CN103715483B - 一种宽带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滤波器，是一种具有多层结构的小型宽带带通滤波器，设计采用多层微带结构实现带通滤波器的集总参数元件模型，用螺旋折线设计电感，平板结构设计电容，利用一个螺旋电感和平板电容的组合构成一个等效谐振电路。结构由三层金属导带和两层传输介质组成，金属层第一层上实现了两个电感L1和一个耦合电容C0的串联，第二层上并联了两个串联谐振电路，第三层上实现了三个金属过孔接地，并且通过挖出裂缝地去除了对地电容耦合。结合现代工艺的技术，本设计结构能够满足小型化和宽带的要求，并且具有一定的简单实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波器，具体的说是一种多层结构的小型宽带带通滤波器。
背景技术
在现代通信系统中，带通滤波器作为一个重要的组成部分被广泛应用。前几年，传统的基于平行耦合微带线的带通滤波器已经被广泛的研究，众所周知，传统的耦合微带滤波器在L波段和S波段的尺寸都非常的大。而随着通讯业的不断发展，人们对于小型化和宽带的要求越来越高，近几年，关于低温共烧陶瓷(LTCC)、液晶聚合物(LCP)等工艺技术也被相应的进行了广泛研究。然而，这些高工艺生产成本高，设计结构较为复杂。本设计是基于微波PCB版设计的多层结构的带通滤波器，具有尺寸小，带宽宽，结构简单，成本低廉等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带较宽、尺寸较小、成本低廉的带通滤波器。
实现本发明目的的技术方案是：本设计理论是基于传统的集总参数滤波器综合理论，采用低通滤波器与高通滤波器级联而成一个宽带带通滤波器，设计采用多层微带结构来实现宽带带通滤波器的集总参数元件模型，用螺旋折线设计电感，平板结构设计电容，利用一个螺旋电感和平板电容的组合构成一个等效谐振电路，可以通过调节螺旋电感的节数和平板电容的面积大小来改变谐振频率；通过增加耦合电容和耦合电感的值来调节带通滤波器电路的传输零点以获得更陡峭的边带抑制。利用微带线分布参数原理将端口匹配到50欧姆线上，最后再通过如挖孔，远离等技术尽量减少甚至去除电路之间的各微带线之间的多余的耦合，以获得理想的滤波器结果。
具体技术方案如下：
一种宽带带通滤波器，适于制作于多层电路板中，由第一低通滤波器单元、高通滤波器单元、第二低通滤波器单元依次级联组成，输入端口P1与第一低通滤波器单元相连，第二低通滤波器单元连接输出端口P2，电路为对称结构，其中电感L11与电容C11组成第一低通滤波器单元，电容C11一端与输入端口P1及电感L11连接，另一端和电感L01相连，电感L01接地；两个对称的电容C21和C22的一端相连后与电感L2串联构成高通滤波器单元，电感L2接地，两个对称的电容C21和C22之间通过电容C0相耦合；第二低通滤波器单元由电感L12和电容C12组成，电容C12一端与输出端口P1及电感L12连接，另一端和电感L02相连，电感L02接地；电感L01、电感L02产生高频传输零点，电容C0产生低频段传输零点。
所述的第一低通滤波器单元与第二低通滤波器单元对称，电感L11与电感L12对称，电容C11与电容C12对称，电感L01与电感L02对称，所述的高通滤波器单元中C21与C22对称。
一种宽带带通滤波器，适于制作于多层电路板中，该宽带带通滤波器三维结构模型为对称结构，依次包括第一信号层J1、第二信号层J2及接地层J3，三层信号层之间通过两层传输介质相连，所述第一信号层J1包括对称分布的输入端口P1和输出端口P2，电容C11的上极板一端与输入端口P1连接，另一端与电感L11连接，电感L11的另一端与电容C21的上极板连接，两个对称的电容C21和C22的上极板之间的间隙和调节片T1共同构成电容C0；电感L12的一端与电容C22的上极板连接，另一端与电容C12的上极板连接，电容C12的上极板与输出端口P2相连接；其中，输入端口P1和输出端口P2对称，电容C11和电容C12的上极板对称，电容C21和C22的上极板对称，电感L11和电感L12对称；
所述第二信号层J2上电感L01一端与电容C11的下极板连接，另一端通过第一金属接地过孔G1连接到地，电容C21与电容C22的下极板连接后串联电感L2，电感L2另一端通过第二金属接地过孔G2连接到地，电感L02一端与电容C12的下极板连接，另一端通过第三金属接地过孔G3连接到地；其中，电容C11与C12的下极板对称，电感L01和电感L02对称，电容C21和电容C22的下极板对称；
所述的接地层J3上挖掉了与第二信号层J2上电容C11、C21、C22、C12的下极板相对应的四个矩形凹槽，并与第二信号层J2之间通过第一金属接地过孔G1、第二金属接地过孔G2、第三金属接地过孔G3相连通。
本发明与现有技术相比，其优点在于：(1)性能优良。带宽较宽，3dB带宽为1.1-2.7GHz(相对带宽为80％)之间，当带宽为1.4-2.4GHz之间时，回波损耗大于14dB，插入损耗小于1.0dB，在0.8GHz和2.8GHz产生两个传输零点,带外抑制大于15dB；(2)尺寸小巧。相对尺寸为0.25λg×0.10λg(λg为相对于1.9GHZ时的波导波长)；(3)成本低廉。结构采用介电常数为3.38厚度为0.5mm的微波介质基板，两层介质结构，介质之间无电连接，加工简单，可大规模生产。
附图说明
图1为本发明一种宽带带通滤波器电路原理图。
其中，P1-输入端口，P2-输出端口。
图2为本发明一种宽带带通滤波器三层金属层剖面结构示意图。
其中，P1-输入端口，P2-输出端口，J1-第一信号层，J2-第二信号层，J3-接地层，G1-第一金属接地孔，G2-第二金属接地孔，G3-第三金属接地孔，T1-调节片，D11-第一横向矩形槽，D12-第二横向矩形槽，D21-第一纵向矩形槽，D22-第二纵向矩形槽。
图3本发明宽带带通滤波器的三维结构示意图。
M1-第一传输介质层，M2-第二传输介质层。
图4本发明宽带带通滤波器的S参数测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是该小型宽带带通滤波器的电路原理图，通过两个低通滤波器(LPF)和一个高通滤波器(HPF)级联组成满足要求的宽带带通滤波器。电路为对称结构，其中电感L11和电容C11组成第一低通滤波器单元，电感L12和电容C12组成第二低通滤波器单元，电感L2和电容C21和C22组成高通滤波器单元，电感L01、L02产生高频端传输零点，电容C0产生低频段传输零点。
该小型宽带带通滤波器三维结构模型同样为对称结构，由三层金属导带和两层微波PCB介质组成。
其三层金属导带层剖面结构如图2所示，接地层J3上第一横向矩形槽D11，第二横向矩形槽D12，第一纵向矩形槽D21，第二纵向矩形槽D22为裂缝地。
其中输入端口P1和输出端口P2是匹配到50欧姆的输入输出端微带传输线，电感L11、L12、L2、L01和L02为三个螺旋电感，电容C11、C12、C21、C22为平板电容，电容C0为耦合电容。
第一信号层J1放置两个电感L11、L12，第二信号层J2放置两个对称的电感L01、L02以及一个电感L2；第一信号层J1上的上极板和第二信号层上的下极板构成电容C11、C21、C22、C12，第一信号层J1上的两个对称的电容C21、C22之间的间隙和调节片T1共同构成电容C0。
电容C11一端与输入端口P1连接，另一端和电感L01相连，并通过第一金属过孔G1连接到地，构成串联谐振电路；电感L11一端和输入端口P1相连后，另一端串联电容C21，电容C21的另一端和电感L2相连，并通过第二金属过孔G2连接到地；两个对称电容C21、C22之间通过一个很小的耦合电容C0相连。电容C0上有两个中心对称的调节片T1，通过左极板向左延伸、右极板向右延伸的方式设计调节片，目的是在有限的尺寸内增大两极板之间的耦合。
因为滤波器为对称设计，所以右半部分和左半部分基本相同。
第一信号层J1和第二信号层J2之间无实体连接，仅通过金属片之间的耦合形成平板电容，此电容大小可通过平板的大小进行相应调节，解决了多层之间的纵向连接不可靠的问题。第二信号层J2和第三信号层J3之间通过三个金属化过孔相连通。在第一信号层J1上实现了两个电感L11、L12和一个耦合电容C0的串联，第二信号层J2上并联了两个串联谐振电路(电感L01和电容C11及电感L02和电容C12)，接地层J3上实现了三个接地孔等电位(理想地)和去除多余的电容耦合。
第一信号层J1和第二信号层J2之间通过电容C11、C21、C22、C12相耦合，并且第二信号层J2和接地层J3之间通过第一金属接地过孔G1、第二金属接地过孔G2和第三金属接地过孔G3相连通，实现了单层板设计多层板的设计方案。
两层介质，第一传输介质层M1和第二传输介质层M2分别在第一信号层J1和第二信号层J2、第二信号层J2和接地层J3之间，其三维结构如图3所示，信号在端口Port1和Port2之间传输，Port1即为输入端P1，Port2即为输出端P2。
实施例一：
一种宽带带通滤波器，适于制作于多层电路板中，由第一低通滤波器单元、高通滤波器单元、第二低通滤波器单元依次级联组成，输入端口P1与第一低通滤波器单元相连，第二低通滤波器单元连接输出端口P2，电路为对称结构，其中电感L11与电容C11组成第一低通滤波器单元，电容C11一端与输入端口P1及电感L11连接，另一端和电感L01相连，电感L01接地；两个对称的电容C21和C22的一端相连后与电感L2串联构成高通滤波器单元，电感L2接地，两个对称的电容C21和C22之间通过电容C0相耦合；第二低通滤波器单元由电感L12和电容C12组成，电容C12一端与输出端口P1及电感L12连接，另一端和电感L02相连，电感L02接地；电感L01、电感L02产生高频端传输零点，电容C0产生低频段传输零点。
所述的第一低通滤波器单元与第二低通滤波器单元对称，电感L11与电感L12对称，电容C11与电容C12对称，电感L01与电感L02对称，所述的高通滤波器单元中C21与C22对称。
该宽带带通滤波器三维结构模型为对称结构，依次包括第一信号层J1、第二信号层J2及接地层J3，三层信号层之间通过两层传输介质相连，所述第一信号层J1包括对称分布的输入端口P1和输出端口P2，电容C11的上极板一端与输入端口P1连接，另一端与电感L11连接，电感L11的另一端与电容C21的上极板连接，两个对称的电容C21和C22的上极板之间的间隙和调节片T1共同构成电容C0；电感L12的一端与电容C22的上极板连接，另一端与电容C12的上极板连接，电容C12的上极板与输出端口P2相连接；其中，输入端口P1和输出端口P2对称，电容C11和电容C12的上极板对称，电容C21和C22的上极板对称，电感L11和电感L12对称；
所述第二信号层J2上电感L01一端与电容C11的下极板连接，另一端通过第一金属接地过孔G1连接到地，电容C21与电容C22的下极板连接后串联电感L2，电感L2另一端通过第二金属接地过孔G2连接到地，电感L02一端与电容C12的下极板连接，另一端通过第三金属接地过孔G3连接到地；其中，电容C11与C12的下极板对称，电感L01和电感L02对称，电容C21和电容C22的下极板对称；
所述的接地层J3上挖掉了与第二信号层J2上电容C11、C21、C22、C12的下极板相对应的的四个矩形凹槽，并与第二信号层J2之间通过第一金属接地过孔G1、第二金属接地过孔G2、第三金属接地过孔G3相连通。
所述的第一信号层J1、第二信号层J2及接地层J3分别为三层金属导带层，连接三层信号层的两层传输介质为微波PCB介质。
所述的输入端口P1是匹配到50欧姆的输入端微带传输线，所述的输出端口P2是匹配到50欧姆的输出端微带传输线。
所述的电容C11、C21、C22、C12为平板电容，电感L01、L02、L11、L12、L2为螺旋电感。
所述的调节片T1为设置在电容C0上的两个中心对称的调节片，通过左极板向左延伸，右极板向右延伸的方式设计。
所述的微波PCB介质为介电常数为3.38厚度为0.5mm的微波介质基板。
实施例二：
(1)介质基板采用Rogers RO4003基板，单层厚度0.5mm，金属层材料为镀银敷铜，加工精度±0.01mm；
(2)图1中，L11＝2.8nH,L12＝2.8nH,L2＝4.6nH,L01＝0.8nH,L02＝0.8nH,C11＝1.3pF,C12＝1.3pF,C21＝2.8pF,C22＝2.8pF,C01＝0.31pF,C02＝0.31pF；所述C01、C02的值由调节片T1在电容C0上调节而成。
(3)图2中，第一输入端微带传输线P1线宽2.3mm、长度7.0mm，电感L11、L12线宽0.2mm、线距0.1mm、长度16.1mm；电感L2线宽0.2mm、线距0.1mm、长度19.1mm；电感L01、L02线宽0.2mm、线距0.1mm、长度4.5mm；电容C11、C12线宽2.0mm、长度4.9mm；电容C21、C22线宽2.8mm、长度6.7mm；电容C0线宽0.2mm、缝隙0.1mm、长度2.8mm，第一金属接地过孔(G1)、第二金属接地过孔(G2)、第三金属接地过孔(G3)为圆柱过孔，其半径0.5mm，长度0.5mm；
(3)图3中第一传输介质层M1和第二传输介质层M2的厚度均为0.5mm。
结合图4的测试结果表明，该小型化宽带带通滤波器具有3dB带宽为1.1-2.7GHz，相对带宽为80％以上，当带宽为1.4-2.4GHz之间时，回波损耗大于14dB，插入损耗小于1.0dB，该滤波器整体物理尺寸为35×15×1mm3，面积相对尺寸为0.25λg×0.10λg(λg为相对于1.9GHZ时的波导波长)，测试结果与设计理论基本吻合，可满足现代宽带无线通信的基本要求。
Claims (7)
1.一种宽带带通滤波器，适于制作于多层电路板中，其特征在于：由第一低通滤波器单元、高通滤波器单元、第二低通滤波器单元依次级联组成，输入端口(P1)与第一低通滤波器单元相连，第二低通滤波器单元连接输出端口(P2)，电路为对称结构，其中电感L11与电容C11组成第一低通滤波器单元，电容C11一端与输入端口(P1)及电感L11连接，另一端和电感L01相连，电感L01接地；两个对称的电容C21和C22的一端相连后与电感L2串联构成高通滤波器单元，电感L2接地，两个对称的电容C21和C22之间通过电容C0相耦合；第二低通滤波器单元由电感L12和电容C12组成，电容C12一端与输出端口(P2)及电感L12连接，另一端和电感L02相连，电感L02接地；电感L01、电感L02产生高频端传输零点，电容C0产生低频段传输零点；
所述的第一低通滤波器单元与第二低通滤波器单元对称，电感L11与电感L12对称，电容C11与电容C12对称，电感L01与电感L02对称，所述的高通滤波器单元中C21与C22对称；
所述宽带带通滤波器用螺旋折线设计电感，平板结构设计电容。
2.一种宽带带通滤波器，适于制作于多层电路板中，该宽带带通滤波器三维结构模型为对称结构，依次包括第一信号层(J1)、第二信号层(J2)及接地层(J3)，三层信号层之间通过两层传输介质即第一传输介质层(M1)和第二传输介质层(M2)相连，其特征在于：
所述第一信号层(J1)包括对称分布的输入端口(P1)和输出端口(P2)，电容C11的上极板一端与输入端口(P1)连接，另一端与电感L11连接，电感L11的另一端与电容C21的上极板连接，两个对称的电容C21和C22的上极板之间的间隙和调节片(T1)共同构成电容C0；电感L12的一端与电容C22的上极板连接，另一端与电容C12的上极板连接，电容C12的上极板与输出端口(P2)相连接；其中，电容C11和电容C12的上极板对称，电容C21和C22的上极板对称，电感L11和电感L12对称；
所述第二信号层(J2)上电感L01一端与电容C11的下极板连接，另一端通过第一金属接地过孔(G1)连接到地，电容C21与电容C22的下极板连接后串联电感L2，电感L2另一端通过第二金属接地过孔(G2)连接到地，电感L02一端与电容C12的下极板连接，另一端通过第三金属接地过孔(G3)连接到地；其中，电容C11与C12的下极板对称，电感L01和电感L02对称，电容C21和电容C22的下极板对称；所述的接地层(J3)上挖掉了与第二信号层(J2)上电容C11、C21、C22、C12的下极板相对应的四个矩形凹槽，并与第二信号层(J2)之间通过第一金属接地过孔(G1)、第二金属接地过孔(G2)、第三金属接地过孔(G3)相连通；
所述的第一信号层(J1)、第二信号层(J2)及接地层(J3)分别为三层金属导带层，连接三层信号层的两层传输介质为微波PCB介质；
所述宽带带通滤波器用螺旋折线设计电感，平板结构设计电容。
3.根据权利要求2所述的一种宽带带通滤波器，其特征在于:所述的输入端口(P1)是匹配到50欧姆的输入端微带传输线，所述的输出端口(P2)是匹配到50欧姆的输出端微带传输线。
4.根据权利要求2所述的一种宽带带通滤波器，其特征在于:所述的电容C11、C21、C22、C12为平板电容，电感L01、L02、L11、L12、L2为螺旋电感。
5.根据权利要求2所述的一种宽带带通滤波器，其特征在于:所述的调节片(T1)为设置在电容C0上的两个中心对称的调节片，通过左极板向左延伸，右极板向右延伸的方式设计。
6.根据权利要求2所述的一种宽带带通滤波器，其特征在于:所述的电感L11＝2.8nH，L12＝2.8nH，L2＝4.6nH，L01＝0.8nH，L02＝0.8nH,电容C11＝1.3pF，C12＝1.3pF,C21＝2.8pF，C22＝2.8pF,C01＝0.31pF,C02＝0.31pF，所述C01、C02的值由调节片(T1)在电容C0上调节而成；
输入端口P1线宽2.3mm、长度7.0mm，电感L11、L12线宽0.2mm、线距0.1mm、长度16.1mm；电感L2线宽0.2mm、线距0.1mm、长度19.1mm；电感L01、L02线宽0.2mm、线距0.1mm、长度4.5mm；电容C11、C12线宽2.0mm、长度4.9mm；电容C21、C22线宽2.8mm、长度6.7mm；电容C0线宽0.2mm、缝隙0.1mm、长度2.8mm，第一金属接地过孔(G1)、第二金属接地过孔(G2)、第三金属接地过孔(G3)为圆柱过孔，其半径为0.5mm，长度为0.5mm。
7.根据权利要求3所述的一种宽带带通滤波器，其特征在于:所述的第一传输介质层(M1)和第二传输介质层(M2)均为介电常数为3.38厚度为0.5mm的微波PCB介质。
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