CN103236572A - 一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器，包括双模谐振器以及分别与所述双模谐振器耦合馈电的信号输入端和信号输出端，所述双模谐振器包括主带状线和连接于所述主带状线中点上的短路枝节，所述主带状线在竖直方向和水平方向上折叠，且所述主带状线在竖直方向上从上至下折叠成第一层、第二层、第三层和第四层，对称面位于所述第二层与所述第三层之间，所述第一层与所述第四层关于所述对称面对称，所述第二层与所述第三层关于所述对称面对称，所述短路枝节位于所述对称面上，且所述对称面在奇模谐振频率下构成虚拟地。

Description

一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器

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模带通滤波器。

背景技术

近年来，无线通讯系统的快速发展，对电路的要求也越来越高，高性能、低损耗、小型化的射频器件发展迅速，为了获得较好的通带特性，人们往往采用多阶滤波器，显而易见，电路尺寸势必会增加。出于这种原因，双模带通滤波器成为研究热点，因为其可以作为双调谐电路来使用，这样对于给定阶数的滤波器的谐振器的数目就能够减少为原来的一半，使得滤波器尺寸更为紧凑。人们发明了许多性能良好的双模滤波器。在它们当中，加载开路或者短路枝节的双模滤波器是一个典型的例子。但是，对于印刷电路板电路而言，进一步的减小电路尺寸成为非常困难的现实性问题。

为此，基于集总或半集总元件并利用低温共烧陶瓷（LowTemperature Co-Fired Ceramic，LTCC）技术的双模滤波器正雨后春笋般的涌现出来。但是这类双模滤波器的主要问题在于，随着频率的升高，产生的寄生效应、耦合效应和集总元件值等参数，都不能被准确的预测和控制。

基于传输线理论的分布式谐振器和滤波器虽然有助于预测和控制寄生效应、耦合效应和集总元件值，但是却会导致电路尺寸增大。至今，在双模带通滤波器设计中，运用分布元件来设计双模滤波器并获得较小电路尺寸依然是主要的设计挑战。

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，提供一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器，兼具高性能和小尺寸的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器，包括双模谐振器以及分别与所述双模谐振器的两个开路端耦合馈电的信号输入端和信号输出端，所述双模谐振器包括主带状线和连接于所述主带状线中点上的短路枝节，所述主带状线在竖直方向和水平方向上折叠，且所述主带状线在竖直方向上从上至下折叠成第一层、第二层、第三层和第四层，各层主带状线之间通过主带状线连接金属化过孔依次连接，所述短路枝节由枝节带状线和与实际地相连的一个短路枝节连接金属化过孔构成，对称面位于所述第二层与所述第三层之间，所述第一层与所述第四层关于所述对称面对称，所述第二层与所述第三层关于所述对称面对称，所述短路枝节位于所述对称面上，且所述对称面在奇模谐振频率下构成虚拟地。

其中，所述紧凑型微波分布式双模带通滤波器还包括置于所述第一层之上的第一接地金属板和置于所述第四层之下的第二接地金属板，所述短路枝节分别与所述第一接地金属板和所述第二接地金属板连通。

其中，所述第一层与所述第一接地金属板之间的距离、所述第二层与所述虚拟地之间的距离、所述第三层与所述虚拟地之间的距离、以及所述第四层与所述第二接地金属板之间的距离均相等。

其中，所述主带状线是通过低温共烧陶瓷技术有序弯折而成的宽度相等的金属线。

本发明的紧凑型微波分布式双模带通滤波器具有以下有益效果：通过在竖直面和水平面上折叠主带状线，形成三维电路布局，不仅能保持紧凑型微波分布式双模带通滤波器的高性能，还能有效地减小电路尺寸，顺应电路微型化发展的需求。

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是紧凑型微波分布式双模带通滤波器中的谐振器的平面原理示意图；

图2是归一化电压波沿两端开路的半波长谐振器的分布示意图；

图3(a)是基于本发明较佳实施例的紧凑型微波分布式双模带通滤波器中的谐振器的结构示意图；

图3(b)是基于本发明较佳实施例的紧凑型微波分布式双模带通滤波器中的谐振器的侧视图；

图4是紧凑型微波分布式双模带通滤波器中的谐振器的奇偶模谐振频率与短路枝节长度的关系示意图；

图5基于本发明较佳实施例的紧凑型微波分布式双模带通滤波器的结构示意图；

图6是所示的紧凑型微波分布式双模带通滤波器的各层的布局示意图；

图7是所示的紧凑型微波分布式双模带通滤波器的耦合方案示意图；

图8是图4所示的紧凑型微波分布式双模带通滤波器的仿真和测试的频率响应曲线对照图。

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。

请参见图1，为图3(a)和3(b)所示的谐振器的平面原理示意图。尽管主带状线在三维空间内折叠，但是由于结构对称性，可以将其看作如图1所示的中间加载短路枝节且两端开路的主带状线，图中，L_u为主带状线的长度，Z_u为其特性阻抗；L_s为短路枝节的长度，Z_s为其特性阻抗。为了简化分析，假设Z_u=2Z_s，可以得到奇模和偶模谐振频率。

紧凑型微波分布式双模带通滤波器的奇模谐振频率f_odd由以下方程确定：

$f_{\mathrm{odd}}=\frac{c}{2L_u\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

其中，c为真空光速，ε_eff为有效介电常数，L_u为图1中所示的所述主带状线的长度。

紧凑型微波分布式双模带通滤波器的偶模谐振频率f_even由以下方程确定：

$f_{\mathrm{even}}=\frac{c}{2(L_u+L_s)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

其中，c为真空光速，ε_eff为有效介电常数，L_u为图1中所示的所述主带状线的长度，L_s为图1中所示的短路枝节的长度。

从以上两个方程式可以看出，偶模谐振频率可以通过短路枝节的长度来控制。

如图2所示，L_u表示构成谐振器的主带状线的长度，谐振器在基谐振频率时，主带状线中点处的电压为零。根据基本的电路理论，可以认为，基谐振频率下，主带状线中点在三维结构谐振器中的对称面是短路的，也就是接地了。因此，基谐振频率下，可以将对称面当作虚拟地。

如图3（a）和（b）所示，所述双模谐振器包括主带状线和连接于所述主带状线中点上的短路枝节，所述主带状线在竖直方向和水平方向上折叠，且所述主带状线在竖直方向上从上至下折叠成第一层、第二层、第三层和第四层，各层主带状线之间通过主带状线连接金属化过孔H1依次连接，所述短路枝节由枝节带状线和与实际地相连的一个短路枝节连接金属化过孔H2构成，对称面位于所述第二层与所述第三层之间，所述第一层与所述第四层关于所述对称面对称，所述第二层与所述第三层关于所述对称面对称，所述短路枝节位于所述对称面上，且所述对称面在奇模谐振频率下构成虚拟地。

图4表明了在加载不同长度的短路枝节L₇情况下，偶模和奇模谐振频率的变化情况。从图中能够清楚的看出偶模谐振频率随着短路枝节长度L₇的增加而减小，而奇模谐振频率基本保持不变。

请参见图5，是本发明提供的紧凑型微波分布式双模带通滤波器的结构示意图。该滤波器包括双模谐振器以及分别与所述双模谐振器的两个开路端耦合馈电的信号输入端和信号输出端。如图3(b)所示，双模谐振器包括主带状线和连接于所述主带状线中点上的短路枝节，所述主带状线在竖直方向和水平方向上折叠，且所述主带状线在竖直方向上从上至下折叠成第一层、第二层、第三层和第四层，各层主带状线之间通过主带状线连接金属化过孔H1依次连接，所述短路枝节由枝节带状线和与实际地相连的一个短路枝节金属化过孔H2构成，对称面位于所述第二层与所述第三层之间，所述第一层与所述第四层关于所述对称面对称，所述第二层与所述第三层关于所述对称面对称，所述短路枝节位于所述对称面上，且所述对称面在奇模谐振频率下构成虚拟地。

例如，在一个实施例中，主带状线的两端开路，信号输入端和信号输出端分别与主带状线的两个开路端耦合馈电。应当理解的是，主带状线的两端也可以是短路，信号输入端和信号输出端分别与主带状线的一个短路端耦合馈电。但是，在本文的以下描述中，都以主带状线的两端开路为例。

具体地，如图5所示，紧凑型微波分布式双模带通滤波器在竖直方向分布为11层，从上至下分别为Layer1、Layer2、Layer3、Layer4、Layer5、Layer6、Layer7、Layer8、Layer9、Layer10和Layer11。其中双模谐振器的主带状线在竖直方向上折叠为4层，分别为Layer1（对应于图3(b)中的第一层）、Layer5（对应于图3(b)中的第二层）、Layer7（对应于图3(b)中的第三层）和Layer11（对应于图3(b)中的第四层），Layer1、Layer5分别与Layer11、Layer7关于对称面Layer6对称。Layer2、Layer3、Layer4以及与其连接的其它金属化过孔共同构成一端馈线、Layer8、Layer9、Layer10以及与其连接的其它金属化过孔共同构成另一端馈线。Layer2、Layer4、Layer8、Layer10为滤波器的部分信号输入输出馈线，且关于对称面Layer6对称。

优选地，如图3(b)和图5所示，紧凑型微波分布式双模带通滤波器还包括置于第一层（对应于图5中的Layer1）之上的第一接地金属板G1和置于第四层（对应于图5中的Layer11）之下的第二接地金属板G2，短路枝节分别与第一接地金属板和第二接地金属板连通，从而构成回路。其中，第一接地金属板G1和第二接地金属板G2直接与地连通，可以作为实际地。

优选地，如图3(b)和图5所示，第一层（即图5中的Layer1）与距其较近的实际地（即图5中的第一接地金属板G1）之间的距离、第二层（即图5中的layer5）与虚拟地（即图5中的Layer6）之间的距离、第三层（即图5中的Layer7）与虚拟地（即图5中的Layer6）之间的距离、以及第四层（即图5中的Layer11）与距其较近的实际地（即图5中的第二接地金属板G2）之间的距离均相等，例如图3(b)所示的均为d。

本发明提供的紧凑型微波分布式双模带通滤波器，通过在竖直面和水平面上折叠主带状线，形成三维电路布局，不仅能保持紧凑型微波分布式双模带通滤波器的高性能，还能有效地减小电路尺寸，顺应电路微型化发展的需求。

图6示出了图5中紧凑型微波分布式双模带通滤波器的各层的布局。图6中的Layer1-Layer11为图5中依次从上向下的各层，从图6中可以看出，Layer1、Layer2、Layer4、Layer5分别与Layer11、Layer10、Layer8、Layer7关于对称面（图中为Layer6）对称。

请参见图7，是图5所示紧凑型微波分布式双模带通滤波器的耦合方案示意图。图7中，黑色的圆圈1和2分别代表双模带通滤波器的偶模（Even-mode）和奇模（Odd-mode），这两个模之间不存在耦合，空白的圆圈S和L分别代表源和负载，虚线代表源和负载之间存在耦合，双模谐振器中的奇模和偶模与源和负载分别形成耦合路径。根据交叉耦合理论，多条耦合路径存在的情况下，滤波器对信号产生±90°相移时，该滤波器可在通带一侧形成一个传输零点。通过引入源和负载之间的耦合，在通带另一侧产生一个额外的传输零点，使滤波器具有较好的频率选择性。

举例来说，可以设计一个中心频率位于2.45GHz的双模带通滤波器，其3dB相对带宽FBW=27.3%，通带内回波损耗为RL=17dB，同时在带外设置两个传输零点，分别为S₁=-13.2j和S₂=3.6j。

相对应的耦合矩阵M能写成如下形式：

$M=\left[\begin{array}{ccccc}& S& 1& 2& L\\ S& 0& 0.64095& 0.86249& 0.035\\ 1& 0.64095& -1.308& 0& 0.64095\\ 2& 0.86249& 0& 1.408& -0.86249\\ L& 0.035& 0.64095& -0.86249& 0\end{array}\right]$

具体地，在实际实施中，图6中所示各段的尺寸可以如下：W=0.2mm，W₁=0.5mm，W₂=0.3mm，L₁=6.1mm，L₂=1.55mm，L₃=2.2mm，L₄=2.25mm，L₅=2.65mm，L₆=1.8mm，L₇=1.05mm，L₈=0.7mm。所有的金属化过孔的直径为0.15mm。

如图8所示，为图5所示紧凑型微波分布式双模带通滤波器的仿真和测试的频率响应的曲线图，其中实线为测试结果，虚线为仿真结果。仿真和测试结果分别利用Ansoft全波电磁仿真软件HFSS和E5071C网络分析仪获得。从图8可以看出，测试结果表明，最小插入损耗为1.3dB，其中包括SMA连接器的损耗。测得的通带内回波损耗好于15dB。分别位于1.18GHz和3.0GHz的两个传输零点明显提高了所提供的BPF的频率选择性。仿真结果和测试结果之间存在很小的差异，这是制造和测试误差造成的。

在本发明的优选实施例中，由于目前低温共烧陶瓷（LowTemperature Co-Fired Ceramic，LTCC）技术在塑造三维结构上应用较广泛，因此，可以利用低温共烧陶瓷技术，将宽度相等的金属线有序弯折而形成主带状线，从而形成本发明所需的任意结构。

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 (4)

1.一种紧凑型微波分布式双模带通滤波器，包括双模谐振器以及分别与所述双模谐振器的两端耦合馈电的信号输入端和信号输出端，其特征在于，所述双模谐振器包括主带状线和连接于所述主带状线中点上的短路枝节，所述主带状线在竖直方向和水平方向上折叠，且所述主带状线在竖直方向上从上至下折叠成第一层、第二层、第三层和第四层，各层主带状线之间通过主带状线连接金属化过孔依次连接，所述短路枝节由枝节带状线和与实际地相连的一个短路枝节连接金属化过孔构成，对称面位于所述第二层与所述第三层之间，所述第一层与所述第四层关于所述对称面对称，所述第二层与所述第三层关于所述对称面对称，所述短路枝节位于所述对称面上，且所述对称面在奇模谐振频率下构成虚拟地。

2.如权利要求1所述的紧凑型微波分布式双模带通滤波器，其特征在于，所述紧凑型微波分布式双模带通滤波器还包括置于所述第一层之上的第一接地金属板和置于所述第四层之下的第二接地金属板，所述短路枝节分别与所述第一接地金属板和所述第二接地金属板连通。

3.如权利要求2所述的紧凑型微波分布式双模带通滤波器，其特征在于，所述第一层与所述第一接地金属板之间的距离、所述第二层与所述虚拟地之间的距离、所述第三层与所述虚拟地之间的距离、以及所述第四层与所述第二接地金属板之间的距离均相等。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的紧凑型微波分布式双模带通滤波器，其特征在于，所述主带状线是通过低温共烧陶瓷技术有序弯折而成的宽度相等的金属线。

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