CN103594762B - 一种可控混合电磁耦合滤波器 - Google Patents

一种可控混合电磁耦合滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控混合电磁耦合滤波器，包括至少两个1/4波长阶梯阻抗谐振器、金属导带、耦合缝隙和金属化过孔；该滤波器通过连接相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1的高阻端的金属导带和相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1低阻端之间的耦合缝隙分别实现磁耦合和电耦合，通过调节耦合缝隙的大小和金属导带距金属化通孔的距离控制电耦合和磁耦合的大小。本发明方便地控制电、磁耦合分量大小，并有效地在多个相邻的谐振器间同时引入可控混合电磁耦合，从而获得更多的传输零点，在降低滤波器阶数的同时提高频率选择性和阻带特性，以及有效地减小滤波器插入损耗和面积。

Description

一种可控混合电磁耦合滤波器
技术领域
本发明涉及一种电磁耦合滤波器，尤其涉及一种在相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器之间同时引入可控的电、磁混合耦合来产生有限传输零点的可控混合电磁耦合滤波器。
背景技术
现代无线通信系统要求滤波器具有尺寸小、插入损耗低、频率选择性高和阻带宽等特性。为了提高滤波器的频率选择性，通常可以通过增加滤波器阶数来实现，但同时增大了滤波器的插入损耗和面积；还可以通过引入传输零点实现，在降低滤波器阶数的同时提高滤波器的频率选择性和阻带特性。引入传输零点通常采用交叉耦合、旁路耦合以及源与负载耦合等方式，其主要是通过在非相邻谐振器之间、源与负载之间构造物理上具有一定相位差的多径耦合。这类耦合方式一方面在物理结构上较难实现，另一方面由于输入输出之间隔离度的降低，在实现高的频率选择性的同时往往伴随着阻带性能的恶化。另一种引入传输零点的方法是采用混合电磁耦合结构，它可以在两个相邻的谐振器之间实现共存的电、磁耦合，构建双重电磁耦合路径，进而引入传输零点。而且传输零点的位置可以通过调节混合耦合中电、磁耦合分量的相对大小进行控制。
现有的平面混合电磁耦合结构一般采用1/2波长的阶梯阻抗谐振器（或谐振环）作为谐振单元，并通过耦合缝隙在相邻谐振器低阻端之间和高阻端之间分别引入电耦合和磁耦合，进而实现混合电磁耦合。这种单靠耦合缝隙来实现混合电磁耦合的结构一方面难以方便地控制电、磁耦合分量大小，另一方面难以有效地在多个相邻的谐振器间同时引入可控的混合电磁耦合。若要实现N个可控的有限传输零点，往往需要N个二阶混合电磁耦合单元进行级联，而在相邻的二阶混合电磁耦合单元之间仅存在单一的电耦合或磁耦合，大大增加了滤波器阶数。此外，相较于1/4波长阶梯阻抗谐振器，基于1/2波长阶梯阻抗谐振器的滤波器不仅占用了两倍的面积，而且阻带性能也更难控制。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控混合电磁耦合滤波器，以方便地控制电、磁耦合分量大小，并有效地在多个相邻的谐振器间同时引入可控混合电磁耦合，从而获得更多的传输零点，在降低滤波器阶数的同时提高频率选择性和阻带特性，以及有效地减小滤波器插入损耗和面积。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可控混合电磁耦合滤波器，包括至少两个1/4波长阶梯阻抗谐振器、金属导带、耦合缝隙和金属化过孔；相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器的低阻端之间设有耦合缝隙，相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端通过金属导带连接，所述1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端的底部设有金属化过孔；所述1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端设有输入端口和输出端口；该滤波器通过连接相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1的高阻端的金属导带和相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1低阻端之间的耦合缝隙实现磁耦合和电耦合，通过调节耦合缝隙的大小和金属导带距金属化通孔的距离控制电耦合和磁耦合的大小。
更进一步的，该滤波器包括三个1/4波长阶梯阻抗谐振器，分别为一号1/4波长阶梯阻抗谐振器、二号1/4波长阶梯阻抗谐振器和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器，输入端口设置在一号1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端，输出端口设置在三号1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端；一号1/4波长阶梯阻抗谐振器和二号1/4波长阶梯阻抗谐振器为电耦合占优（电耦合分量大于磁耦合分量）的混合电磁耦合单元，二号1/4波长阶梯阻抗谐振器和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器为磁耦合占优（磁耦合分量大于电耦合分量）的混合电磁耦合单元。
更进一步的，该滤波器输入端口和输出端口均采用梯形抽头线进行耦合。
更进一步的，该滤波器介质基板采用的是0.5mm厚度的RogersRT/Duroid5880,相对介电常数为2.2。
有益效果：（1）本发明使用1/4波长阶梯阻抗谐振器，从而使滤波器在尺寸缩减的同时有效地提升了阻带特性；（2）本发明通过调节耦合缝隙的宽度和金属导带距金属化通孔的位置可以方便地控制电、磁耦合系数的大小；（3）本发明可以有效地在多个相邻的谐振器间同时引入混合电磁耦合，对于N阶滤波器，最多可以实现N-1个有限传输零点，因此可以使用较少的滤波器阶数来实现所需的频率选择性，从而减小滤波器的插入损耗和面积。
附图说明
图1是基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控混合电磁耦合滤波结构的示意图；
图2是基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控混合电磁耦合滤波结构的等效电路图；
图3是应用本发明结构的一个3阶微带准椭圆函数滤波器的结构示意图；
图4是图3中3阶微带准椭圆函数滤波器的测试和仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控混合电磁耦合滤波器，包括至少两个1/4波长阶梯阻抗谐振器1、金属导带2、耦合缝隙3和金属化过孔4。相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1的低阻端设有耦合缝隙3，相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1的高阻端通过金属导带2连接，1/4波长阶梯阻抗谐振器1底部设有金属化过孔4。
根据场分布，最大电场密度主要集中在谐振器的低阻端，最大磁场密度主要集中在谐振器的高阻端，因此可以分别通过连接相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1的高阻端的金属导带2和相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器1低阻端之间的耦合缝隙3实现磁耦合和电耦合。通过调节耦合缝隙3的大小和金属导带2距金属化通孔4的位置可以方便地控制电耦合和磁耦合的大小。假设1/4波长阶梯阻抗谐振器1的自谐振角频率为ω0，谐振器间电耦合系数为EC，磁耦合系数为MC,引入传输零点位置ωm可由以下公式得出：
ω m ω 0 = M C E C
该公式表明，当磁耦合分量大于电耦合分量，即磁耦合占优时，由该混合电磁耦合产生的传输零点位于滤波器上阻带；反之，当电耦合占优时，产生的传输零点将位于滤波器下阻带。其中，电耦合系数EC和磁耦合系数MC的大小可以方便地通过调节耦合缝隙3的宽度和金属导带2距金属化通孔4的位置分别进行控制。
图2是基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控混合电磁耦合滤波器的等效电路图。其中每个1/4波长阶梯阻抗谐振器1均通过一个并联LC支路表征，其中电感为L，电容为C，谐振器的自谐振角频率为ω0=(LC)-1/2。Lm和Cm分别代表耦合电感和耦合电容，产生对应的磁耦合和电耦合。
图3是应用本发明结构的一个3阶微带准椭圆函数滤波器的结构示意图。其中，一号1/4波长阶梯阻抗谐振器5和二号1/4波长阶梯阻抗谐振器6之间实现了电耦合占优的混合电磁耦合单元，二号1/4波长阶梯阻抗谐振器6和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器7之间实现了磁耦合占优的混合电磁耦合单元，一号1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端设有输入端口8，三号1/4波长阶梯阻抗谐振器的高阻端设有输出端口9；输入端口8和输出端口9均采用梯形抽头线进行耦合。该滤波器介质基板采用的是0.5mm厚度的RogersRT/Duroid5880,相对介电常数为2.2。
图4是图3中3阶微带准椭圆函数滤波器的测试和仿真结果。该滤波器的中心频率为3.5GHz,带宽为300MHz,带内回波损耗优于19dB,插入损耗为1.2dB。此外还有3个传输零点，分别位于3.04GHz、3.84GHz和5.75GHz，这些传输零点极大地提升了滤波器的频率选择性和阻带特性。其中第一个传输零点fz1由一号1/4波长阶梯阻抗谐振器5和二号1/4波长阶梯阻抗谐振器6组成的电耦合占优的二阶混合电磁耦合单元引入，第二个传输零点fz2由二号1/4波长阶梯阻抗谐振器6和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器7组成的磁耦合占优的二阶混合电磁耦合单元引入，第三个传输零点fz3由谐振器基波的3次谐波引入，不属于可控的传输零点。除去输入输出端口8、9，该滤波器的尺寸仅为12.7mm×5.8mm，即0.20λg×0.09λg，其中λg为在滤波器中心频率处基板的导波波长。综上所述，该滤波器在阶数较低的情况下实现了较高的频率选择性和良好的阻带特性，并具有较低的插入损耗和较小的面积。
因此，本发明提出的一种新型的基于1/4波长阶梯阻抗谐振器的可控的混合电磁耦合滤波器，一方面可以方便地控制电、磁耦合分量大小，另一方面可以有效地在多个相邻的谐振器间同时引入可控混合电磁耦合，从而获得更多的传输零点，在降低滤波器阶数的同时提高频率选择性和阻带特性，并有效地减小滤波器插入损耗和面积。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种可控混合电磁耦合滤波器，其特征在于：该滤波器包括三个1/4波长阶梯阻抗谐振器（1）、金属导带（2）、耦合缝隙（3）和金属化过孔（4）；所述1/4波长阶梯阻抗谐振器（1）的高阻端的底部设有金属化过孔（4），相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器（1）的低阻端之间设有耦合缝隙（3），相邻1/4波长阶梯阻抗谐振器（1）的高阻端通过金属导带（2）连接；
所述三个1/4波长阶梯阻抗谐振器（1），分别为一号1/4波长阶梯阻抗谐振器（5）、二号1/4波长阶梯阻抗谐振器（6）和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器（7），一号1/4波长阶梯阻抗谐振器（5）的高阻端设置有输入端口（8），三号1/4波长阶梯阻抗谐振器（7）的高阻端设置有输出端口（9）；所述一号1/4波长阶梯阻抗谐振器（5）和二号1/4波长阶梯阻抗谐振器（6）组成电耦合占优的混合电磁耦合滤波单元，所述二号1/4波长阶梯阻抗谐振器（6）和三号1/4波长阶梯阻抗谐振器（7）组成磁耦合占优的混合电磁耦合滤波单元；
所述输入端口（8）和输出端口（9）均采用梯形抽头线进行耦合；该滤波器介质基板采用0.5mm厚度的RogersRT/Duroid5880，相对介电常数为2.2。
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