CN101719579A

CN101719579A - 多频带带阻滤波器及多频带带通滤波器

Info

Publication number: CN101719579A
Application number: CN200910243284A
Authority: CN
Inventors: 杨飞; 于洪喜; 吴须大; 杨毅民; 周颖
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101719579B

Abstract

多频带带阻滤波器，包括N个谐振腔组，N为频带的个数，2≤N≤4，N个谐振腔组通过重叠排列获取多频带带阻滤波器响应。每个谐振腔组均由一字排列的n个谐振腔构成，3≤n≤5，属于同一个谐振腔组的n个谐振腔之间间距为1/4波长的奇数倍，矩形波导为3/4倍波导波长，N个谐振腔组共用一个主通道并与主通道平行。所有谐振腔组通过重叠排列，或者处于主通道一侧，或者处于主通道两侧。但是每侧的谐振腔组不超过两组。本发明多频带带阻滤波器各个阻带的抑制特性以及各阻带之间的通带特性都很好。因而应用这种多频带带阻滤波器结构，可以设计多通带滤波器，其设计思路基于带通滤波器+N频带带阻滤波器＝N+1通带带通滤波器。

Description

多频带带阻滤波器及多频带带通滤波器

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，涉及一种多频带带阻滤波器拓扑结构，以及基于该拓扑结构的多频带带通滤波器。

背景技术

多频带带阻滤波器(以下简称多阻带)是用来滤除通信信道内不需要的一些频带信号的设备，而多频带带通滤波器(以下简称多通带)则是用来筛选出通信信道内需要的一些频带信号的设备。

双频带带阻滤波器(以下简称双阻带)比较典型的是cul-de-sac结构，如图1所示。其基于交叉耦合的原理。其中，1腔和8腔之间间距1/4波长的奇数倍。1、8腔耦合到主通道上，其余各腔以特定的方式耦合在其它谐振腔上。

在窄带情况下，cul-de-sac结构的各个谐振腔是相当敏感的，尤其是图1中所示的谐振腔1和8，由于温漂所产生的效应非常明显。并且这种耦合结构基于交叉耦合，因而主要局限于双阻带的设计。并且，这种拓扑结构很难扩展到3频带、4频带带阻滤波器(以下简称3阻带、4阻带)的设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种易于设计、性能优良的多阻带拓扑结构。

本发明的技术解决方案是：多频带带阻滤波器，包括N个谐振腔组，N为频带的个数，2≤N≤4，N个谐振腔组通过重叠排列获取多频带带阻滤波器响应；每个谐振腔组均由一字排列的n个谐振腔构成，3≤n≤5，属于同一个谐振腔组的n个谐振腔之间间距为1/4波长的奇数倍，矩形波导为3/4倍波导波长，所述波长对应的频率为多频带带阻滤波器的中心频率；N个谐振腔组共用一个主通道并与主通道平行，当N＝2时，2个谐振腔组相对于主通道对称布置，两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，f₁＜f₂，且谐振频率f₂位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；当N＝3时，主通道一侧布置1个谐振腔组，谐振腔组的谐振频率为f₁或f₂，主通道另一侧布置2个谐振腔组，靠近主通道的谐振腔组的谐振频率为f₂或f₁，远离主通道的谐振腔组的谐振频率为f₃，f₁＜f₂＜f₃，且谐振频率f₃位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；当N＝4时，4个谐振腔组相对于主通道对称布置，其中一侧的两个谐振腔组的谐振频率为f₁和f₃，靠近主通道的两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，f₁＜f₂＜f₃＜f₄，且谐振频率f₄位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；靠近主通道的谐振腔组与主通道直接耦合，主通道同侧远离主通道的谐振腔组与临近主通道的谐振腔组之间进行耦合。

所述的谐振腔组具有切比雪夫函数响应。

基于多频带带阻滤波器的多频带带通滤波器，由多频带带阻滤波器和单频带带通滤波器构成，满足下述关系式：

单频带带通滤波器+N频带带阻滤波器＝N+1频带带通滤波器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明每个谐振腔后面最多再耦合一个谐振腔，因而，极大的降低了谐振腔的敏感度，从而降低了其对工艺和温度等方面的要求。其次，其基于多个带阻滤波器阻带级联从而实现多阻带响应的原理，因而不仅仅局限于窄带多阻带的设计。再次，本发明中的滤波器拓扑结构则可以较为方便的实现3阻带和4阻带响应。最后，通过和单频带带通滤波器结合，实现了较为理想的多通带响应。应用这种结构，可实现双通带、3通带、4通带、5通带，特别是4通带、5通带，应用一般的多通带耦合结构很难实现；

(2)本发明N组谐振腔，每一组形成一个带阻带，具有切比雪夫滤波器响应。每一个阻带由n个谐振腔构成。每个谐振腔组的初值可由对应的切比雪夫滤波器给定，降低了综合的难度。

附图说明

图1为传统cul-de-sac结构双阻带的拓扑结构；

图2为本发明的双阻带滤波器拓扑结构(两组谐振腔分列主通道两侧)；

图3为图2低段带阻滤波器拓扑；

图4为图3滤波器响应；

图5为图2高段带阻滤波器拓扑；

图6为图5滤波器响应；

图7为由图3和图5构成的图2所示双阻带的响应；

图8为两组谐振腔在主通道同侧的拓扑结构；

图9为图8所示的两组谐振腔组在主通道同侧的响应；

图10为本发明的3阻带滤波器拓扑结构；

图11为图10低频段带阻滤波器拓扑；

图12为图11滤波器响应；

图13为图10中频段带阻滤波器拓扑；

图14为图13滤波器响应；

图15为图10高频段带阻滤波器拓扑；

图16为图15滤波器响应；

图17为由图11、图13和图15构成的图10所示的3阻带响应；

图18为本发明的4阻带拓扑结构；

图19为图18所示4阻带响应；

图20为由图18所示4阻带+8阶带通滤波器得到的5通带滤波器响应；

图21为本发明的10阶矩形波导双阻带滤波器模型；

图22为图21双阻带滤波器仿真结果；

图23为应用SIW导波结构实现的两组谐振腔处于主通道同一侧的模型；

图24为图23双阻带滤波器S11仿真及测试结果；

图25为图23双阻带滤波器S21仿真及测试结果；

图26为本发明基于SIW的16阶4阻带(N＝4，n＝4)模型。

具体实施方式

本发明的设计思路是应用一种较简单的近似方法来设计多阻带。由低到高依次设计单频带的带阻滤波器，随后通过这些滤波器的参数得到多阻带的初值，最后对其进行调整优化，则可以得到需要的多阻带响应。

本发明多频带带阻滤波器包括N个谐振腔组，N为频带的个数，2≤N≤4，N个谐振腔组通过重叠排列来获取多频带带阻滤波器响应；每个谐振腔组均由一字排列的n个谐振腔构成，一般3≤n≤5则可满足指标要求，每个谐振腔组具有切比雪夫带阻响应。属于同一个谐振器组的n个谐振腔之间间距为1/4波长的奇数倍，矩形波导一般取3/4倍波导波长，所述波长对应的频率为整个多频带带阻滤波器的中心频率。N个谐振腔组共用一个主通道并与主通道平行，所有谐振腔组通过重叠排列，或者处于主通道一侧，或者处于主通道两侧。但是每侧的谐振腔组不超过两组。当N＝2时，2个谐振腔组相对于主通道对称布置。两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，f₁＜f₂，且谐振频率f₂位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外。当N＝3时，主通道一侧布置1个谐振腔组，谐振腔组的谐振频率为f₁或f₂，主通道另一侧布置2个谐振腔组，靠近主通道的谐振腔组的谐振频率为f₂或f₁，远离主通道的谐振腔组的谐振频率为f₃，f₁＜f₂＜f₃，且谐振频率f₃位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；当N＝4时，4个谐振腔组相对于主通道对称布置，其中一侧的两个谐振腔组的谐振频率为f₁和f₃，靠近主通道的两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，并且有频率关系f₁＜f₂＜f₃＜f₄，且谐振频率f₄位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；靠近主通道的谐振腔组与主通道直接耦合，远离主通道的谐振腔组与临近主通道的谐振腔之间进行耦合。

首先，介绍一个10阶的双阻带，即N＝2，n＝5，如图2所示。其含有10个谐振腔(N×n)，其中1、2、3、4、5腔谐振频率为f₁＝12.25GHz，滤波器拓扑如图3，组成低端的带阻响应，如图4所示。而6、7、8、9、10腔谐振在f₂＝13.25GHz上，滤波器拓扑如图5，实现高端的带阻响应，理想响应如图6所示。对两组谐振腔按照图2所示排列，进行进一步的优化，则能实现如图7所示的双阻带响应。每一个对应频率的带阻滤波器都基于传统的切比雪夫函数，其中，1到2腔、2到3腔，3到4腔，4到5腔之间都间隔四分之一波长的奇数倍。矩形波导一般取3/4倍波导波长。需要注意的是，6、7、8、9、10腔的谐振频率f₂应该在1、2、3、4、5腔形成的带阻滤波器的带通带内(也即带阻带外)，即应该避免f₂处于1、2、3、4、5腔的高次模上。而在一般的阻带带宽下，这个条件都能满足。

为了扩展到多频带，需要在主通道一侧排列两组谐振腔。现验证通过两组谐振腔的重叠排列，可以实现需要的双阻带响应。取N＝2，n＝3，腔体排列如图8所示。同上，1、2、3腔谐振频率为f₁＝11.65GHz，而4、5、6腔谐振在f₂＝12.7GHz上，实现了双阻带的设计，理想响应如图9所示。同样，每一个对应频率的谐振腔组都基于传统的切比雪夫函数。

通过在图2所示的双阻带结构上，在其主通道任一侧按照图8所示的方式再加一组耦合腔，通过精细的优化，则可以实现3阻带。如图10所示，N＝3，n＝4。其含有12个谐振腔，1、2腔，2、3腔，3、4腔之间都间隔四分之一波长的奇数倍。矩形波导一般取3/4倍波导波长。每一个对应频率的带阻滤波器都基于传统的切比雪夫函数。其中1、2、3、4腔谐振频率为f₁＝11.2GHz，构成如图11所示第一组谐振腔组，响应如图12所示，阻带为11.1GHz-11.3GHz，对应3频带低频段阻带。5、6、7、8腔谐振在f₂＝12.2GHz上，构成如图13所示的第二组谐振腔组，响应如图14所示，阻带为12.1GHz-12.3GHz，对应3频带中频段阻带。第三组谐振腔组由9、10、11、12腔如图15所示排列组成。腔体谐振在f₃＝13.2GHz上，响应如图16所示，阻带为13.1GHz-13.3GHz，对应3频带高频段阻带。把3组谐振腔如图10所示排列，经过细致的优化，则可以得到图17所示的3阻带响应。

3阻带可进一步推广为4阻带。图18给出了16阶4阻带的拓扑，优化后的响应如图19所示。其阻带为11.05GHz-11.15GHz，11.55GHz-11.65GHz，12.05GHz-12.15GHz，12.55GHz-12.65GHz。可以看到，各个阻带的抑制特性以及各阻带之间的通带特性都很好。因而应用这种多阻带结构，可以设计多通带。其设计思路为：带通滤波器+N阻带＝N+1通带。对图18的4阻带加上一个带通滤波器，可以得到图20所示的5通带响应。通带为：10.7GHz-11GHz，11.2GHz-11.5GHz，11.7GHz-12GHz，12.2GHz-12.5GHz，12.7GHz-13GHz。应用同样的方法，还可以设计双通带、3通带、4通带滤波器。

以上这些拓扑，波导、微带、同轴、SIW谐振腔都可实现。其中，微带或同轴谐振腔在主通道间隔1/4倍波长，而波导和SIW谐振腔则需要主通道间隔3/4倍波导波长。

实施例：

以上详细的给出了本发明的设计思路。其主要基于两种双阻带结构：第一个如图2所示，两组谐振腔分列主通道两侧，是用来设计双阻带的拓扑结构；第二个如图8所示，两组谐振腔处于主通道同一侧(图8)，是用来把双阻带拓展成为3阻带、4阻带的拓扑结构。接下来将分别通过矩形波导和基片集成波导两种导波结构，实现这两种拓扑结构，从而证明本发明提出的多阻带结构的可实现性。最后给出基于SIW的4阻带模型示意图。

如图2所示的拓扑结构，设计一个基于矩形波导的双阻带。如图21所示。每个谐振腔组有5个谐振腔，也即：N＝2，n＝5。两组谐振腔分列主通道两侧。谐振腔和主通道之间的耦合为宽边耦合。仿真结果如图22所示。其中1、2、3、4、5腔谐振在12.25GHz，6、7、8、9、10腔谐振在13.25GHz。谐振腔由矩形波导谐振腔实现，主通道也由矩形波导实现。每个谐振腔组的5个谐振腔在主通道一侧一字排列，间距为3/4倍波导波长，中心频率选取12.75GHz。各个谐振腔之间通过金属膜片形成耦合窗实现耦合。

基于矩形波导的双阻带主要指标如下：

中心频率：f₀＝12.75GHz，阻带带宽：Δf₁＝200MHz，Δf₂＝200MHz，低端阻带：12.1GHz-12.4GHz，高端阻带：13.1GHz-13.4GHz，阻带抑制≥30dB。

通过仿真设计，可以看到，仿真结果优良，其阻带的抑制特性、阻带之间通带的传输特性都非常好。

应用SIW导波结构，实现两组谐振腔分布在主通道同侧的拓扑结构。如图23所示，其N＝2，n＝3。谐振腔和主通道以及谐振腔之间通过窄边进行耦合。介质板选用Rogers 5880，介电常数为2.2。其包含6个谐振腔(N×n)。其中1、2、3腔谐振在11.65GHz，4、5、6腔谐振在12.7GHz。谐振腔由SIW谐振腔实现，主通道也由SIW导波结构实现。邻近主通道的各个腔(1、2、3腔)依次间距3/4倍波导波长，中心频率选取12.2GHz。各个腔之间通过金属通孔形成的耦合窗实现耦合。基片集成波导和微带的连接通过微带渐变线实现。通过精细的仿真和优化，得到其参数如图23所示。仿真和测试结果如图24和图25所示。可以看到，仿真和实测结果吻合很好。其阻带的抑制特性、阻带之间通带的传输特性都非常好，能很方便的与平面电路集成，不需要后期调试，适用于批量生产，并且能保持较高的Q值。

基于SIW导波结构的两组谐振腔处于主通道同一侧的滤波器，其主要指标如下：

中心频率：f₀＝12GHz，阻带带宽：Δf₁＝300MHz，Δf₂＝200MHz，低端阻带：11.5GHz-11.8GHz，高端阻带：12.6GHz-12.8GHz，阻带抑制≥20dB。

图26为SIW谐振腔构成的16阶4阻带模型示意。谐振腔用SIW谐振腔实现，主通道用SIW导波结构实现，谐振腔间耦合以及谐振腔和主通道之间耦合通过金属通孔形成的耦合窗实现。输入输出用微带线实现。微带和SIW之间通过微带渐变线实现宽带过渡。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.多频带带阻滤波器，其特征在于：包括N个谐振腔组，N为频带的个数，2≤N≤4，N个谐振腔组通过重叠排列获取多频带带阻滤波器响应；每个谐振腔组均由一字排列的n个谐振腔构成，3≤n≤5，属于同一个谐振腔组的n个谐振腔之间间距为1/4波长的奇数倍，矩形波导为3/4倍波导波长，所述波长对应的频率为多频带带阻滤波器的中心频率；N个谐振腔组共用一个主通道并与主通道平行，当N＝2时，2个谐振腔组相对于主通道对称布置，两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，f₁＜f₂，且谐振频率f₂位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；当N＝3时，主通道一侧布置1个谐振腔组，谐振腔组的谐振频率为f₁或f₂，主通道另一侧布置2个谐振腔组，靠近主通道的谐振腔组的谐振频率为f₂或f₁，远离主通道的谐振腔组的谐振频率为f₃，f₁＜f₂＜f₃，且谐振频率f₃位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；当N＝4时，4个谐振腔组相对于主通道对称布置，其中一侧的两个谐振腔组的谐振频率为f₁和f₃，靠近主通道的两个谐振腔组的谐振频率分别为f₁和f₂，f₁＜f₂＜f₃＜f₄，且谐振频率f₄位于谐振频率为f₁的谐振腔组的带阻频带外；靠近主通道的谐振腔组与主通道直接耦合，主通道同侧远离主通道的谐振腔组与临近主通道的谐振腔组之间进行耦合。

2.根据权利要求1所述的多频带带阻滤波器，其特征在于：所述的谐振腔组具有切比雪夫函数响应。

3.多频带带通滤波器，其特征在于：由权利要求1所述的多频带带阻滤波器，以及单频带带通滤波器构成，满足下述关系式：

单频带带通滤波器+N频带带阻滤波器＝N+1频带带通滤波器。