CN102509821B - 基于电容加载方形谐振环的双模双通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容加载方形谐振环的双模双通带滤波器，主要解决传统双通带滤波器带外抑制差，腔间耦合难以控制的问题。该滤波器包括微带介质基板(11)，金属接地板(12)，两个相同的电容加载方形谐振环(13)，微扰金属片(16)和一对输入输出馈线(17)。电容加载方形谐振环(13)之间采用对称的级联方式，每一个电容加载方形谐振环包括一个方形金属环(14)，和四个加载金属片，一对输入输出馈线(17)采用对称的分布方式，相互平行放置在微带介质基板(11)的上方，深入到方形谐振环(13)内部进行馈电。本发明能改善带外传输特性，控制腔间耦合强度，实现非常对称的双通带频率响应，可用于无线通信系统。

Description

基于电容加载方形谐振环的双模双通带滤波器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及微带双模双通带滤波器，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。同时，由于小型化，集成化的需求，双带滤波器的发展越来越迫切，一个滤波器能同时满足两个频带的要求，能够减少滤波器的个数，对于设备的小型化具有不可替代的作用。基于以上特性的双模双带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。

2007年，Xiu Yin Zhang and Quan Xue在IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques期刊(vol.55，no.10，pp.2183-2190，2007)上发表了“Novel Dual-ModeDual-Band Filters Using Coplanar-Waveguide-Fed Ring Resonators”，提出将两个具有不同频带的方形双模滤波器嵌套，从而实现双带特性的滤波器。但是由于嵌套环的结构缺陷，这种滤波器的腔间耦合和外部耦合都难以控制，要采用CPW馈线；同时，由于一个谐振环只能实现一个通带，因此它的实现方式仅仅是两个单通带滤波器的组合，频率选择性不够理想。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，在双模原理的基础上，提出一种基于电容加载方形谐振环的双模双通带滤波器，使谐振环谐振在两个通带上，以获得更加对称的两个通带和更好的频率选择性，并在两个频带上控制腔间耦合强度和外部耦合强度。

为实现上述目的，本发明提出如下两种技术方案：

技术方案1：

一种直接耦合型双模双通带滤波器，包括微带介质基板11，金属接地板12，两个相同的电容加载方形谐振环13，微扰金属片16和一对输入输出馈线17，其特征在于：

两个相同的电容加载方形谐振环13之间采用对称的级联方式，每一个电容加载方形谐振环包括一个方形金属环14，和四个分别位于方形金属环四个角上的加载金属片15；

微扰金属片16的尺寸d满足a/3≤d＜a，其中a为方形金属环14的边长；

一对输入输出馈线17采用对称的分布方式，相互平行放置在微带介质基板11的上方，这一对输入输出馈线均采用“干”字型结构，每条馈线包含主馈线170和主馈线末端的两个平行枝节171和172，这两个平行枝节深入到电容加载方形谐振环13的内部，分别与方形金属环14和加载金属片15的边缘平行。

所述的位于方形金属环四个角上的加载金属片15采用箭头形的结构，箭头的两条棱151和152相互垂直，分别与方形金属环14的两条边平行。

所述的主馈线170包含两段相互垂直连接的微带线1701和1702，构成“L”型结构。

所述的主馈线170进一步采用源负载耦合主馈线270的结构，它包含四段依次垂直连接的微带线2701，2702，2703和2704。

技术方案2

一种共面波导馈电的双模双通带滤波器，包括微带介质基板31，金属接地板32，两个相同的电容加载的方形谐振环33，微扰金属片36和一对输入输出共面波导馈线37，其特征在于：

两个相同的电容加载方形谐振环之间采用对称的级联方式，每一个电容加载方形谐振环包括一个方形金属环34和四个分别位于方形金属环四个角上的加载金属片35；

两个相同的电容加载方形谐振环之间设有耦合线39，用于调节方形谐振环的腔间耦合强度；

微扰金属片36的尺寸d满足a/3≤d＜a，其中a为方形金属环34的边长；

金属接地板32上蚀刻有折线沟槽38，该折线沟槽38与介质基板31边缘所包围的金属板构成输入输出“T”型共面波导馈线37。

所述的耦合线39与电容加载方形谐振环33的边缘平行，它的两端深入到电容加载方形谐振环的内部。

所述的“T”型共面波导馈线37位于电容加载方形谐振环33的下方，进行耦合馈电。

所述的“T”型共面波导馈线37的末端包含两个枝节371和372，这两个枝节的宽度和长度大小不同。

本发明具有以下技术优点：

1.本发明由于在电容加载方形谐振环的四个角上设置了加载金属片，可有效增加谐振电路电容，降低谐振频率，缩小滤波器的尺寸。

2.本发明由于在电容加载方形谐振环中运用了的尺寸为d的方形微扰金属片，突破了传统双模理论的限制，使分裂的模式位于两个谐振频带内，有效的形成了双带。

4.本发明由于对称的排布了两个电容加载方形谐振环，有效的排除了两对模式在腔间耦合时的相互干扰，使两个频带内腔间耦合均可以实现控制。

5.本发明由于采用了“干”字型的输入输出馈线结构，使馈电耦合区域变大，耦合强度加强，有效的增大了带宽，降低了插入损耗。

6.本发明由于采用了共面波导馈电，有效克服了传统双模滤波器缝隙耦合时外部耦合系数过大的缺点，极大的增加了带宽，扩展了设计自由度。

7.本发明由于在共面波导馈线的末端设置了两段不同大小的枝节，使两个频带内的外部耦合系数均可以控制。

附图说明

图1为本发明技术方案1的实施例1的结构图；

图2为图1中馈线的结构放大图；

图3为本发明技术方案1的实施例2的结构图；

图4为图3中馈线的结构放大图；

图5为本发明技术方案2的结构图；

图6为图5中接地板的结构图；

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。

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，本发明主要由微带介质基板11、两个相同的电容加载方形谐振环13和一对输入输出“干”字型馈线17组成。其中：

微带介质基板11的下层为覆铜接地板12，两个相同的电容加载方形谐振环13位于微带介质基板11的上层，每个电容加载方形谐振环13由方形金属环14、四个加载金属片15和方形微扰金属片16组成，微扰金属片16位于方形金属环14的内部，四个加载金属片15采用箭头形的结构，箭头的两条棱151和152相互垂直，分别与方形金属环14的两条边平行，这四个加载金属片15分别位于方形金属环14的四个角上，充当了电容器的作用，能够有效的降低谐振频率，减小滤波器尺寸。微扰金属片16的尺寸d＝12.5mm，方形金属环的尺寸a＝15mm，由于该微扰金属片的尺寸相对于方形金属环14的尺寸在范围a/3≤d＜a之内，使得分裂的两个模式位于两个频带内，这两个频带的中心频率分别为f₁＝1.8GHz和f₂＝2.36GHz处。两个电容加载方形谐振环13采用了对称的级联方式，以使分别位于两个频带内的两对模式可以相互独立的进行耦合，形成双带滤波器。两个相同的电容加载方形谐振环之间的距离与腔间的耦合强度成反比。

一对输入输出“干”字型馈线的结构相同，如图2所示，每条馈线包含主馈线170和两个平行枝节171和172，这两个枝节与电容加载方形谐振环13的边缘平行，深入到该电容加载方形谐振环的内部进行馈电，这样能有效的增加耦合面积，增大外部耦合强度。其中主馈线170包含两段相互垂直连接的微带线1701和1702，构成“L”型结构。

本实施例滤波器的频率响应曲线如图7所示，图7中的S21为滤波器的传输特性曲线，S11为滤波器的反射特性曲线。由图7可知，该滤波器具有较好的带外抑制和通带隔离度，并且具有非常对称的双频带响应，中心频率分别为1.8GHz和2.36GHz，两个通带均具有40MHz的绝对带宽，相对带宽分别为2.22％和1.07％。

实施例2

参照图3，本发明主要由微带介质基板21、两个相同的电容加载方形谐振环23和一对输入输出“干”字型馈线27组成。其中：

微带介质基板21的下层为覆铜接地板22，两个相同的电容加载方形谐振环23位于微带介质基板21的上层，每个电容加载方形谐振环23由方形金属环24、四个加载金属片25和方形微扰金属片26组成，微扰金属片26位于方形金属环24的内部，四个加载金属片25采用箭头形的结构，箭头的两条棱251和252相互垂直，分别与方形金属环24的两条边平行，这四个加载金属片25分别位于方形金属环24的四个角上，充当了电容器的作用，能够有效的降低谐振频率，减小滤波器尺寸。微扰金属片26的尺寸d＝7.5mm，方形金属环的尺寸a＝15mm，由于该微扰金属片的尺寸相对于方形金属环24的尺寸在范围a/3≤d＜a之内，使得分裂的两个模式位于两个频带内，这两个频带的中心频率分别为f₁＝1.75GHz和f₂＝2.02GHz处。两个电容加载方形谐振环23采用了对称的级联方式，以使分别位于两个频带内的两对模式可以相互独立的进行耦合，形成双带滤波器。两个相同的电容加载方形谐振环之间的距离与腔间的耦合强度成反比。

一对输入输出“干”字型馈线的结构相同，如图4所示，每条馈线包含主馈线270和两个平行枝节271和272，这两个枝节与电容加载方形谐振环23的边缘平行，深入到该电容加载方形谐振环的内部进行馈电，这样能有效的增加耦合面积，增大外部耦合强度。主馈线270包含四段微带线2701、2702、2703和2704，这四段微带线依次垂直连接，构成曲折馈线结构，引起源和负载信号的相互耦合，产生带外传输零点，改善带外传输特性，增强滤波器的频率选择性。

本实施例滤波器的频率响应曲线如图8所示，图8中S21为滤波器的传输特性曲线，S11为滤波器的反射特性曲线。由图8可知，由于源和负载耦合的引入，带外产生了3个传输零点，分别为1.67GHz，2.14GHz和2.46GHz，较之实施例1，两个通带间的隔离度变大，带外衰减变快。两个通带的中心频率分别为1.75GHz和2.02GHz，两个通带均具有40MHz的绝对带宽，相对带宽分别为2.28％和1.98％。

实施例3

参照图5，本发明主要由微带介质基板31、两个相同的电容加载方形谐振环33和一对输入输出共面波导馈线37组成。其中：

微带介质基板3 1的下层为覆铜接地板32，两个相同的电容加载方形谐振环33位于微带介质基板31的上层，每个电容加载方形谐振环33由方形金属环34、四个加载金属片35和方形微扰金属片36组成，微扰金属片36位于方形金属环34的内部，四个加载金属片35采用箭头形的结构，分别位于方形金属环34的四个角上，这四个加载金属片充当了电容器的作用，能够有效的降低谐振频率，减小滤波器尺寸。微扰金属片36的尺寸d＝12.5mm，方形金属环的尺寸a＝15mm，由于该微扰金属片的尺寸相对于方形金属环34的尺寸在范围a/3≤d＜a之内，使得分裂的两个模式位于两个频带内。两个电容加载方形谐振环33采用了对称的级联方式，以使分别位于两个频带内的两对模式可以相互独立的进行耦合，形成双带滤波器。两个相同的电容加载方形谐振环之间的距离与腔间的耦合强度成反比。两个电容加载方形谐振环33之间设有耦合线39，它的两端分别深入到这两个电容加载方形谐振环33的内部，用于控制单一频带内的腔间耦合系数。

金属接地板32上蚀刻有折线沟槽38，如图6所示，该折线沟槽38与介质基板31边缘所包围的金属板构成输入输出“T”型共面波导馈线37。

本实施例滤波器的频率响应曲线如图9所示，图9中S21为滤波器的传输特性曲线，S11为滤波器的反射特性曲线。由图9可知，该滤波器具有非常对称的双频带响应，中心频率分别为2.0GHz和2.76GHz，两个通带均具有150MHz的绝对带宽，相对带宽分别为7.5％和5.43％。由图9可知，由于共面波导馈线的引入，增大了外部耦合系数的范围，非常有效的增加了带宽，提高了设计自由度。

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 (8)

1.一种直接耦合型双模双通带滤波器，包括微带介质基板(11)，金属接地板(12)，两个相同的电容加载方形谐振环(13)，微扰金属片(16)和一对输入输出馈线(17)，其特征在于：

两个相同的电容加载方形谐振环(13)之间采用对称的级联方式，每一个电容加载方形谐振环包括一个方形金属环(14)，和四个分别位于方形金属环四个角上的加载金属片(15)；

微扰金属片(16)采用方形结构，它位于方形金属环(14)的内部，该方形微扰金属片(16)的边长d满足a/3≤d＜a，其中a为方形金属环(14)的边长；

一对输入输出馈线(17)采用对称的分布方式，相互平行放置在微带介质基板(11)的上方，这一对输入输出馈线均采用“干”字型结构，每条馈线包含主馈线(170)和主馈线末端的第一平行枝节(171)和第二平行枝节(172)，第一平行枝节(171)位于电容加载方形谐振环(13)的外部，第二平行枝节(172)位于电容加载方形谐振环(13)的内部，这两个平行枝节均与方形金属环(14)和加载金属片(15)的边缘平行。

2.根据权利要求1所述的直接耦合型双模双通带滤波器，其特征在于，位于方形金属环四个角上的加载金属片(15)采用箭头形的结构，箭头的两条棱(151，152)相互垂直，分别与方形金属环(14)的两条边平行。

3.根据权利要求1所述的直接耦合型双模双通带滤波器，其特征在于，主馈线(170)包含两段相互垂直连接的微带线(1701，1702)，构成“L”型结构。

4.根据权利要求1所述的直接耦合型双模双通带滤波器，其特征在于，主馈线(170)进一步采用源负载耦合主馈线(270)的结构，它包含四段依次垂直连接的微带线(2701，2702，2703，2704)。

5.一种共面波导馈电的双模双通带滤波器，包括微带介质基板(31)，金属接地板(32)，两个相同的电容加载方形谐振环(33)，方形微扰金属片(36)和一对输入输出共面波导馈线(37)，其特征在于：

两个相同的电容加载方形谐振环(33)之间采用对称的级联方式，每一个电容加载方形谐振环包括一个方形金属环(34)和四个分别位于方形金属环四个角上的加载金属片(35)；

两个相同的电容加载方形谐振环之间设有耦合线(39)，用于调节方形谐振环的腔间耦合强度；

方形微扰金属片(36)位于方形金属环(34)的内部，该方形微扰金属片(36)的边长d满足a/3≤d＜a，其中a为方形金属环(34)的边长；

金属接地板(32)上蚀刻有折线沟槽(38)，该折线沟槽(38)以及其包围的金属板构成输入输出“T”型共面波导馈线(37)。

6.根据权利要求5所述的共面波导馈电的双模双通带滤波器，其特征在于，耦合线(39)与电容加载方形谐振环(33)的边缘平行，它的两端深入到电容加载方形谐振环的内部。

7.根据权利要求5所述的共面波导馈电的双模双通带滤波器，其特征在于，“T”型共面波导馈线(37)位于微带介质基板(31)的下表面，电容加载方形谐振环(33)位于微带介质基板(31)的上表面，进行耦合馈电。

8.根据权利要求5所述的共面波导馈电的双模双通带滤波器，其特征在于，“T”型共面波导馈线(37)的末端包含两个枝节(371，372)，这两个枝节的宽度和长度大小不同。

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