CN102394328A - 基于dgs方环谐振器的微带双模带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，主要解决传统微带双模滤波器带宽较窄、传输零点不易控制的问题。该滤波器包括一对输入输出“T”形馈线(11)，微带介质基板(12)和方环双模谐振器(18)。微带介质基板(12)下方的金属接地板(13)上刻蚀有方环(14)，该方环的四条边中部各刻蚀一个阶梯阻抗枝节(15)，方环的四个角内各刻蚀一个贴片(16)，形成DGS方环双模谐振器(18)。一对输入输出“T”形馈线(11)相互垂直放置在微带介质基板上方，平行伸入到谐振器内部进行馈电。本发明能增强外部耦合，扩展带宽，实现对称或不对称的高抑制带通滤波器频率响应，可用于无线通信系统。

Description

基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器

技术领域

本发明属于微带器件，涉及微带双模带通滤波器，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

随着移动通信、卫星通信和雷达、遥感技术的迅猛发展，无线频谱日益拥挤，对通信系统中的射频微波滤波器提出了十分苛刻的要求。微带滤波器具有尺寸小、重量轻、成本低、易加工的优点，在微波电路中得以广泛应用。微带滤波器的种类和实现形式多种多样，小型化高性能微带滤波器的研究一直是个热门领域。传统的滤波器形式如巴特沃兹和切比雪夫滤波器只有通过增加滤波器级数才能满足高选择性要求，加工出来的滤波器体积和重量相对较大，不适合现代通讯的需求。椭圆函数或交叉耦合滤波器虽然具有很好的选择性，但是结构相对复杂，体积也较大。

双模谐振器因为尺寸小、重量轻、成本低等优良特性，越来越多地应用于无线通信系统高性能滤波器设计中。双模滤波器是微波滤波器产业中一项新兴的技术，它的优势在于：每个双模谐振器都可以作为一个双调谐的谐振电路，所以对于同一个性能指标的滤波器来说，所需要的谐振器的数目就减半，这样就可以使滤波器的结构更紧凑，尺寸更小巧。而且通过在谐振腔内引入两种模式的耦合，可以在阻带产生传输零点，由此满足小尺寸和高选择性的需求。基于以上特性的双模滤波器综合理论和设计技术近年来在国内外得到广泛研究。

2004年，Adnan Gorur在IEEE Microwave and Wireless Component Letters期刊(vol.14，no.3，pp.118-120，2004)上发表了“Realization of a Dual-Mode Bandpass FilterExhibiting Either a Chebyshev or an Elliptic Characteristic by Changing Perturbation’sSize”，提出一种在传统微带环谐振器的四角加载方形贴片或切角的新型双模滤波器，改变微扰单元尺寸增加或减少传输零点实现切比雪夫或椭圆函数滤波器响应。但是该技术仅适用于对称频率响应的情形，而且这种采用微带馈线缝隙耦合的微带方环谐振器不容易实现较强的外部耦合，从而带宽受到限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于缺陷地面结构DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，以灵活控制带外传输零点的个数和位置，实现对称或不对称的高抑制带通频率响应，增强外部耦合，扩展带宽。

为实现上述目的，本发明提出如下三种技术方案：

技术方案1：

一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线，微带介质基板和方环双模谐振器，其特征在于，在微带介质基板下方的金属接地板上刻蚀有方环，该方环的四条边中部各刻蚀一个方形阶梯阻抗枝节，方环的四个角内各刻蚀一个方形贴片，形成方形贴片加载的DGS方环双模谐振器；一对输入输出“T”形馈线相互垂直放置在微带介质基板上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器的内部进行馈电。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，方环的周长

其中，λ_g为介质波导波长，c为真空中的光速，ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，f₀为方环谐振频率，L₁为方环的边长；方环的宽度w₁满足0.2mm-L₁/10。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，方形阶梯阻抗枝节由宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和宽度为w₅、长度为L₅的方形贴片级联组成，总长度L₂+L₅满足0＜(L₂+L₅)＜(L₁/2-w₁-w₅)；宽度满足0＜w₂＜w₅＜L₁/3。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，四个方形贴片大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-w₅)，0＜p＜(L₁/2-w₁-w₅)，p≠r。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，一对输入输出“T”形馈线由两条垂直的微带线构成，一条是端口连接馈线，宽度为w_50Ω-6w₁；另一条是与方环平行的耦合馈线，长度L₃满足6w₁＜L₃＜L₁，宽度w₃满足0＜w₃＜5w₁，其中w_50Ω为50欧姆微带线宽度，w₁为方环的宽度。

技术方案2：

一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线，微带介质基板和方环双模谐振器，其特征在于，在微带介质基板下方的金属接地板上刻蚀有方环，该方环的四条边中部各刻蚀一个三角形阶梯阻抗枝节，方环的四个角内各刻蚀一个三角形贴片，形成三角形贴片加载的DGS方环双模谐振器；一对输入输出“T”形馈线相互垂直放置在微带介质基板上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器的内部进行馈电。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，三角形阶梯阻抗枝节由一个宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和底边长为L₆、高度为h₆的三角形贴片级联而成，总长度L₂+h₆满足0＜(L₂+h₆)＜(L₁/2-w₁-L₆)，宽度满足0＜w₂＜L₆＜L₁/2，其中L₁为方环的边长，w₁为方环的宽度；四个三角形贴片大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-L₆)，0＜p＜(L₁/2-w₁-L₆)，p≠r。

技术方案3：

一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线，微带介质基板和方环双模谐振器，其特征在于，在微带介质基板下方的金属接地板上刻蚀有方环，该方环的四条边中部各刻蚀一个扇形阶梯阻抗枝节，方环的四个角内各刻蚀一个扇形贴片，形成扇形贴片加载的DGS方环双模谐振器；一对输入输出“T”形馈线相互垂直放置在微带介质基板上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器的内部进行馈电。

所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，扇形阶梯阻抗枝节由一个宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和一个直径为d₁的扇形贴片级联而成，总长度L₂+d₁/2满足0＜(L₂+d₁/2)＜(L₁/2-w₁-d₁)，宽度满足0＜w₂＜d₁＜L₁/2，其中L₁为方环的边长，w₁为方环的宽度；四个扇形贴片大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-d₁)，0＜p＜(L₁/2-w₁-d₁)，p≠r。

本发明具有以下技术优点：

1.本发明由于在微带金属接地板上刻蚀方环，在方环的四条边中部各刻蚀一个阶梯阻抗枝节，可降低谐振频率，减小滤波器尺寸，并使谐波得到抑制，增加阻带带宽。

2.本发明由于在方环的四个角内各刻蚀一个贴片，包括三个参考贴片和一个大小不同的微扰贴片，实现两种简并模式的分裂和耦合，并可通过调整微扰贴片和参考贴片的尺寸大小，控制滤波器带外传输零点的个数。

3.本发明由于将输入输出“T”形馈线平行伸入到DGS方环谐振器内部上方，调节馈线的长度、宽度以及与方环的相对距离，可以获得较强的外部耦合，扩展带宽。

4.本发明通过调整两条输入输出“T”形馈线的相对位置，可以控制源和负载的耦合强度，即在相互靠近时，传输零点移到通带右侧，实现不对称的单边高抑制滤波器频率响应，在相互远离时，传输零点位于通带两侧，实现对称的双边抑制滤波器频率响应。

附图说明

图1为本发明技术方案1的三维结构示意图；

图2为本发明技术方案2的三维结构示意图；

图3为本发明技术方案3的三维结构示意图；

图4为图1的俯视图；

图5为图2的俯视图；

图6为图3的俯视图；

图7为本发明实施例1的频率响应曲线图；

图8为本发明实施例2的频率响应曲线图；

图9为本发明实施例3的频率响应曲线图；

图10为本发明实施例4的频率响应曲线图；

图11为本发明实施例5的频率响应曲线图；

图12为本发明实施例6的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

实施例1

参照图1和图4，本发明主要由一对输入输出“T”形馈线11、微带介质基板12和DGS方环谐振器18组成。其中：

微带介质基板12，采用介电常数为9.6，板厚为0.8mm的双面覆铜介质基板。

DGS方环谐振器18，刻蚀在微带介质基板12下方的金属接地板13上，由方环14、四个方形阶梯阻抗枝节15和四个方形贴片16组成。方环24的边长L₁＝10mm，等于四分之一的波导波长，对应的谐振频率

ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，方环24的宽度w₂＝0.5mm；四个方形阶梯阻抗枝节15刻蚀在方环14的四条边中部，由长度L₂＝2mm、宽度w₄＝0.2mm的条形枝节和长度L₅＝1mm、宽度w₅＝1mm的方形贴片级联而成，用于降低谐振频率和抑制谐波；四个方形贴片16刻蚀在方环14的四个角内，且距离输入输出“T”形馈线11最远处的方形贴片作为微扰贴片17，该微扰贴片的边长p＝0.95mm，其余三个方形贴片作为参考贴片，该参考贴片的边长r＝1mm。通过两种贴片的不同尺寸，实现两种简并模式的分裂和耦合，并产生一对传输零点。

一对输入输出“T”形馈线11，位于微带介质基板12上方，由相互垂直的端口连接馈线111和耦合馈线112级联而成。端口连接馈线111用于端口匹配和焊接，其宽度w＝2.7mm；耦合馈线112与方环14平行，其长度L₃＝7mm，宽度w₃＝2.2mm，该耦合馈线伸入方环14内部，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝1.4mm，从而实现较强的外部耦合。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线11之间距离较近，具有较强的源和负载耦合，左边传输零点移到通带右侧，实现了非对称的滤波器频率响应，如图7所示，图7中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图7可知，该滤波器具有非对称的带通频率响应，中心频率为3.34GHz，相对带宽为5.7％，通带左侧无传输零点，在通带右侧3.71GHz和3.96GHz处出现两个传输零点，从而在阻带高端具有较高的带外抑制特性。

实施例2

参照图1和图4，本实施例除以下特征外其他特征同实施例1：微扰贴片17边长p＝0.1mm，参考贴片边长r＝1.7mm，端口连接馈线111宽度w＝0.8mm，耦合馈线112长度L₃＝7mm，宽度w₃＝1mm，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝0.5mm。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线11之间距离较远，源和负载耦合很弱，在通带两侧各存在一个传输零点，实现了对称的滤波器频率响应，如图8所示，图8中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图8可知，该滤波器具有对称的带通频率响应，中心频率为3.8GHz，相对带宽为5.5％，通带左侧3.36GHz和通带右侧4.56GHz位置处各出现一个传输零点，从而在阻带两侧具有平衡的带外抑制特性。

实施例3

参照图2和图5，本发明主要由一对输入输出“T”形馈线21、微带介质基板22和DGS方环谐振器28组成。其中：

微带介质基板22，采用介电常数为9.6，板厚为0.8mm的双面覆铜介质基板。

DGS方环谐振器28，刻蚀在微带介质基板22下方的金属接地板23上，由方环24、四个三角形阶梯阻抗枝节25和四个三角形贴片26组成。方环24的边长L₁＝10mm，等于四分之一的波导波长，对应的谐振频率

ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，方环24的宽度w₁＝1mm；四个三角形阶梯阻抗枝节25刻蚀在方环24的四条边中部，由长度L₂＝1mm、宽度w₂＝0.2mm的条形枝节和底边长L₆＝2mm、高度h₆＝2mm的三角形贴片级联而成，用于降低谐振频率和抑制谐波；四个正三角形贴片26刻蚀在方环24的四个角内，且距离输入输出“T”形馈线21最远处的三角形贴片作为微扰贴片27，边长p＝0.5mm，其余三个三角形贴片作为参考贴片，边长r＝1.4mm。通过这两种贴片的不同尺寸，实现两种简并模式的分裂和耦合，并产生一对传输零点。

一对输入输出“T”形馈线21，位于微带介质基板22上方，由相互垂直的端口连接馈线211和耦合馈线212级联而成。端口连接馈线211宽度w＝2.7mm，用于端口匹配和焊接；耦合馈线212与方环24平行，长度L₃＝7mm，宽度w₃＝2.2mm，该耦合馈线伸入方环14内部，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝1.6mm，从而得到较强的外部耦合。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线21之间距离较近，具有较强的源和负载耦合，左边传输零点移到通带右侧，实现了非对称的滤波器频率响应，如图9所示，图9中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图9可知，该滤波器具有非对称的带通频率响应，中心频率为3.5GHz，相对带宽7.7％，通带左侧无传输零点，在通带右侧3.95GHz和4.60GHz处出现两个传输零点，从而在阻带高端具有较高的带外抑制特性。

实施例4

参照图2和图5，本实施例除以下特征外其他特征同实施例3：方环24的边长L₁＝8mm，等于四分之一的波导波长，对应的谐振频率

ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，方环24的宽度w₁＝0.2mm，三角形阶梯阻抗枝节25由长度L₂＝1mm、宽度w₂＝0.2mm的条形枝节和底边长L₆＝4mm、高度h₆＝4mm的三角形贴片级联而成，微扰贴片27边长p＝0.5mm，参考贴片边长r＝0.9mm，端口连接馈线211宽度w＝0.8mm，耦合馈线212长度L₃＝7mm，宽度w₃＝1mm，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝0.8mm。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线21之间距离较远，源和负载耦合很弱，在通带两侧各存在一个传输零点，实现了对称的滤波器频率响应，如图10所示，图10中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图10可知，该滤波器具有对称的带通频率响应，中心频率为3.3GHz，相对带宽为5.8％，通带左侧2.90GHz和通带右侧3.84GHz位置处各出现一个传输零点，从而在阻带两侧具有平衡的带外抑制特性。

实施例5

参照图3和图6，本发明主要由一对输入输出“T”形馈线31、微带介质基板32和DGS方环谐振器38组成。其中：

微带介质基板32，采用介电常数为9.6，板厚为0.8mm的双面覆铜介质基板。

DGS方环谐振器38，刻蚀在微带介质基板32下方的金属接地板33上，由方环34、四个扇形阶梯阻抗枝节35和四个扇形贴片36组成。方环34的边长L₁＝13mm，等于四分之一的波导波长，对应的谐振频率

ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，方环34的宽度w₁＝0.5mm；四个扇形阶梯阻抗枝节35刻蚀在方环34的四条边中部，由长度L₂＝3mm、宽度w₂＝0.2mm的条形枝节和直径d₁＝2mm的扇形贴片级联而成，用于降低谐振频率和抑制谐波；四个扇形贴片36刻蚀在方环34的四个角内，且距离输入输出“T”形馈线31最远处的扇形贴片作为微扰贴片37，边长p＝1.6mm，其余三个扇形贴片作为参考贴片，边长r＝1.4mm。通过这两种贴片的不同尺寸，实现两种简并模式的分裂和耦合，并产生一对传输零点。

一对输入输出“T”形馈线31，位于微带介质基板32上方，由相互垂直的端口连接馈线311和耦合馈线312级联而成。端口连接馈线311宽度w＝2.7mm，用于端口匹配和焊接；耦合馈线312与方环34平行，长度L₃＝9mm，宽度w₃＝2.2mm，该耦合馈线伸入方环34内部，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝1.6mm，从而得到较强的外部耦合。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线31之间距离较近，具有较强的源和负载耦合，左边传输零点移到通带右侧，实现了非对称的滤波器频率响应，如图11所示，图11中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图11可知，该滤波器具有非对称的带通频率响应，中心频率为2.48GHz，相对带宽为4.8％，通带左侧无传输零点，在通带右侧2.83GHz和2.90GHz处出现两个传输零点，从而在阻带高端具有较高的带外抑制特性。

实施例6

参照图3和图6，本实施例除以下特征外其他特征同实施例5：方环34的宽度w₁＝0.2mm，微扰贴片37边长p＝0.5mm，参考贴片边长r＝1.5mm，端口连接馈线311宽度w＝0.8mm，耦合馈线312长度L₃＝9mm，宽度w₃＝1mm，耦合馈线内侧与方环外侧的相对距离d＝1mm。

本发明由于两条输入输出“T”形馈线31之间距离较远，源和负载耦合很弱，在通带两侧各存在一个传输零点，实现了对称的滤波器频率响应，如图12所示，图12中|S₂₁|为滤波器的传输特性曲线，|S₁₁|为滤波器1端口的反射特性曲线。由图12可知，该滤波器具有对称的带通频率响应，中心频率为2.35GHz，相对带宽为9.8％，通带左侧1.90GHz和通带右侧2.96GHz位置处各出现一个传输零点，从而在阻带两侧具有平衡的带外抑制特性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线(11)，微带介质基板(12)和方环双模谐振器(18)，其特征在于，在微带介质基板(12)下方的金属接地板(13)上刻蚀有方环(14)，该方环的四条边中部各刻蚀一个方形阶梯阻抗枝节(15)，方环的四个角内各刻蚀一个方形贴片(16)，形成方形贴片加载的DGS方环双模谐振器(18)；一对输入输出“T”形馈线(11)相互垂直放置在微带介质基板(12)上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器(18)的内部进行馈电。

2.根据权利要求1所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，方环(14)的周长

其中，λ_g为介质波导波长，c为真空中的光速，ε_e为该缝隙微带线的有效介电常数，f₀为方环谐振频率，L₁为方环的边长；方环(14)的宽度w₁满足0.2mm-L₁/10。

3.根据权利要求1所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，方形阶梯阻抗枝节(15)由宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和宽度为w₅、长度为L₅的方形贴片级联组成，总长度L₂+L₅满足0＜(L₂+L₅)＜(L₁/2-w₁-w₅)；宽度满足0＜w₂＜w₅＜L₁/3。

4.根据权利要求1所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，四个方形贴片(16)大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片(17)，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-w₅)，0＜p＜(L₁/2-w₁-w₅)，p≠r。

5.根据权利要求1所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，一对输入输出“T”形馈线由两条垂直的微带线构成，一条是端口连接馈线，宽度为w_50Ω-6w₁；另一条是与方环平行的耦合馈线，长度L₃满足6w₁＜L₃＜L₁，宽度w₃满足0＜w₃＜5w₁，其中w_50Ω为50欧姆微带线宽度，w₁为方环的宽度。

6.一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线(21)，微带介质基板(22)和方环双模谐振器(28)，其特征在于，在微带介质基板(22)下方的金属接地板(23)上刻蚀有方环(24)，该方环的四条边中部各刻蚀一个三角形阶梯阻抗枝节(25)，方环的四个角内各刻蚀一个三角形贴片(26)，形成三角形贴片加载的DGS方环双模谐振器(28)；一对输入输出“T”形馈线(21)相互垂直放置在微带介质基板(22)上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器(28)的内部进行馈电。

7.根据权利要求6所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，三角形阶梯阻抗枝节(25)由一个宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和底边长为L₆、高度为h₆的三角形贴片级联而成，总长度L₂+h₆满足0＜(L₂+h₆)＜(L₁/2-w₁-L₆)，宽度满足0＜w₂＜L₆＜L₁/2，其中L₁为方环的边长，w₁为方环的宽度；四个三角形贴片(26)大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片(17)，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-L₆)，0＜p＜(L₁/2-w₁-L₆)，p≠r。

8.一种基于DGS方环谐振器的微带双模带通滤波器，包括一对输入输出“T”形馈线(31)，微带介质基板(32)和方环双模谐振器(38)，其特征在于，在微带介质基板(32)下方的金属接地板(33)上刻蚀有方环(34)，该方环的四条边中部各刻蚀一个扇形阶梯阻抗枝节(35)，方环的四个角内各刻蚀一个扇形贴片(36)，形成扇形贴片加载的DGS方环双模谐振器(38)；一对输入输出“T”形馈线(31)相互垂直放置在微带介质基板(32)上方，平行伸入到所述DGS方环双模谐振器(38)的内部进行馈电。

9.根据权利要求8所述的微带双模带通滤波器，其特征在于，扇形阶梯阻抗枝节(35)由一个宽度为w₂、长度为L₂的条形枝节和一个直径为d₁的扇形贴片级联而成，总长度L₂+d₁/2满足0＜(L₂+d₁/2)＜(L₁/2-w₁-d₁)，宽度满足0＜w₂＜d₁＜L₁/2，其中L₁为方环的边长，w₁为方环的宽度；四个扇形贴片(36)大小不同，且距离输入输出“T”形馈线最远处的方形贴片是边长为p的微扰贴片(17)，其余三个是边长为r的参考贴片，满足0＜r＜(L₁/2-w₁-d₁)，0＜p＜(L₁/2-w₁-d₁)，p≠r。

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