CN103311614B - 十字形贴片双模微带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型贴片的拓扑结构，即基于十字形贴片内开槽的双模微带带通滤波器，属于微波通信领域。该十字形贴片双模微带带通滤波器包括十字形贴片，在十字形贴片内刻蚀正交的T形槽并通过中心处的方形开槽相连通，通过内部开槽作为微扰源，保证了通带带宽在微波频段范围内；所设计发明滤波器采用相互正交的馈电方式，信号输入端口和信号输出端口分别设置在十字形贴片内与T形槽相对的一边作为馈线；并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。本发明提供了一种新型的滤波器拓扑结构，该结构较为紧凑，性能优于其他外形的带通滤波器。

Description

十字形贴片双模微带带通滤波器

[技术领域]

本发明涉及到微波通信领域，具体是涉及一种双模微带带通滤波器。

[背景技术]

从电信发展的历程来看，滤波器在微波电路中一直扮演着重要的角色，滤波器是无线电技术中诸多设计问题的核心，已逐步成为了许多领域开拓新进展的重要挑战。滤波器在整个通信系统中具有不可替代的作用，然而电磁波的频谱是有限的(微波的波长范围为1m到1mm，其频率范围在300MHz到300GHz)，且须按照应用加以分配，此时滤波器作为一种选频装置，其根本功能在于抑制不需要的频段的信号，而使需要的频段信号顺利通过。理想的滤波器应该是这样一种二端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内他使信号完全不能传输。

随着科技的进步、社会的发展和对滤波器的研究，高选择性、低损耗和小型化成为了滤波器研究的重点和滤波器发展的必然趋势。从实用的角度出发，对所有手持式电子设备，如便携移动电话等，微型化是一个重要的研究课题。在射频部分，虽然单片微波集成电路(MMIC)的出现预示着射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。但对射频滤波器和振荡器等含有谐振器的电路的尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解决的问题。因此，滤波器的小型化和性能的提高将继续是两大重要课题。微波滤波器小型化通常采用的几种方法：1、采用高介电常数材料减小滤波器的尺寸。2、采用慢波结构设计微带滤波器。3、采用多层技术减小滤波器的体积。4、采用双模谐振器设计滤波器等。

由于微带谐振器易于和其它微波电路集成的优点，成为目前开发微波元器件的热点。双模谐振器是微波带通滤波器小型化最有效的手段之一，其原理在于：在单个谐振器中通过加入一些微扰(比如开槽、切角或加入小的贴片、内切角等)，会改变原正交简并模的电场分布，使得一对正交简并模之间发生耦合，两个耦合简并模的作用相当于两个耦合谐振器，从而在保持谐振回路不变的情况下，使谐振器的个数减少一半，通过改变这些微扰的大小可以对耦合强度进行控制，通过改变贴片的大小和外形直径来设计滤波器，结构简单。主要包括波导双模谐振器、介质双模谐振器和微带双模谐振器。常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形或折线等形式。

从现有文献来看,已经研究的微带双模谐振器(滤波器)主要包括:圆形、方形、圆环形、方环形、折线形环、三角形等。

[发明内容]

本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的贴片型微带带通滤波器。

本发明提出一种全新的微带带通滤波器拓扑结构,采用麦克斯韦方程证明此拓扑结构，对于实际情况，由于很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，只能采用数值方法来证明，学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。本文设计过程中，通过三维电磁仿真软件HFSS建模仿真，将上下臂设置为电壁、四周设置为磁臂等效为微波腔体模型进行十字形贴片结构的本征模仿真，得到了如图3所示的十字形贴片建模和表1所示的十字形贴片谐振器内简并模的谐振频率，图4和图5给出了十字形模式1和模式2的电场分布情况(其中，箭头颜色越深处表示电场越强)，从而证实了所发明的十字形贴片谐振器内存在一对相互正交的简并模。

表1十字形贴片谐振器内的模式谐振频率

模式	谐振频率
		模式1	4.22149
模式2	4.22149

商用的高频电磁仿真软件有多种，我们采用的是HFSS对提出的拓扑结构进行优化，图6给出了所发明十字形贴片微带带通滤波器的S参数仿真图。再将优化的结构制成样品，如图11所示，给出了十字形贴片实测S参数曲线。因此，用仿真的方法设计了十字形贴片双模微带带通滤波器，并且通过加工实物图并加以测试的方法证实该滤波器拓扑结构的可行性。

针对本文的仿真和测试结果并结合附图2十字形贴片微带带通滤波器尺寸图，给出本发明新型结构的最优尺寸如下表2所示。

表2十字形贴片双模微带带通滤波器的最优参数

参数	a	b	c	d	e	g	m	n
									数值/mm	24	8	2.8	8	5	0.6	6	11

其中，a和b分别为十字形贴片11矩形铜箔膜片的长和宽；e为中心处方形槽16的边长；g为T形开槽17的间隙，m和n分别为T形开槽17的横槽和纵槽的长度；c和d分别为馈线22(50Ω馈线)的宽度和长度。介质基板的介电系数为2.65，衬底厚度为1mm的铜箔。所发明滤波器整体性能较好：仿真结果表明通带中心频率为2.75GHz，最大回波损耗优于-32dB，通带内最小插入损耗为0.60dB；对于加工的实物实际侧得3dB带宽比为63.6％。

双模特性是Wolff在20世纪70年代初设计和制作带通滤波器时首次发现的。谐振器具有相同谐振频率的模式称为简并模。若在单个谐振器中通过加入一些微扰(比如开槽、切角或加入小的贴片、内切角等)，则会改变原正交简并模的电场分布，使得一对正交简并模之间发生耦合，两个耦合简并模的作用相当于两个耦合谐振器，从而在保持谐振回路不变的情况下，使谐振器的个数减少一半。通过改变这些微扰的大小可以对耦合强度进行控制。

为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

由两片长为24mm，宽为8mm的矩形铜箔膜片相互叠加做成十字形贴片；十字形贴片关于其中心对称；

在十字形贴片的中心开一方形槽，方形槽的边平行于所述矩形铜箔膜片的长或宽，方形槽的边长为3、4或5mm，优选地选择5mm；

两矩形铜箔膜片相邻的宽度边一侧分别开有两个尺寸完全相同的T形槽，并且与方形槽连通，T形槽的横向槽与所在矩形铜箔膜片的宽平行，纵向槽的中心线与所在矩形铜箔膜片的纵向中心线重合，T形槽的横向槽和纵向槽的间隙均为0.4、0.6或0.8mm，优选的为0.6mm；

T形槽的横向槽的长为4、5或6mm，优选的为6mm；

T形槽的纵向槽的长为为9、10或11mm，优选的为11mm；

在与矩形铜箔膜片开槽宽度边相对的一边的中点连接有馈线22，作为十字形双模微带带通滤波器的信号输入端口和信号输出端口，采用相互正交的直接馈电方式与十字形双模微带带通滤波器内部相连；馈线的纵向中心线与馈线所在矩形铜箔膜片的纵向中心线的沿线重合，其长为8mm，宽为2.8mm；

十字形贴片及馈线所在衬底的介电常数为2.65，衬底厚度为1mm。

十字形贴片双模微带带通滤波器确保通带的带宽在微波频段范围内，采用在谐振器内部开槽作为简单而有效的微扰方式，用以激励起简并模。

本发明所述十字形贴片和馈线均为铜箔。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的滤波器拓扑结构，即在十字形贴片内部开槽的双模微带带通滤波器结构，采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度，所发明滤波器整体性能较好：仿真结果表明通带中心频率为2.75GHz，最大回波损耗优于-32dB，通带内最小插入损耗为0.60dB；对于加工的实物实际侧得3dB带宽比为63.6％。对所加工的实物进行测量表明：该结构的微带带通滤波器，其性能优于其他外形的带通滤波器。

[附图说明]

图1为本发明十字形贴片双模微带带通滤波器的几何结构示意图

图2为本发明十字形贴片双模微带带通滤波器的尺寸图

图3为谐振器的建模图

图4为十字形模式1的电场分布图

图5为十字形模式2的电场分布图

图6为本发明十字形贴片微带带通滤波器的S参数仿真图

图7为方形开槽尺寸e变化时的频率响应图

图8为十字形贴片内T形开槽间隙g变化时的频率响应图

图9为T形开槽横臂长m变化时的频率响应图

图10为T形开槽纵向长n变化时的频率响应图

图11为本发明十字形贴片微带带通滤波器的实测S参数曲线图

[具体实施方式]

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明十字形贴片双模微带带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：十字形贴片11；在十字形贴片11的内部刻蚀开槽13，开槽13由两部分组成：T形槽17和中心处的方形开槽16，开槽13作为简单有效的开槽微扰激励起简并模；采用相互正交的馈电方式，在十字形贴片11与T形槽17相对的一边设置信号输入端口和信号输出端口，并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。

图7为方形开槽尺寸e变化时的频率响应图。可以看出，方形开槽尺寸主要影响通带带宽，随着e的减小，通带带宽变宽。同时对通带右侧衰减极点、通带内最小插入损耗和最大回波损耗均有略微的影响。方形槽16的边长e选择3、4或5mm，优选地选择5mm。

图8为十字形贴片内T形开槽间隙g变化时的频率响应图。仿真表明：随着g的增大中心频率降低，通带带宽变宽，同时通带右侧衰减极点略微降低。T形槽的横向槽和纵向槽的间隙g选择0.4、0.6或0.8mm，优选地选择0.6mm。

图9为T形开槽横臂长m变化时的频率响应图。可以看出，随着m的增大中心频率降低，通带带宽变宽，通带右侧衰减极点有略微的改善，通带内最大回波损耗略微减小。T形槽的横向槽的长m选择4、5或6mm，优选地选择6mm。

图10为T形开槽纵向长n变化时的频率响应图，从图中可以看出，n的变化对滤波器的性能优良有决定性的作用。随n的增大，滤波器中心频率降低，带宽变宽，通带内最大回波损耗增大，通带右侧衰减极点降低，阻带抑制性较好。T形槽17的纵向槽的长n选择9、10或11mm，优选地选择11mm。

图2为本发明十字形贴片双模微带带通滤波器的尺寸图。其中矩形铜箔膜片的长a为24mm,宽b为8mm；馈线22的长d为8mm，款c为2.8mm；T形槽的横向槽和纵向槽的间隙g均为0.4、0.6或0.8mm，优选的为0.6mm；T形槽的横向槽的长m为4、5或6mm，优选的为6mm；T形槽17的纵向槽的长n为9、10或11mm，优选的为11mm；方形槽16的边长e为3、4或5mm，优选地选择5mm。

从现有文献来看,已经研究的微带双模谐振器(滤波器)主要包括:圆形、方形、圆环形、方环形、折线形、三角形等。

本发明是一种新型的十字形贴片双模微带带通滤波器，在滤波器的外形(拓扑结构)上不同于现有文献双模微带带通滤波器的外形(圆形、方形、圆环形、方环形、折线形、三角形等)。本发明的微带带通滤波器，其性能优于其他外形的带通滤波器。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种十字形贴片双模微带带通滤波器，其特征在于：

所述十字形贴片双模微带带通滤波器包括由两片完全相同的长为24mm，宽为8mm的矩形铜箔膜片相互叠加而形成的十字形贴片；

所述十字形贴片关于其中心对称；

环绕所述十字形贴片的所述中心开有方形槽，所述方形槽的中心与所述十字形的所述中心重合，所述方形槽的边相应平行于所述矩形铜箔膜片的长或宽，所述方形槽的边长为3、4或5mm；

在所述矩形铜箔膜片两个相邻的宽度边一侧分别开有T形槽，所述宽度边称为开槽宽度边，两个所述T形槽的尺寸完全相同，所述T形槽的横向槽与所在矩形铜箔膜片所述开槽宽度边平行，所述T形槽的纵向槽的中心线分别与所在矩形铜箔膜片的纵向中心线重合，并且所述T形槽均与所述方形槽连通；

所述T形槽的所述横向槽和所述纵向槽的间隙均为0.4、0.6或0.8mm；

所述T形槽的所述横向槽的长为4、5或6mm；

所述T形槽的所述纵向槽的长为9、10或11mm；

从两片所述矩形铜箔膜片与其相应的开槽宽度边相对的宽度边的中点沿所述矩形铜箔膜片的所述纵向中心线的沿线背离所述十字形贴片连接馈线，所述馈线的纵向中心线与所述馈线所在所述矩形铜箔膜片的所述纵向中心线的所述沿线重合，所述馈线的长为8mm，宽为2.8mm；

两条所述馈线为所述双模微带带通滤波器的信号输入端口和信号输出端口，采用相互正交的直接馈电方式与所述双模微带带通滤波器内部相连；

所述十字形贴片及所述馈线所在衬底的介电常数为2.65，所述衬底厚度为1mm。