CN103326091A

CN103326091A - 一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器

Info

Publication number: CN103326091A
Application number: CN2013102458518A
Authority: CN
Inventors: 邓宏伟; 赵永久; 付勇; 贺莹
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103326091B

Abstract

本发明提供一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器：由两个相互对称且相互连接的微带带通滤波器构成，微带带通滤波器包括依次连接的50欧姆馈线一、微带线一、阶梯阻抗谐振器一及依次连接的50欧姆馈线二、微带线二、阶梯阻抗谐振器二，阶梯阻抗谐振器三与阶梯阻抗谐振器一、梯阻抗谐振器四相耦合，梯阻抗谐振器四与阶梯阻抗谐振器二相耦合，阶梯阻抗谐振器三、梯阻抗谐振器四的末端位于对称轴上。本发明具有结构新颖、高选择性、高共模抑制、低插损、低成本的特点。

Description

一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带滤波器，其运用于无线局域网信道，属于通信领域。

背景技术

现代通信系统的集成度提高导致通信系统中的噪声增大，进而使得通信系统的信噪比降低，平衡电路可以高效抑制环境噪声和系统内部有源器件产生的噪声，因而被广泛应用于现代通信系统中。平衡微带双工器作为通信系统的终端元件，在差模信号输入时具有滤波特性，并且具有较高的共模抑制能力，可以有效减小共模噪声对系统的影响。然而传统平衡滤波器通过一个单端口滤波器和两个巴伦结构构成，这样不但电路面积巨大，而且共模噪声抑制能力比较差。而如果使用双边微带耦合带线结构，可以得到很高的共模抑制，但是由此带来的缺陷是电路尺寸的增大。而且高选择性也是衡量一个滤波器优劣的一个重要指标。

发明内容

针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器，工作在无线局域网（WLAN）信道。由形成于PCB板上的两个相互轴对称且连接在一起的微带带通滤波器构成，即第一微带带通滤波器和第二微带带通滤波器，第一微带带通滤波器和第二微带带通滤波器结构相同。微带带通滤波器包括50欧姆馈线一、50欧姆馈线二、微带线一、微带线二、阶梯阻抗谐振器一、阶梯阻抗谐振器二、阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四。微带线一一端与50欧姆馈线一相连接，另一端与阶梯阻抗谐振器一相连接。50欧姆馈线一的另一端可以直接作为端口使用，也可以使其与端口相连接。阶梯阻抗谐振器一与阶梯阻抗谐振器三互嵌耦合，也就说阶梯阻抗谐振器一的凸起部和阶梯阻抗谐振器三的凹入部相耦合，阶梯阻抗谐振器一的凹入部和阶梯阻抗谐振器三的凸起部相耦合。阶梯阻抗谐振器三的末端位于对称轴上，也就是说第一带通滤波器的阶梯阻抗谐振器三的末端和第二带通滤波器的阶梯阻抗谐振器三的末端相连接且连接点位于对称轴上。50欧姆馈线一、微带线一、阶梯阻抗谐振器一、阶梯阻抗谐振器三与50欧姆馈线、微带线二、阶梯阻抗谐振器二、阶梯阻抗谐振器四镜像对称，也就是说50欧姆馈线一、微带线一、阶梯阻抗谐振器一、阶梯阻抗谐振器三与50欧姆馈线、微带线二、阶梯阻抗谐振器二、阶梯阻抗谐振器四并排对称设置。阶梯阻抗谐振器三与阶梯阻抗谐振器四相耦合。

50欧姆馈线一的左侧为端口P1，50欧姆馈线二的右侧为端口P2。由于50欧姆馈线一、微带线一、阶梯阻抗谐振器一、阶梯阻抗谐振器三与50欧姆馈线二、微带线二、阶梯阻抗谐振器二、阶梯阻抗谐振器四镜像对称，端口P1和端口P2既可以作为输出端口，也可以作为输入端口；也就是说，当端口P1作为输入端口时，P2就作为输出端口；当端口P2作为输入端口时，P1就作为输出端口。

当差模信号通过两个端口（P1或P2）进入平衡微带带通滤波器时，平衡微带带通滤波器在对称轴上的部分相当于短路接地，阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四在对称轴上接地变成短路阶梯阻抗谐振器。50欧姆馈线一、微带线一以及阶梯阻抗谐振器一构成输入（输出）平行耦合馈线，50欧姆馈线二、微带线二以及阶梯阻抗谐振器二构成输出（输入）平行耦合馈线，此时平衡微带带通滤波器等效成一个二阶阶梯阻抗梳状线滤波器，输入、输出平行耦合馈线与阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四耦合产生的传输零点T_z1、T_z2分别位于上通带边缘和上阻带中，可以获得较高的通带选择性和较高上阻带抑制。

当共模信号通过两个端口（P1或P2）进入平衡微带带通滤波器时，平衡微带带通滤波器在对称轴上面连接部分相当于开路，阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四在对称轴上开路，阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四变成开路阶梯阻抗谐振器，50欧姆馈线一和微带线一构成输入（输出）抽头馈线连接在阶梯阻抗谐振器一上，50欧姆馈线二和微带线二构成输出（输入）抽头馈线连接在阶梯阻抗谐振器二上，此时平衡微带带通滤波器等效成一个四阶平行耦合阶梯阻抗滤波器，由于阶梯阻抗谐振器一、阶梯阻抗谐振器二与阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四的谐振频率不同且在无线局域网信道都没有谐振点，所以能够获得较好的共模抑制效果。

作为本发明的进一步改进：分别在二个微带带通滤波器的阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四之间加入阶梯阻抗谐振器五。阶梯阻抗谐振器五与阶梯阻抗谐振器四并排放置，由于阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四对称设置，阶梯阻抗谐振器五的凸起部在阶梯阻抗谐振器五的左边或右边对本方案所起的效果是相同的。阶梯阻抗谐振器五的末端位于对称轴上，也就是说第一带通滤波器的阶梯阻抗谐振器五的末端和第二带通滤波器的阶梯阻抗谐振器五的末端相连接且连接点位于对称轴上。阶梯阻抗谐振器五与阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四相耦合，阶梯阻抗谐振器三与阶梯阻抗谐振器四之间交叉耦合。当差模信号通过两个端口（P1或P2）进入平衡微带带通滤波器时，平衡滤波器在对称轴上面连接部分相当于短路接地，此时阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四、阶梯阻抗谐振器五在对称轴上接地变成短路阶梯阻抗谐振器，此时平衡微带带通滤波器等效成一个三阶阶梯阻抗梳状线滤波器，在二阶阶梯阻抗梳状线滤波器的基础上，彼此不相邻的阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四交叉耦合产生的新传输零点T_z3位于上通带边缘，这样进一步提高了通带的选择性。当共模信号通过两个端口（P1或P2）进入平衡微带带通滤波器时，平衡微带带通滤波器在对称轴上面连接部分相当于开路，此时阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四和阶梯阻抗谐振器五在对称轴上接地变成开路阶梯阻抗谐振器，此时平衡微带带通滤波器等效成一个五阶平行阻耦合阶梯阻抗滤波器，在四阶平行阻耦合阶梯阻抗滤波器的基础上，因为阶数的增加，所以能够获得更好的共模抑制效果。

作为本发明的再进一步改进：在微带带通滤波器的阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四之间加入多个并排设置的阶梯阻抗谐振器五，也就是说阶梯阻抗谐振器三和阶梯阻抗谐振器四之间具有N（N大于1）个阶梯阻抗谐振器五。多个阶梯阻抗谐振器五之间相互耦合。平衡微带带通滤波器等效为一个N+2阶阶梯阻抗梳状线滤波器，在差模信号下通过多个彼此不相邻的阶梯阻抗谐振器之间的交叉耦合会在上通带边缘引入新的相应传输零点，且随着阶数的增加一步步靠近上通带边缘，从而一步步提高通带的选择性。平衡微带带通滤波器在共模信号下等效为一个N+4阶平行耦合阶梯阻抗滤波器，由于平衡微带带通滤波器阶数的不断提高，从而又进一步的提高共模抑制。

上述技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果。

1、共膜抑制高。

2、频率选择性能高。

3、成本低：由于该滤波器结构仅由单层介质板外加上、下两层金属敷层构成，所以可采用目前非常成熟的单层印刷电路板（PCB）加工工艺来生产，再加上其小型化的特点，使得整个板材尺寸更小，加工成本十分低廉。

4、易于集成：由于该滤波器采用的是微带结构，体积小，重量轻，因此易于与其他电路集成。

附图说明

图1是单层印刷电路板的示意图。

图2是二阶平衡微带滤波器的示意图。

图3是三阶平衡微带滤波器的示意图。

图4是N阶平衡微带滤波器的示意图。

图5是三阶平衡微带滤波器在差模信号下的等效图。

图6是三阶平衡微带滤波器在共模信号下的等效图。

图7是二阶平衡微带滤波器HFSS软件S参数仿真结果。

图8是三阶平衡微带滤波器HFSS软件S参数仿真结果。

图9是二阶平衡微带滤波器通过矢量网络分析仪的S参数实测结果。

图10是三阶平衡微带滤波器通过矢量网络分析仪的S参数实测结果。

附图标记名称如下： 1、第一带通滤波器；2、第二带通滤波器；3、50欧姆馈线一；4、50欧姆馈线二；5、微带线一；6、微带线二；7、阶梯阻抗谐振器一；8、阶梯阻抗谐振器二；9、阶梯阻抗谐振器三；10、阶梯阻抗谐振器四；11、阶梯阻抗谐振器五；12、上金属贴片；13、介质基片；14、下金属贴片。

具体实施方案

为叙述方便，下文中所称的“上”、“下”、“左”、“右”与附图本身的上、下、左、右方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本发明为一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带滤波器，其输出端口和输入端口分别用SMA头焊接，以便接入测试或者实用器件。

如图1所示：本发明采用相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm的PCB板作为基板，也可以采用其他规格的PCB板作为基板。在PCB板的介质基片13的上、下表面分别包覆有上金属贴片12和下金属贴片14。

如图2所示，二阶平衡微带带通滤波器由形成于PCB板上相互轴对称且相互连接的两个微带滤波器构成，即第一微带带通滤波器1和第二微带带通滤波器2。第一带通滤波器1和第二带通滤波器2以AA`为对称轴对称。第一带通滤波器1包括50欧姆馈线一3、50欧姆馈线二4、微带线一5、微带线二6、阶梯阻抗谐振器一7、阶梯阻抗谐振器二8、阶梯阻抗谐振器三9、阶梯阻抗谐振器四10。50欧姆馈线一3一端为端口P1，另一端与微带线一5相连接。微带线一5的另一端与阶梯阻抗谐振器一7相连接。阶梯阻抗谐振器一7与阶梯阻抗谐振器三9互嵌耦合，即阶梯阻抗谐振器一的凸起部和阶梯阻抗谐振器三的凹入部相耦合，阶梯阻抗谐振器一的凹入部和阶梯阻抗谐振器三的凸起部相耦合。50欧姆馈线一3、微带线一5、阶梯阻抗谐振器一7、阶梯阻抗谐振器三9与50欧姆馈线二4、微带线二6、阶梯阻抗谐振器二8、阶梯阻抗谐振器四10镜像对称。50欧姆馈线二4的一端为端口P2，另一端与微带线二6相连接。微带线二6的另一端与阶梯阻抗谐振器二8相连接。阶梯阻抗谐振器二8与阶梯阻抗谐振器四10互嵌耦合。阶梯阻抗谐振器三9与阶梯阻抗谐振器四10相互耦合。第二带通滤波器2的结构与第一带通滤波器1的结构相同。第一微带带通滤波器1阶梯阻抗谐振器三9的末端与第二微带带通滤波器2阶梯阻抗谐振器三9的末端相连接，且连接点位于对称轴AA`上。第一微带带通滤波器1阶梯阻抗谐振器四10的末端与第二微带带通滤波器2阶梯阻抗谐振器四10的末端相连接，且连接点位于对称轴AA`上。

如图3所示：第一微带带通滤波器1和第二微带带通滤波器2各增加了一个阶梯阻抗谐振器五11，阶梯阻抗谐振器五11位于阶梯阻抗谐振器三9与阶梯阻抗谐振器四10之间，且与阶梯阻抗谐振器四10并排设置，形成了三阶平衡微带带通滤波器。阶梯阻抗谐振器五11分别和阶梯阻抗谐振器三9、阶梯阻抗谐振器四10相耦合，阶梯阻抗谐振器三9与阶梯阻抗谐振器四10交叉耦合。第一微带带通滤波器1阶梯阻抗谐振器五11的末端与第二微带带通滤波器2阶梯阻抗谐振器五11的末端相连接，且连接点位于对称轴AA`上，并且二者以AA`为对称轴对称。

图4为N（N>2）阶平衡微带滤波器。即在第一微带带通滤波器1和第二微带带通滤波器2各增加了N-2个阶梯阻抗谐振器五11。N-2个阶梯阻抗谐振器五11位于阶梯阻抗谐振器三9和阶梯阻抗谐振器四10之间,与阶梯阻抗谐振器四10并排设置。并分别和阶梯阻抗谐振器三9、阶梯阻抗谐振器四10相耦合，N-2个阶梯阻抗谐振器五11之间也相互耦合。第一微带带通滤波器1阶梯阻抗谐振器五11的末端与相对应的第二微带带通滤波器2阶梯阻抗谐振器五11的末端相连接，且连接点位于对称轴AA`上，二个阶梯阻抗谐振器五11以AA`为对称轴对称。

如图5所示：当差模信号通过两个P1或者P2端口进入平衡滤波器时，平衡滤波器在AA`对称轴上面链接部分相当于短路接地，阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四和阶梯阻抗谐振器五在AA`对称轴上接地变成短路阶梯阻抗谐振器，此时本发明平衡滤波器等效成一个三阶阶梯阻抗梳状线滤波器。

如图6所示：当共模信号通过两个P1或者P2端口进入平衡滤波器时，平衡滤波器在AA`对称轴上面链接部分相当于开路，阶梯阻抗谐振器三、阶梯阻抗谐振器四和阶梯阻抗谐振器五在AA`对称轴上接地变成开路阶梯阻抗谐振器，此时本发明平衡滤波器等效成一个五阶平行阻耦合阶梯阻抗滤波器。

如图7所示：二阶平衡微带滤波器HFSS软件S参数仿真结果：包括差模信号回波损耗曲线S_dd11、差模信号插入损耗曲线S_dd21、共模信号插入损耗曲线S_cc21。由图可见，中心频率为2.45GHz的差模通带相对带宽为8%，上通带边缘的传输零点T_z1达到-72dB，传输零点T_z2达到-68dB，在11.5GHz范围内上阻带抑制优于-25dB。整个频段内共模抑制优于-27dB，且差模通带内共模抑制优于-32dB。

如图8所示：三阶平衡微带滤波器HFSS软件S参数仿真结果：包括差模信号回波损耗曲线S_dd11、差模信号插入损耗曲线S_dd21、共模信号插入损耗曲线S_cc21。由图可见，中心频率为2.45GHz的差模通带相对带宽为8%，紧挨上通带边缘的新传输零点T_z3达到-60dB以获得更好的差模通带的选择性，传输零点T_z2达到-78dB，在11.5GHz范围内上阻带抑制优于-25dB。整个频段内共模抑制优于-34dB，且差模通带内共模抑制优于-42dB，达到很高的共模抑制效果。

如图9所示：二阶平衡微带滤波器通过矢量网络分析仪的S参数实测结果：包括差模信号回波损耗曲线S_dd11、差模信号插入损耗曲线S_dd21、共模信号插入损耗曲线S_cc21。实测结果和仿真结果基本吻合。

如图10所示：三阶平衡微带滤波器通过矢量网络分析仪的S参数实测结果：包括差模信号回波损耗曲线S_dd11、差模信号插入损耗曲线S_dd21、共模信号插入损耗曲线S_cc21。实测结果和仿真结果基本吻合。

Claims

1.一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器，其特征在于：由形成于PCB板上的两个相互轴对称且连接在一起的微带带通滤波器构成，即第一微带带通滤波器（1）和第二微带带通滤波器（2），第一微带带通滤波器（1）、第二微带带通滤波器（2）包括50欧姆馈线一（3）、50欧姆馈线二（4）、微带线一（5）、微带线二（6）、阶梯阻抗谐振器一（7）、阶梯阻抗谐振器二（8）、阶梯阻抗谐振器三（9）、阶梯阻抗谐振器四（10），微带线一（5）一端与50欧姆馈线一（3）相连接，另一端与阶梯阻抗谐振器一（7）相连接，阶梯阻抗谐振器一（7）与阶梯阻抗谐振器三（9）互嵌耦合，阶梯阻抗谐振器三（9）的末端位于对称轴上， 50欧姆馈线一（3）、微带线一（5）、阶梯阻抗谐振器一（7）、阶梯阻抗谐振器三（9）与50欧姆馈线二（4）、微带线二（6）、阶梯阻抗谐振器二（8）、阶梯阻抗谐振器四（10）镜像对称，阶梯阻抗谐振器三（9）与阶梯阻抗谐振器四（10）相耦合。

2.根据权利要求1所述的平衡微带带通滤波器，其特征在于：第一微带带通滤波器（1）、第二微带带通滤波器（2）还包括阶梯阻抗谐振器五（11），阶梯阻抗谐振器五（11）与阶梯阻抗谐振器四（10）并排放置，阶梯阻抗谐振器五（11）位于阶梯阻抗谐振器三（9）和阶梯阻抗谐振器四（10）之间，阶梯阻抗谐振器五（11）与阶梯阻抗谐振器三（9）、阶梯阻抗谐振器四（10）相耦合，阶梯阻抗谐振器三（9）与阶梯阻抗谐振器四（10）之间交叉耦合，阶梯阻抗谐振器五（11）的末端位于对称轴上。

3.根据权利要求2所述的平衡微带带通滤波器，其特征在于：阶梯阻抗谐振器三（9）和阶梯阻抗谐振器四（10）之间有多个并排设置的阶梯阻抗谐振器五（11）。