调。

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