CN102856614A - 一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，包括信号输入端、信号输出端、结构相同且对称设置的谐振器、以及两个接地金属板，每个谐振器包括一条两端分别与两个接地金属板连接且被垂直折叠成S形的主传输带状线；信号输入端与第一个谐振器馈电耦合；信号输出端与第二个谐振器馈电耦合。本发明的基于传输线理论的滤波器尺寸小，且通过改变谐振器的结构参数可以控制两个通带的中心频率，通过调节两个谐振器之间的耦合距离，可以在阻带内可实现三个传输零点进而使得本发明的滤波器具有较高的选择性。

Description

一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器。

背景技术

双通带带通滤波器在通信系统中得到广泛的应用。在过去几年里，几种设计方法已经相继提出来，诸如，两个传输路径，谐振器加载枝节，阶跃阻抗谐振器等等。大部分双通带带通滤波器是通过PCB技术来实现的，但显然会带来较高的插入损耗和较大的电路尺寸。最近，低温共烧陶瓷（LTCC）技术正得到广泛的应用由于它的三维结构的优势。为此，基于集总或半集总元件并利用LTCC技术的单通带或双通带滤波器正雨后春笋般的涌现出来。但是随着频率的升高，寄生效应，不被希望的耦合效应和集总元件值，不能被准确的预测和控制。然而基于传输线理论的分布谐振器和滤波器就没有以上诸多问题但面临较大电路尺寸的劣势。根据国内外的文献报道，在双通带带通滤波器设计中，运用分布元件来设计并获得较小电路尺寸依然是主要的设计挑战。如何设计微波分布式但具有较小尺寸的双通带带通滤波器，这一问题没有明晰的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，并能实现电路的高性能且小型化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，包括信号输入端、信号输出端、两个结构相同且对称设置的谐振器、以及两个接地金属板，每个谐振器包括一条两端分别与两个接地金属板连接且被垂直折叠成S形的主传输带状线；所述信号输入端与第一个谐振器馈电耦合；所述信号输出端与第二个谐振器馈电耦合。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，所述信号输入端包括第一微带线和第一馈电线，所述第一馈电线一端与所述第一个谐振器耦合馈电、另一端与所述第一微带线连接；所述信号输出端包括第二微带线和第二馈电线，所述第二馈电线一端与所述第二个谐振器耦合馈电、另一端与所述第二微带线连接。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，每条主传输带状线包括两条相同的高特性阻抗传输线和一条低特性阻抗传输线，第一条高特性阻抗传输线的一端连接第一个接地金属板、另一端与所述低特性阻抗传输线连接，第二条高特性阻抗传输线的一端连接第二个接地金属板、另一端与所述低特性阻抗传输线的另一端连接。

优选地，所述第一馈电线与第一个谐振器的第一条高特性阻抗传输线耦合馈电；所述第二馈电线与第二个谐振器的第一条高特性阻抗传输线耦合馈电。

优选地，所述第一微带线和第一馈电线通过金属通孔连接，所述第二微带线和第二馈电线通过金属通孔连接。

优选地，所述第一条高特性阻抗传输线通过金属通孔与所述第一个接地金属板以及所述高特性阻抗传输线连接；所述第二条高特性阻抗传输线通过金属通孔与所述第二个接地金属板以及所述高特性阻抗传输线连接。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，所述第一个谐振器的中心频率f₀由以下方程确定：

$R_z\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)-1=0$

其中，R_z=Z₂/Z₁,u＝θ₂/θ₁+θ₂,θ_L=2(θ₁+θ₂)；Z₁为低特性阻抗传输线的特性阻抗，Z₂为高特性阻抗传输线的特性阻抗，2θ₁为低特性阻抗传输线的电长度，θ₂为高特性阻抗传输线的电长度。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，所述第二个谐振器的中心频率f₁由以下方程确定：

$R_z\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)+\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)=0$

其中，R_z=Z₂/Z₁,u＝θ₂/θ₁+θ₂,θ_L＝2(θ₁+θ₂)；Z₁为低特性阻抗传输线的特性阻抗，Z₂为高特性阻抗传输线的特性阻抗，2θ₁为低特性阻抗传输线的电长度，θ₂为高特性阻抗传输线的电长度。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，所述第一个谐振器和第二个谐振器由LTCC技术实现。

本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器具有以下有益效果：滤波器包括两个结构相同且对称设置的谐振器，每个谐振器包括一条终端短路且被垂直折叠成S形的主传输带状线，使得本发明的基于传输线理论的滤波器具有较小的尺寸。

另外，通过改变两个谐振器的结构参数可以控制两个通带的中心频率；通过调节两个谐振器之间的耦合距离，可以形成电磁混合耦合，在阻带内可实现三个传输零点，进而使得本发明的滤波器具有较高的选择性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是传统的终端短路的阶跃阻抗谐振器的示意图；

图2是本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器第一实施例的电路图；

图3是本发明的主传输带状线结构示意图；

图4是本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器的两通带中心频率比与电长度比和特性阻抗比的曲线图；

图5是本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器的频率响应的曲线图；

图6是本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。

图1为传统的终端短路的阶跃阻抗谐振器（SIR）的示意图，如图1所示，传统的终端短路的SIR具有低特性阻抗Z₁和高特性阻抗Z₂，所对应的电长度分别是2θ₁和θ₂。

图2为本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器第一实施例的电路图，如图2所示，在本实施例中，本发明的滤波器包括信号输入端110、信号输出端120、两个结构相同且对称设置的谐振器130和140、以及两个接地金属板G₁和G₂。其中，每个谐振器包括一条两终端短路的主传输带状线131和141，信号输入端110与第一个谐振器130馈电耦，信号输出端120与第二个谐振器140馈电耦合。

在本实施例中，第一个谐振器130和第二个谐振器140由低温共烧陶瓷（LTCC）技术实现，主传输带状线131和141是根据半波长终端短路谐振器的电压分布，将图1中的谐振器进行垂直折叠成S形构成的，如图3所示，高特性阻抗传输线位于a层和c层，其特性阻抗为Z₂，低特性阻抗传输线位于b层，其特性阻抗为Z₁。两终端短路是通过金属通孔150将SIR的终端与两个接地金属板G₁和G₂相连实现的。一般的，低特性阻抗传输线的宽度W₁比高特性阻抗传输线的宽度W₂宽得多，尽管在垂直方向上b层与a层或c层有部分重叠,终端短路的SIR电性能仍然保持不变。

在本实施例中，第一个谐振器130的中心频率（第一谐振频率）f₀可以通过下面的方程来确定：

$R_z\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)-1=0$

第二个谐振器140的中心频率（第二谐振频率）f₁可以通过下面的方程来确定：

$R_z\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)+\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)=0$

其中，R_Z=Z₂/Z₁,u=θ₂/θ₁+θ₂,θ_L=2(θ₁+θ₂)，Z₁为低特性阻抗传输线的特性阻抗，Z₂为高特性阻抗传输线的特性阻抗，2θ₁为低特性阻抗传输线的电长度，θ₂为高特性阻抗传输线的电长度。

如图4所示，在本发明具有紧凑型微波分布式双通带带通滤波器的两通带中心频率比与电长度比和特性阻抗比的曲线图电路图中，如要使得f₁/f₀≤2,则选择R_Z≥1，f₁和f₀之间的距离可以通过R_Z和u来控制。在一个示例中，所设计的双带通滤波器中心频率为5.8/10GHz,即f₁/f₀=1.724,由图4可知R_Z=1.54，u=0.6（在已知两中心频率的情况下，根据前述的两个公式，可以获得对应情况下的R_Z和u），再经过精确的三维高频结构电磁场仿真（HFSS）可以得到低特性阻抗传输线长度的一半L₁=2.25mm,低特性阻抗传输线的宽度W₁=0.94mm,高特性阻抗传输线的长度L₂=3.5mm,高特性阻抗传输线的宽度W₂=0.3mm,两谐振器位于a层的高特性阻抗传输线之间的距离S₁=0.5mm（也是两谐振器位于c层的高特性阻抗传输线之间的距离）,两谐振器位于b层的低特性阻抗传输线之间的距离S₂=0.28mm,位于a层的高特性阻抗传输线与信号输入端（或信号输出端）的距离S₃=0.15mm。L₁、L₂、W₁以及W₂称为SIR的结构参数，通过改变SIR的结构参数可以控制两个通带的中心频率。通过调节两个SIR之间的耦合距离S₁和S₂，可以形成电磁混合耦合，在阻带内可实现三个传输零点进而使得本发明的滤波器具有较高的选择性。另外，对于S₁，S₂和S₃的选择除考虑电路性能外还要兼顾制造工艺上的要求。

通过调节S₁和S₂，获得不同的耦合强度并观察HFSS电磁仿真结果，最终可以精确的获得S₁和S₂参数即S₁=0.5mm,S₂=0.28mm。对于第一个通带中心即第一个谐振器130的中心频率（第一谐振频率）f₀，第一个谐振器130的中间位置分布电压最大，所以此时，由S₂控制的较强电耦合呈显性，而由S₁控制的磁耦合较弱，从而位于第一通带的低端和高端将产生两个传输零点（位于图5的f_z1和f_z2）。对于第二个通带的中心频率即第二个谐振器140的中心频率（第二谐振频率）f₁，第二个谐振器140的中间位置分布电流最大，所以此时，由S₂控制的较强磁耦合呈显性，而由S₁控制的电耦合较弱，从而位于第二通带的高阻带端将产生一个传输零点（位于图5的f_z3）。三个传输零点能够有效地提高带外抑制特性。

如图5所示，在本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器的频率响应的曲线图中，中心频率位于5.8GHz和10GHz的双通带带通滤波器被设计并制作出来。测试结果表明在5.8/10GHz的最小插入损耗为1.75dB和1.67dB,1-dB相对带宽大约为3.4%和3.1%。两个通带内的回波损耗都超过12dB。

参见图3和6，在本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器第二实施例中，信号输入端110包括第一微带线111和第一馈电线112，第一馈电线112一端与第一个谐振器130耦合馈电、另一端通过金属通孔150与第一微带线111连接；信号输出端120包括第二微带线121和第二馈电线122，第二馈电线122一端与第二个谐振器140耦合馈电、另一端通过金属通孔150与第二微带线121连接。每条主传输带状线131和141包括两条相同的高特性阻抗传输线（分别位于a层和c层，参见图3）和一条低特性阻抗传输线（位于b层，参见图3），第一条高特性阻抗传输线（位于a层，参见图3）的一端连接第一个接地金属板G₁、另一端与低特性阻抗传输线连接，第二条高特性阻抗传输线（位于c层，参见图3）的一端连接第二个接地金属板G₂、另一端与所述低特性阻抗传输线的另一端连接。第一条高特性阻抗传输线通过金属通孔150与低特性阻抗传输线连接，第二条高特性阻抗传输线通过金属通孔150与低特性阻抗传输线连接。在本实施例中，第一微带线111和第二微带线121设置在金属板G₃上，其余情况与本发明的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器第一实施相同，在此不再赘述。另外，在本实施例中，本发明的滤波器还可以包括壳体，两个谐振器130和140，两个接地金属板G1和G2，金属板G3，以及信号输入端110和信号输出端120均设置于壳体内，并且，第一微带线111和第二微带线121设置在壳体上以方便接入或输出信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，包括信号输入端（110）、信号输出端（120）、结构相同且对称设置的谐振器（130，140）、以及两个接地金属板（G₁，G₂），每个谐振器包括一条两端分别与两个接地金属板（G₁，G₂）连接且被垂直折叠成S形的主传输带状线（131，141）；所述信号输入端（110）与第一个谐振器（130）馈电耦合；所述信号输出端（120）与第二个谐振器（140）馈电耦合。

2.根据权利要求1所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述信号输入端（110）包括第一微带线（111）和第一馈电线（112），所述第一馈电线（112）一端与所述第一个谐振器（130）耦合馈电、另一端与所述第一微带线（111）连接；所述信号输出端包括第二微带线（121）和第二馈电线（122），所述第二馈电线（122）一端与所述第二个谐振器（140）耦合馈电、另一端与所述第二微带线（121）连接。

3.根据权利要求2所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，每条主传输带状线包括两条相同的高特性阻抗传输线和一条低特性阻抗传输线，第一条高特性阻抗传输线的一端连接第一个接地金属板（G₁）、另一端与所述低特性阻抗传输线连接，第二条高特性阻抗传输线的一端连接第二个接地金属板（G₂）、另一端与所述低特性阻抗传输线的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第一馈电线（112）与第一个谐振器（130）的第一条高特性阻抗传输线耦合馈电；所述第二馈电线（122）与第二个谐振器（140）的第一条高特性阻抗传输线耦合馈电。

5.根据权利要求2所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线（111）和第一馈电线（112）通过金属通孔（150）连接，所述第二微带线（121）和第二馈电线（122）通过金属通孔（150）连接。

6.根据权利要求3所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第一条高特性阻抗传输线通过金属通孔（150）与所述第一个接地金属板以及所述高特性阻抗传输线连接；所述第二条高特性阻抗传输线通过金属通孔（150）与所述第二个接地金属板以及所述高特性阻抗传输线连接。

7.根据权利要求3所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第一个谐振器的中心频率f₀由以下方程确定：

$R_z\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)-1=0$

其中，R_z=Z₂/Z₁,u＝θ₂/θ₁+θ₂,θ_L=2(θ₁+θ₂)；Z₁为低特性阻抗传输线的特性阻抗，Z₂为高特性阻抗传输线的特性阻抗，2θ₁为低特性阻抗传输线的电长度，θ₂为高特性阻抗传输线的电长度。

8.根据权利要求3所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第二个谐振器的中心频率f₁由以下方程确定：

$R_z\tan \left(\frac{u{\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)+\tan \left(\frac{(1-u){\mathrm{\θ}}_L}{2}\right)=0$

其中，R_z=Z₂/Z₁,u＝θ₂/θ₁+θ₂,θ_L=2(θ₁+θ₂)；Z₁为低特性阻抗传输线的特性阻抗，Z₂为高特性阻抗传输线的特性阻抗，2θ₁为低特性阻抗传输线的电长度，θ₂为高特性阻抗传输线的电长度。

9.根据权利要求1所述的紧凑型微波分布式双通带带通滤波器，其特征在于，所述第一个谐振器（130）和第二个谐振器（140）由LTCC技术实现。

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