CN102361110A - 小型化双模双频微带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化双模双频微带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层和中间层的介质板。金属微带线由双模滤波微带线和两个输入输出耦合臂形成耦合微带线结构，双模滤波微带线具有三段平行的具有阶梯阻抗的开路枝节，使双模滤波微带线形成山字形微带线结构，两个输入输出耦合臂分别与双模滤波微带线的外侧的两段开路枝节耦合，两个输入输出耦合臂分别与两个输入输出接口电性连接。这种滤波器两个通带内分别都具有两个传输极点，两个通带之间有多个传输零点使得两个通带具有陡峭的边带特性，通带之间的隔离效果好，可以实现对传输零点的独立控制，结构简单，体积小，容易加工。

Description

小型化双模双频微带滤波器

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的滤波器，具体涉及一种具有可调传输零点、具有双模双频微带结构、紧凑型、并具有网络干扰信号抑制功能的平面滤波器。

背景技术

当今世界，全球通信行业技术不断革新进步，用户需求与日俱增，人们对无线通信的要求也越来越高，不断地提出新的要求。例如，在某一频段上传输的数据量能够增加，通信质量能够更好，无线终端能够更小巧，功率损耗能够更少……这些要求无疑也对现在的射频前端系统提出了新的挑战，高性能、多功能、小型化的射频前端已为大势所趋。而射频前端中的滤波器，作为一个至关重要的元件，无疑促使着全球的科技工作者们对新时代背景下的滤波器的进行设计和研究。对于现代滤波器的研究，首先可以从以下几个发展趋势来进行分析：

1．更高频率的无线电磁波被开发使用

当今通信频段不断被开发，可用频段率资源越来越少，由于高频率的电磁波能传输更多的信息量，比如WiFi (5.725-5.825GHz(ISM/UNII))、Wi-Max（2-11GHz）、UWB超宽带通信（3.1-10.6GHz）以及60GHZ短距离保密通信等。

相比以往的许多无线通信，例如收音机等，由于工作频率较低，滤波器只需要采用集总元件就能很好地实现功能。但是现在的很多通信都处于较高的频段，用集总元件无法实现，必须使用分布元件，例如微带线，带状线、同轴线等波导介质。

2．不同制式的通信标准需要兼容

在移动通信领域中，从GSM到现在的各种3G标准：WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA，各种通信标准所使用的频段是不同的，例如：GSM工作中心频率点为0.9GHz和1.8GHz。对于WCDMA，工作频段为：上行1940～1955MHz,下行2130～2145MHz。在无线局域网通信中，WLAN协议也有多种协议，如IEEE 802.a/b/g/n等协议，其主要工作频段大约位于2.4GHz，5.2GHz和5.8GHz。而对于不同的国家或地区，对于某些通信标准所工作的频段也存在着不同，所以不同通信标准能否互相兼容，不同频段的通信能否在一台无线终端中实现也成为时下热门的课题。

面对多种通信标准的不同，以及新一代通信技术需要与上一代通信技术进行较好的兼容，于是现在越来越多的研究转向了多频带射频前端器件。传统的滤波器只是工作在一个频段中，根据现在的通信趋势，多频带滤波器可以同时通过两个或两个以上的频段，这样就可以保证通信系统能够在多个频段下共同工作，但传统的多频带滤波器的尺寸较大，各个通带之间的隔离特性不理想，传输零点数名有限，传输零点与带宽不能相互独立控制，成本较高，不能满足无线通信系统对滤波器小型化的要求。传统的平坦型滤波器和切比雪夫滤波器通过多个谐振器级联而成的多阶滤波器也能使滤波器具有较为陡峭的过渡带和边带，但这些滤波器存在体积较大、带内损耗较大的不足。

3．射频前端所占据的体积越来越小

就从10年来看，通信行业与其他电子制造业一样飞速发展，所有的终端几乎都处于不断被小型化设计的趋势中。手机越来越小，无线网卡越来越集成，天线也从外置到内置，许多电子器件设计也从立体到平面，从这些现象来看为了能集成更多不同种类的器件，滤波器的小型化也必定是一大趋势。

对于现在的小型化设计来说，用微带线来做传输波导是不错的选择，首先，平面结构使得微带线结构的滤波器容易制造和加工。其次，微带线的介质板相对其他介质来说价格便宜，利于市场化。最后，微带结构更利于集成至MMIC电路板中，更适合小型化的设计。微带线的这些优势也使得近些年来更多的研究偏向了以微带线为传输介质的滤波器设计。但目前的多频滤波器的功能还不够理想，不能满足各种不同领域对高品质、高性能滤波器的大量需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足并提供一种小型化双模双频微带滤波器，这种滤波器两个通带内分别都具有两个传输极点，两个通带之间有多个传输零点使得两个通带具有陡峭的边带特性，通带之间的隔离效果好，可以实现对传输零点的独立控制。这种滤波器结构简单，体积小，容易加工。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

1.利用奇偶模理论，阶跃阻抗谐振器结构理论，提供一种小型化双模双频微带滤波器，奇模与偶模的谐振模式同时形成于不同的通带内。 

2.为了不在占用太多空间的基础上实现两个通带都具备两阶的特性，一个被弯折成U型的半波长谐振器被加在双模滤波器的底部，强化通带内双模两阶的特性，并通过源与负载的耦合，额外产生了传输零点，增强了通带之间的隔离。

3.为了能够调节通带外的传输零点，以便能够更好地抑制某个频带的信号，一条耦合线被夹在双模滤波器和半波长滤波器之间，通过简单地改变该耦合线的长度，就能在不破坏原本特性的基础上对某个传输零点进行调节。

4.本发明根据介质基板的介电常数                                               

，选用合适的介质基板的厚度。

5.加工后的电路板为一层，其反面是金属镀层，正面为该双频微带滤波器的结构。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种小型化双模双频微带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层和中间层的介质板。金属微带线由双模滤波微带线和两个输入输出耦合臂形成耦合微带线结构，双模滤波微带线具有三段平行的具有阶梯阻抗的开路枝节，各段开路枝节具有分别的开放端和共同的连接端，各段开路枝节共同的连接端形成双模滤波微带线的平直底部，其中位于外侧的两段开路枝节形成双模滤波微带线的左右两个下角，使双模滤波微带线形成山字形微带线结构，两个输入输出耦合臂对称设置于双模滤波微带线的两侧，两个输入输出耦合臂分别与双模滤波微带线的外侧的两段开路枝节耦合，两个输入输出耦合臂分别与两个输入输出接口电性连接。

作为本发明的改进，一个弯成U形的半波长均匀阻抗微带线被加设于双模滤波微带线的底部。

作为本发明的进一步改进，输入输出耦合臂的自由端弯成L形，两个输入输出耦合臂分别包绕双模滤波微带线的左右两个下角，两个输入输出耦合臂的自由端部之间在双模滤波微带线的底部外侧形成间隙。

作为本发明的更进一步改进，一段均匀阻抗耦合线被加载于双模滤波微带线的底部和半波长均匀阻抗微带线之间，半波长均匀阻抗微带线的长度可调。

本发明的上述双模滤波微带线的三段开路枝节的宽度具有阶梯变化，各个开路枝节的宽度从其开放端向共同连接端逐渐变窄，并形成阶梯形。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明滤波器结构是由一个带变阻抗枝节的慢波滤波器组成，仅使用一个这样的双模微带线来构成一个双阶双频的微带滤波器，与传统的多阶滤波器相比，体积更小。

2. 本发明通过加强型结构的源于负载的耦合，大大改善了两个通带之间的阻带性能，并且可以实现对一个传输零点的频率位置的独立调节。

3. 本发明微带滤波器的尺寸达到非常的小型化，因为使用到了双模微带线以及折合的半波长微带线，相比传统的双阶双频滤波器节省了很大的空间，与传统的双频滤波器相比，新型滤波器拥有非常紧凑的结构，比通过谐振器耦合实现双阶双频的滤波器要节省近一半的空间，并且性能上也有很大提高。

4. 两个通带之间的隔绝被大大提高，其中2个传输零点都非常靠近通带，边带更为陡峭。

5. 本微带滤波器结构的馈线方式采用的是直接接入方式，直接接入法是用特性阻抗为50欧姆的微带线直接接到滤波器的两个端口上。

6.具有良好的带内和带外特性，结构简单，易于加工，加工精度高，简单易行。

附图说明

图1是本发明实施例一的滤波器结构示意图与其频率响应图。

图2是本发明实施例二的滤波器结构示意图与其频率响应图。

图3是本发明实施例三的滤波器结构示意图与其频率响应图。

图4是本发明实施例四的滤波器结构图。

图5是本发明实施例五的滤波器结构参数示意图。

图6是本发明实施例五的滤波器频率响应图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，一种小型化双模双频微带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层8和中间层的介质板7，其特征在于：金属微带线由双模滤波微带线3和两个输入输出耦合臂2、6形成耦合微带线结构，双模滤波微带线3具有三段平行的具有阶梯阻抗的开路枝节，各段开路枝节具有分别的开放端和共同的连接端，各段开路枝节共同的连接端形成双模滤波微带线3的平直底部，其中位于外侧的两段开路枝节形成双模滤波微带线3的左右两个下角，使双模滤波微带线3形成山字形微带线结构，两个输入输出耦合臂2、6对称设置于双模滤波微带线3的两侧，两个输入输出耦合臂2、6分别与双模滤波微带线3的外侧的两段开路枝节耦合，两个输入输出耦合臂2、6分别与两个输入输出接口1、5电性连接。在本实施例中，滤波器提供了3个谐振模式，包括第一个通带的2个模式和第二个通带1个模式，双模滤波微带线3本身就已经使得设计小型化，加之能够使用偶模的第二个谐振频率来协助产生第二个通带，所以该滤波器所占面积非常的小。从频率响应图来看，不难发现第一个通带已经具备两阶性能，第二个通带只有一阶。在本实施例中，滤波器由于对称结构，可以用奇偶模分析法进行分析，从而可以得出两个通带所在的位置。其中，奇模与偶模的第一个谐振模式形成了位于2.45GHz的通带，偶模的第二个谐振模式之后将可以被用于形成一个位于5.2GHz通带。符合现代通信趋势的滤波器，使用多频带滤波器解决现在通信问题的一种较好的手段。本发明双频带滤波器能够很好地满足对不同通信标准下的信息传输，将工作在多种制式下的无线终端合并成一个终端设备，不仅节省了设备制作成本，从一定意义上说，它取代了两个滤波器所实现的功能，本身也是一种小型化的设计。 

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2，在本实施例中，一个弯成U形的半波长均匀阻抗微带线4被加设于双模滤波微带线3的底部。为了实现小型化，高性能，并且能够实现在两个通带内都实现双阶特性。在实施例一的基础上，一个被弯折成U型的半波长均匀阻抗微带线4被加在双模滤波微带线3的底部，在第二个通带引入另一个谐振频率点，从而使得第二个通带的从原本的一阶变为两阶，使两个通带都具有两阶特性。该均匀阻抗微带线4不仅实现了源与负载之间的耦合，均匀阻抗微带线4的长度还决定了在第二个通带内另外产生的一个谐振模式所在的频率点位置，从而使得该双频带微带滤波器能够在两个通带内都具有双阶特性并展宽通带的带宽，实现多个传输零点以增加阻带特性，使通带具有较好频率选择性。

实施例三：

本实施例与实施例一和实施例二基本相同，特别之处在于：

参见图3，本实施例的输入输出耦合臂2、6的自由端弯成L形，两个输入输出耦合臂2、6分别包绕双模滤波微带线3的左右两个下角，两个输入输出耦合臂2、6的自由端部之间在双模滤波微带线3的底部外侧形成间隙。在实施例二中，虽然两个通带内都具有两阶特性，但是两个通带之间的隔绝效果却还不理想。在本实施例中，通过增强源与负载的耦合，增加传输零点，来改善滤波器性能。如图3所示，可以看出，输入输出耦合臂2、6不仅与开路枝节耦合，还与双模滤波微带线3的底部靠近，使输入输出耦合臂2、6与双模滤波微带线3的耦合特性加强，这样，在强化源与负载的耦合之后，在阻带产生两个传输零点，性能大幅提高，大大改善了两个通带之间的阻带性能，并且可以实现对一个传输零点的频率位置的独立调节。

实施例四：

本实施例与实施例二和实施例三基本相同，特别之处在于：

参见图4，在本实施例中，一段均匀阻抗耦合线5被加载于双模滤波微带线3的底部和半波长均匀阻抗微带线4之间，半波长均匀阻抗微带线4的长度可调。通过在双模滤波微带线3与半波长均匀阻抗微带线4之间加入一条均匀阻抗耦合线5，改变均匀阻抗耦合线5的长度可以用于调节第二个传输零点的所在位置，可以对第二个传输零点进行调谐，从而可以在使用中让用户去选择所特别需要屏蔽的某个频带。

实施例五：

本实施例与实施例四基本相同，特别之处在于：

参见图5和图6，在本实施例中，频微带滤波器由PCB技术实现的三层结构：正面的金属微带线、中间的介质板层及输入输出端口、介质板材反面的金属镀层，其中PCB板材介电常数

为9.8，板材厚度为1.27mm。本实施例的结构参数示意图，经过设计、仿真和优化，滤波器的较优具体尺寸如下：

双模滤波微带线3的三段开路枝节皆具有两级宽度变化，其中两侧外侧的两段开路枝节以中间的开路枝节的中线为对称轴呈相互对称位置关系，中间的开路枝节的开放端线宽分别为W1=1.8mm和W4=1.2mm，中间的开路枝节的开放端线长分别为L1=5.2mm和L2=4.7mm，外侧开路枝节的开放端线宽分别为W2=0.9mm和W3=0.6mm，外侧开路枝节的开放端线长分别为L3=5.2mm和L4=3.7mm，靠近共同连接端的中间的开路枝节和外侧开路枝节的间隙距离L5=1.9mm；半波长均匀阻抗微带线4的线宽为W5=0.2mm，其U形微带线的左右两外侧线间宽度距离为L6=7.8mm，其U形微带线的高度距离为L7=1.95mm；均匀阻抗耦合线5的长度L=7mm。

并且在均匀阻抗耦合线5长度为7mm时，在第二个通带的右边也又引入一个传输零点，使得滤波器的性能更加出色。

从其频率响应结果图6来看，两个通带的中心频率位于2.45GHz和5.2GHz。在本实施例中，带宽会有所不同，通过改变半波长均匀阻抗微带线4的长度，可以改变第4个谐振点的位置，因此也会引起通带带宽的不同。

图6的频率响应结果表明：

1.在2.45GHz为中心频率的相对带宽为：28%，在5.2GHz为中心频率的相对带狂为：6.5%，带内插入损耗均小于1dB。

2.通过调节均匀阻抗耦合线5的长度L，可以非常方便地改变第二个传输零点的位置，从频率响应结果来看，随着长度L的增加，传输零点的位置会向低频处移动。

3.通带截止边沿陡峭，当L=7mm时，在2.94GHz, 3.52GHz, 4.98GHz and 6.36GHz这4处都有传输零点，很好地改善了滤波器的性能。

4.带内，带外性能良好，同时结构简单，易于加工。

在前述所有实施例中，双模滤波微带线3的三段开路枝节的宽度具有阶梯变化，各个开路枝节的宽度从其开放端向共同连接端逐渐变窄，并形成阶梯形。通过改变开路枝节的阻抗比，可以产生两个不同的中心频率，即根据调解阶跃阻抗比可以调节两个频率点所在的位置。

金属微带线和反面部分的金属镀层可以是导电性能较好的金属材料，如金、或银、或铜。中间层的介质板的介电常数可以是各种数值，因为介电常数与谐振器的长度的平方成反比，所以介电常数越高则对应滤波器的尺寸越小。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合小型化双模双频微带滤波器的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种小型化双模双频微带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层（8）和中间层的介质板（7），其特征在于：所述金属微带线由双模滤波微带线（3）和两个输入输出耦合臂（2、6）形成耦合微带线结构，所述双模滤波微带线（3）具有三段平行的具有阶梯阻抗的开路枝节，所述各段开路枝节具有分别的开放端和共同的连接端，所述各段开路枝节共同的连接端形成所述双模滤波微带线（3）的平直底部，其中位于外侧的两段开路枝节形成所述双模滤波微带线（3）的左右两个下角，使所述双模滤波微带线（3）形成山字形微带线结构，所述两个输入输出耦合臂（2、6）对称设置于所述双模滤波微带线（3）的两侧，所述两个输入输出耦合臂（2、6）分别与所述双模滤波微带线（3）的外侧的两段开路枝节耦合，所述两个输入输出耦合臂（2、6）分别与两个输入输出接口（1、5）电性连接。

2. 根据权利要求1所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：一个弯成U形的半波长均匀阻抗微带线（4）被加设于所述双模滤波微带线（3）的底部。

3. 根据权利要求2所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：所述输入输出耦合臂（2、6）的自由端弯成L形，两个所述输入输出耦合臂（2、6）分别包绕所述双模滤波微带线（3）的左右两个下角，两个所述输入输出耦合臂（2、6）的自由端部之间在所述双模滤波微带线（3）的底部外侧形成间隙。

4. 根据权利要求2或3所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：一段均匀阻抗耦合线（5）被加载于所述双模滤波微带线（3）的底部和所述半波长均匀阻抗微带线（4）之间，所述半波长均匀阻抗微带线（4）的长度可调。

5. 根据权利要求1～3中任一项所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：所述双模滤波微带线（3）的三段开路枝节的宽度具有阶梯变化，各个所述开路枝节的宽度从其开放端向共同连接端逐渐变窄，并形成阶梯形。

6. 根据权利要求4所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：所述双模滤波微带线（3）的三段开路枝节的宽度具有阶梯变化，各个所述开路枝节的宽度从其开放端向共同连接端逐渐变窄，并形成阶梯形。

7. 根据权利要求6所述的小型化双模双频微带滤波器，其特征在于：所述介质板（7）为介电常数                                               

=9.8的介质板，所述介质板（7）的厚度h =1.27mm；所述双模滤波微带线（3）的三段开路枝节皆具有两级宽度变化，其中外侧的两段开路枝节以中间的开路枝节的中线为对称轴呈相互对称位置关系，中间的开路枝节的开放端线宽分别为W1=1.8mm和W4=1.2mm，中间的开路枝节的开放端线长分别为L1=5.2mm和L2=4.7mm，外侧开路枝节的开放端线宽分别为W2=0.9mm和W3=0.6mm，外侧开路枝节的开放端线长分别为L3=5.2mm和L4=3.7mm，靠近共同连接端的中间的开路枝节和外侧开路枝节的间隙距离L5=1.9mm；所述半波长均匀阻抗微带线（4）的线宽为W5=0.2mm，其U形微带线的左右两外侧线间宽度距离为L6=7.8mm，其U形微带线的高度距离为L7=1.95mm；所述均匀阻抗耦合线（5）的长度L=7mm。

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