CN102593568A - 一种微带阶跃阻抗谐振器及微带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带阶跃阻抗谐振器及微带滤波器，其中微带阶跃阻抗谐振器具有非对称结构，由一非均匀线宽微带线构成，所述非均匀线宽微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽；微带滤波器由本发明中的阶跃阻抗谐振器组成。本发明有效提高了滤波器的性能，使得谐振器之间的耦合方式更加灵活。

Description

一种微带阶跃阻抗谐振器及微带滤波器

技术领域

本发明涉及微波工程领域，特别是涉及一种微带阶跃阻抗谐振器(StepImpedance Resonator，简称SIR)及微带滤波器。

背景技术

微波工程中，微带滤波器(一种无源器件)由多个微带谐振器组成，使用在各种微波装置(如雷达、移动电话基站、微波通讯装置、射电天文望远镜等)中，用来选择一定频率的信号，即使用滤波器使需要的信号频率顺利通过(即从滤波器通带通过)，抑制不要的信号频率(即通过滤波器带外抑制)。高温超导滤波器是用高温超导材料制成的一种平面器件，它是由若干个平面谐振器按一定规则排布而成的。相关的理论指出：谐振器之间的耦合系数应满足下列关系：

$M_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_i{g}_j}}{J}_{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

式中M_ij是第i个谐振器和第j个谐振器之间的耦合系数；FBW是相对带宽，定义它为通带宽度和中心频率的比值；g是归一化电容；J是特性导纳。这一公式表明耦合系数M_ij取决于相对带宽，也取决于谐振器自身的性质。显然，无论是归一化电容g还是特性导纳J都应与平面谐振器自身的几何形状密切相关。在滤波器中二个相邻谐振器产生的耦合叫做相邻耦合，这种耦合是必要的。从公式(1)中可以看出，滤波器的相对带宽越大，即FBW越大，谐振器之间的耦合系数M_ij越大。

为减小谐振器面积，追求滤波器小型化，M.Makimoto等提出了SIR，采用非均匀线宽，可使谐振器结构更加紧凑。

常用的微带SIR，主要采用对称形式的谐振器，比如发卡式谐振器，其各相邻谐振器间的耦合方式为固定的电耦合或磁耦合，两个谐振器间的耦合系数较小，且非相邻谐振器间同时存在较严重的寄生耦合，导致滤波器性能不佳，主要表现为带边陡度和带外抑制的非对称性，如图1所示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微带阶跃阻抗谐振器及微带滤波器，用于解决现有技术中两个谐振器间的耦合系数较小，且非相邻谐振器间同时存在较严重的寄生耦合，导致滤波器性能不佳的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种微带阶跃阻抗谐振器，其特征在于，所述微带阶跃阻抗谐振器具有非对称结构，由一非均匀线宽微带线构成，所述非均匀线宽微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽。

所述的微带阶跃阻抗谐振器，其中，所述微带阶跃阻抗谐振器为折线形。

所述的微带阶跃阻抗谐振器，其中，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段同向设置或异向设置。

所述的微带阶跃阻抗谐振器，其中，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段相邻。

为了实现上述目的，本发明提供一种微带滤波器，其特征在于，包括：微带阶跃阻抗谐振器；

所述微带阶跃阻抗谐振器具有非对称结构，由一非均匀线宽微带线构成，所述非均匀线宽微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽；

相邻所述微带阶跃阻抗谐振器之间采用电耦合、磁耦合搭配的耦合方式进行排布。

所述的微带滤波器，其中，相邻所述微带阶跃阻抗谐振器之间的位置关系通过水平或垂直翻转方式改变，从而改变耦合方式。

所述的微带滤波器，其中，所述微带阶跃阻抗谐振器为折线形。

所述的微带滤波器，其中，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段同向设置或异向设置。

所述的微带滤波器，其中，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段相邻。

所述的微带滤波器，其中，所述非均匀线宽微带线包括：位于上层的微带导体、中间介质层、位于下层的地平面导体。

与传统发卡式微带阶跃阻抗谐振器相比，本发明的有益技术效果在于：

本发明提供了一种具有非对称结构的微带阶跃阻抗谐振器及其微带滤波器。本发明减小了谐振器尺寸；两个谐振器间的耦合系数大；且随距离的增加迅速衰减，能有效削弱非相邻谐振器间寄生耦合的影响，从而有效提高了滤波器的性能。由于微带SIR采用非对称结构，使得谐振器之间的耦合方式更加灵活，扩大了谐振器的使用范围。

附图说明

图1是计算机仿真得到的由于寄生耦合的影响滤波器传输响应曲线；

图2是作为比较的传统发卡式SIR；

图3是作为比较的具有内部耦合的发卡式SIR；

图4是微带线的截面图；

图5a是本发明平面微带SIR的一种几何结构；

图5b是两个图5a所示的谐振器相互间成电耦合摆放时的几何结构；

图5c是两个图5a所示的谐振器相互间成磁耦合摆放时的几何结构；

图6是两个图5a所示的谐振器相邻摆放时的传输曲线；

图7是两个图5a所示的谐振器成磁耦合摆放时与传统发卡式SIR耦合系数随距离变化的曲线；

图8是两个图5a所示的谐振器成磁耦合摆放时与传统内部耦合发卡式SIR耦合系数随距离变化的曲线；

图9a是应用图5a所示的谐振器摆放的一个10阶滤波器；

图9b是图9a中滤波器的仿真曲线；

图10是本发明平面微带SIR的一种几何结构；

图11a是应用图10所示的谐振器电、磁耦合搭配的方式摆放的一个10阶滤波器；

图11b是图11a所示的滤波器的仿真曲线；

图12a是本发明平面微带SIR的一种几何结构；

图12b是两个图12a所示的谐振器相互间成电耦合摆放时的几何结构；

图12c是两个图12a所示的谐振器相互间成磁耦合摆放时的几何结构；

图13是两个图12所示的谐振器成磁耦合摆放时与传统发卡式SIR耦合系数随距离变化的曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明中，该微带SIR具有非对称结构，该微带SIR由一非均匀线宽微带线构成；该微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽；该微带SIR的形状为折线形；微带线的起始段和微带线的末尾段同向设置或异向设置，微带线的起始段和微带线的末尾段相邻。将相邻谐振器间的耦合方式按照电耦合、磁耦合搭配的耦合方式进行排布。

本发明中，微带滤波器由上述具有非对称结构的微带SIR组成，相邻谐振器之间的耦合方式按照电耦合、磁耦合搭配的方式进行排布。

非对称结构的微带SIR，可通过水平或垂直翻转改变相邻谐振器之间的位置关系，从而改变耦合方式(电耦合、磁耦合)。

相邻谐振器间的耦合方式按照电耦合、磁耦合搭配的方式进行排布，其中电耦合与磁耦合的排布顺序及数量无统一要求。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例1

参照图4、5a，利用微带线形成微带谐振器，该微带线为超导微带线，其上层为微带导体3和下层地平面导体1均为YBCO高温超导薄膜或者金属，中间2是介电常数为ξ_r的介质。本实施例中选用的微带线采用晶体介质LaAlO₃，其介电常数ξ_r＝23.65，该微带线的起始段和微带线的末尾段相邻。t为上层导体3的厚度，W为上层导体3的宽度，h为介质厚度，ξ_r为介质的介电常数。

图5a是本实施例根据频率为1747.5MHz设计的一个超导微带谐振器图形，图形尺寸为3.42mm×3.6mm(长×宽)，微带线的线宽为0.14mm和1.16mm。本实施例中，微带线的起始段51，线长3.32mm和微带线的末尾段52，线长3.18mm，同向设置，并且相邻。

为体现图5a所示谐振器的优势，给出一个传统发卡式SIR做比较，如图2所示，其频率为1747.5MHz，线宽与如上设计的谐振器相同，微带线的起始段、末尾段的线长也与如上设计的谐振器相同，此发卡式SIR尺寸为2.56mm×6.06mm(长×宽)。二个谐振器之间的耦合大小(耦合系数)由下述公式(2)测出。图6中的曲线是两个谐振器相邻摆放时的传输曲线，每条传输曲线的二个峰值分别对应的频率是f₁、f₂，相关理论指出，该耦合结构的耦合系数M可用公式(2)计算。

$M=\frac{f_1^2-f_2^2}{f_1^2+f_2^2}---\left(2\right)$

图7中的虚线是两个图5a所示的谐振器成磁耦合摆放时的耦合系数随距离增大的变化曲线，实线是传统发卡式SIR的耦合系数随距离增大的变化曲线。为了保证对比结果的可靠性，这两种谐振器的频率应调整到相同，线宽也一致。如图7所示，本发明谐振器的耦合系数随距离的增大的衰减速率大于传统发卡式SIR，证明了本发明的优越性。

实施例2

参照图4、5a，利用微带线形成微带谐振器，该微带线为超导微带线，其上层为微带导体3和下层地平面导体1均为YBCO高温超导薄膜或者金属，中间2是介电常数为ξ_r的介质。本实施例中选用的微带线采用晶体介质LaAlO₃，其介电常数ξ_r＝23.65。

图5a是本实施例根据频率为1747.5MHz设计的一个超导微带谐振器图形，图形尺寸为3.42mm×3.6mm(长×宽)，微带线的线宽为0.14mm和1.16mm。本实施例中，微带线的起始段51，线长3.32mm和微带线的末尾段52，线长3.18mm，同向设置，并且相邻。

为体现图5a所示谐振器的优势，给出一个传统的具有内部耦合的发卡式SIR做比较，如图3所示，其频率为1747.5MHz，线宽与如上设计的谐振器相同，微带线的起始段、末尾段的线长也与如上设计的谐振器相同，此发卡式SIR尺寸为3.12mm×3.18mm(长×宽)。二个谐振器之间的耦合大小(耦合系数)由实施实例1中的方法测出。

图8中的实线是两个图5a所示的谐振器成磁耦合摆放时的耦合系数随距离增大的变化曲线，虚线是传统具有内部耦合的发卡式SIR的耦合系数随距离增大的变化曲线。为了保证对比结果的可靠性，这两种谐振器的频率应调整到相同，线宽也一致。如图8所示，本发明谐振器的耦合系数随距离的增大的衰减速率大于传统具有内部耦合的发卡式SIR，且两个谐振器距离较远时，耦合系数小。证明了本发明的优越性。

实施例3

滤波器的中心频率为1747.5MHz，带宽为75MHz。参照图4、5a，利用微带线形成微带滤波器，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为YBCO高温超导薄膜，中间2是介电常数为ξ_r的介质。本实施例中选用的微带线采用晶体介质LaAlO₃，其介电常数ξ_r＝23.65，该微带线的起始段和微带线的末尾段相邻。

本实施例中采用了一种非对称结构的微带SIR，如图5a所示，该谐振器的尺寸3.42mm×3.6mm(长×宽)，微带线的线宽分别为0.14mm和1.16mm；通过水平翻转改变谐振器间的位置关系，可以使相邻谐振器间的耦合形式呈现电耦合(图5b)或磁耦合(图5c)；通过将这两种摆放方式搭配的排布在一起，形成了一个10阶滤波器(图9a)，该滤波器的总长为48mm。图9b是上述10阶滤波器的仿真曲线，可以看出相对于图1，本实施例的滤波器带外抑制特性呈现出很好的对称性，这表明非相邻谐振器间的寄生耦合被很好的抑制。

实施例4

滤波器的中心频率为1236MHz，带宽为40MHz。参照图4、10，利用微带线形成微带滤波器，该微带线为超导微带线，其上层微带导体3和下层地平面导体1均为YBCO高温超导薄膜，中间2是介电常数为ξ_r的单晶介质片。本实施例中选用的微带线采用晶体介质LaAlO₃，其介电常数ξ_r＝23.65，该微带线的起始段和微带线的末尾段相邻。

本实施例中采用了另一种非对称结构微带SIR，如图10所示，该谐振器的尺寸为2.7mm×7.9mm(长×宽)，微带线的线宽为0.3mm和0.6mm；通过垂直翻转改变谐振器间的位置关系，可以使相邻谐振器之间的耦合形式呈现电耦合或磁耦合；通过将这两种摆放方式搭配的排布在一起，形成了一个10阶滤波器(图11a)，该滤波器的总长为35.6mm。图11b是上述10阶滤波器的仿真曲线，可以看出相对于图1，本实施例的滤波器带外抑制特性呈现出很好的对称性，这表明非相邻谐振器间的寄生耦合被很好的抑制。

实施例5

参照图4、12a，利用微带线形成微带谐振器，该微带线为超导微带线，其上层为微带导体3和下层地平面导体1均为YBCO高温超导薄膜或者金属，中间2是介电常数为ξ_r的介质。本实施例中选用的微带线采用晶体介质LaAlO₃，其介电常数ξ_r＝23.65。

图12a是本实施例根据频率为2036MHz设计的一个超导微带谐振器图形，图形尺寸为3.08mm×3.64mm(长×宽)，微带线的线宽为0.14mm和1.16mm。本实施例中，微带线的起始段121，线长3.2mm和微带线的末尾段122，线长3.2mm，异向设置，并且相邻。

为体现图12a所示谐振器的优势，给出一个传统发卡式SIR，如图2所示，其频率均为2036MHz，线宽与如上设计的谐振器相同，微带线的起始段、末尾段的线长也与如上设计的谐振器相同，传统发卡式SIR尺寸为2.56mm×5mm(长×宽)，二个谐振器之间的耦合大小(耦合系数)由实施实例1中所述方法测出。

图12b是两个图12a所示的谐振器相互间成电耦合摆放时的几何结构；图12c是两个图12a所示的谐振器相互间成磁耦合摆放时的几何结构。

图13中的虚线是两个图12a所示的谐振器成磁耦合摆放时的耦合系数随距离增大的变化曲线，实线是传统发卡式SIR的耦合系数随距离增大的变化曲线。为了保证对比结果的可靠性，这两种谐振器的频率应调整到相同，线宽也一致。如图13所示，图12a所示谐振器的耦合系数随距离的增大的衰减速率大于传统发卡式SIR，且在近距离时的耦合系数大，证明了本发明的优越性。

本发明是利用电磁仿真软件(如sonnet或ansoft)在计算机上进行的，具体操作和仿真按照软件说明进行。

本发明中的超导微带滤波器是按常用工艺制作的，即按光刻、干法刻蚀、切割、组装等工艺步骤制作，属于本领域技术人员的公知技术。

本发明提供的微带SIR具有非对称结构，微带SIR尺寸小，两个谐振器间的耦合系数大，且随距离的增加迅速衰减，采用非对称结构，应用更加灵活。

本发明还提供了由上述微带SIR组成的微带滤波器，压缩谐振器尺寸，应用更加灵活，谐振器应用范围更宽，且能有效削弱非相邻谐振器间寄生耦合影响。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微带阶跃阻抗谐振器，其特征在于，所述微带阶跃阻抗谐振器具有非对称结构，由一非均匀线宽微带线构成，所述非均匀线宽微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽。

2.根据权利要求1所述的微带阶跃阻抗谐振器，其特征在于，所述微带阶跃阻抗谐振器为折线形。

3.根据权利要求2所述的微带阶跃阻抗谐振器，其特征在于，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段同向设置或异向设置。

4.根据权利要求3所述的微带阶跃阻抗谐振器，其特征在于，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段相邻。

5.一种微带滤波器，其特征在于，包括：微带阶跃阻抗谐振器；

所述微带阶跃阻抗谐振器具有非对称结构，由一非均匀线宽微带线构成，所述非均匀线宽微带线的起始段、末尾段的线宽不同于中间段的线宽；

相邻所述微带阶跃阻抗谐振器之间采用电耦合、磁耦合搭配的耦合方式进行排布。

6.根据权利要求5所述的微带滤波器，其特征在于，相邻所述微带阶跃阻抗谐振器之间的位置关系通过水平或垂直翻转方式改变，从而改变耦合方式。

7.根据权利要求5或6所述的微带滤波器，其特征在于，所述微带阶跃阻抗谐振器为折线形。

8.根据权利要求7所述的微带滤波器，其特征在于，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段同向设置或异向设置。

9.根据权利要求8所述的微带滤波器，其特征在于，所述非均匀线宽微带线的起始段与末尾段相邻。

10.根据权利要求5、6、8或9所述的微带滤波器，其特征在于，所述非均匀线宽微带线包括：位于上层的微带导体、中间介质层、位于下层的地平面导体。

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