CN104377408A - 基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，包括两个互相耦合的微带交叉形谐振器，两个互相耦合的微带交叉形谐振器关于滤波器的纵向中性轴左右对称，每个微带交叉形谐振器由三条微带传输线组合而成。本发明采用简单易实现的微带传输线结构，重量轻、体积小、加工速度快、成本低，通过焊接不同容值的集总电容可以很方便的对本发明差模滤波中心频率、差模滤波响应带宽、差模滤波选择特性和共模抑制范围、共模抑制能力进行重构，以满足不同系统、不同环境对通信设备的要求。本发明在调频通信设备、复杂环境下的通信设备以及对共模噪声抑制要求较高的民用或军用通信设备设计中具有广阔的研究和开发前景。

Description

基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波领域中可重构微波无源滤波器领域，特别是一种基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器。

背景技术

严重的噪声干扰是影响电子设备且使之难以发挥最佳性能的因素之一，甚至可能使得整个设备无法正常工作。为了解决这一类问题，很多专家和学者均付出了巨大的努力，并最终将解决这一问题的视点聚焦在了滤波器的身上。滤波器，是通信设备中至关重要和必不可少的器件之一。传统的带通滤波器一般是单端式的，即只有一个信号输入端口和一个信号输出端口，只能对不同频率的信号进行选择滤波，难以抑制共模噪声。而新型的差分带通滤波器则弥补了单端器件在这方面的不足，它具有四个端口，其中两个输入端口和两个输出端口。这样的设计使得差分滤波器可以对差模信号进行正常频率选择的同时，又可以较好地对共模噪声进行抑制。随着通信技术的发展，人们对于可重构器件和差分器件的研究热情越来越高，同时也开始有部分研究者将研究方向转移到了可重构差分器件之上，以在提高系统信噪比的同时更有效地利用越来越紧张的通信频谱资源。基于以上分析，本发明提出了一种具有优秀差模滤波特性和共模抑制能力，并且具有差模和共模响应均可重构特性的基于耦合型交叉形谐振器的新型可重构差分带通滤波器，并尚未发现其相关研究和报导。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，其特征在于，包括两个互相耦合的微带交叉形谐振器，每个谐振器由三条微带传输线组合而成，左边部分的微带线分别为第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)。第二微带线(2)位于谐振器的左上方，且与第四微带线(4)关于对称线SS'上下对称，第三微带线(3)位于交叉形谐振器的中央位置，同时连接第二微带线(2)和第四微带线(4)。第一输出端口(P1)通过馈线微带线(1)和集总电容(C₂)与第二微带线(2)相连，第二输出端口(P1')通过馈线微带线(5)和集总电容(C₄)与第四微带线(4)相连，第二微带线(2)通过集总电容(C₁)与金属化接地孔(H1)相连，第三微带线(3)通过集总电容(C₃)与金属化接地孔(H2)相连，第四微带线(4)通过集总电容(C₅)与金属化接地孔(H3)相连。左右两边的微带交叉形谐振器与集总电容均关于对称线TT'左右对称且互相耦合。右边交叉形谐振器的三条组成微带线分别为第七微带线(7)、第八微带线(8)和第九微带线(9)。右边的集总电容分别为(C₇)、(C₈)、(C₉)、(C₁₀)和(C₁₁)。右边的金属化接地孔分别为(金属孔4)、(金属孔5)和(金属孔6)。第三输出端口(P2)通过馈线微带线(10)和集总电容(C₁₀)与第九微带线(9)相连，第四输出端口(P2')通过馈线微带线(6)和集总电容(C₈)与第七微带线(7)相连。集总电容(C₆)连接第四微带线(4)和第七微带线(7),且位于微带谐振器的最下方，集总电容(C₁₂)连接第二微带线(2)和第九微带线(9),且位于微带谐振器的最上方。

两个交叉形谐振器互相耦合，且关于滤波器水平中性轴和垂直中性轴分别对称。

第一微带线线(1)、第五微带线(5)、第六微带线(6)以及第十微带线(10)长度相等、宽度相同；第二微带线线(2)、第四微带线(4)、第七微带线(7)以及第九微带线(9)长度相等、宽度相同；第三微带线(3)与第八微带线(8)关于对称线滤波器纵向中性轴对称且长度相等、宽度相同；第一集总电容(C₁)、第五集总电容(C₅)、第七集总电容(C₇)、第十一集总电容(C₁₁)大小相等；第二集总电容(C₂)、第四集总电容(C₄)、第八集总电容(C₈)、第十集总电容(C₁₀)大小相等；第五集总电容(C₃)与第九集总电容(C₉)相对于滤波器的纵向中心轴对称且大小相等；第六集总电容(C₆)与第十二集总电容(C₁₂)相对于滤波器的横向中心轴对称且大小相等。

本发明滤波器在差模激励下的滤波响应具有绝对带宽保持不变条件下的中心频率可重构特性。

本发明滤波器在差模激励下的滤波响应具有相对带宽保持不变条件下的中心频率可重构特性。

本发明滤波器在差模激励下的滤波响应具有中心频率保持不变条件下的带宽可重构特性。

本发明滤波器在共模激励下的频率响应具有保持差模激励滤波响应不变条件下共模噪声的抑制范围和抑制能力的可重构特性。

本发明滤波器的各组成微带线的物理长度、宽度以及耦合缝隙均可调节，该滤波器的各组成集总电容的容值大小均可调节，调节值由介质板的介电常数、厚度以及差模激励的中心频率、带宽和共模激励的响应范围决定。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明具有在差模响应绝对带宽固定不变的条件下，对差模响应的中心频率进行重构的显著优点，且可重构范围很宽；2)本发明具有在差模响应相对带宽固定不变的条件下，对差模响应的中心频率进行重构的显著优点，且可重构范围很宽；3)本发明具有在差模响应的中心频率保持基本不变的条件下，对差模响应的带宽进行重构的优点，且带宽可重构范围较大；4)本发明具有在差模滤波响应保持不变的条件下，对共模抑制响应的抑制范围和抑制能力进行重构的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的拓扑结构图。

图2是本发明基本谐振部分的等效电路图。

图3a为偶偶模等效电路，图3b为偶奇模等效电路，图3c为奇偶模等效电路，图3d为奇奇模等效电路。

图4是本发明集总电容CE对差模滤波响应回波损耗性能的影响曲线。

图5a～图5d是本发明差模激励下滤波响应在绝对带宽保持不变前提下，中心频率f₀的重构情况示意图。

图6a～图6d是本发明差模激励下滤波响应在相对带宽保持不变前提下，中心频率f₀的重构情况示意图。

图7a～图7d是本发明差模激励下滤波响应在中心频率f₀基本不变的前提下，带宽的重构情况示意图。

图8a～图8b是本发明在差模滤波响应保持不变的前提下，共模抑制范围和抑制能力的重构情况示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明是一种基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，其特征在于，包括两个互相耦合的微带交叉形谐振器，每个谐振器由三条微带传输线组合而成，左边部分的微带线分别为第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4。第二微带线2位于谐振器的左上方，且与第四微带线4关于对称线SS'上下对称，第三微带线3位于交叉形谐振器的中央位置，同时连接第二微带线2和第四微带线4。第一输出端口P1通过馈线微带线1和集总电容C₂与第二微带线2相连，第二输出端口P1'通过馈线微带线5和集总电容C₄与第四微带线4相连，第二微带线2通过集总电容C₁与金属化接地孔H1相连，第三微带线3通过集总电容C₃与金属化接地孔H2相连，第四微带线4通过集总电容C₅与金属化接地孔H3相连。左右两边的微带交叉形谐振器与集总电容均关于对称线TT'左右对称且互相耦合。右边交叉形谐振器的三条组成微带线分别为第七微带线7、第八微带线8和第九微带线9。右边的集总电容分别为C₇、C₈、C₉、C₁₀和C₁₁。右边的金属化接地孔分别为H4、H5和H6。第三输出端口P2通过馈线微带线10和集总电容C₁₀与第九微带线9相连，第四输出端口P2'通过馈线微带线6和集总电容C₈与第七微带线7相连。集总电容C₆连接第四微带线4和第七微带线7,且位于微带谐振器的最下方，集总电容C₁₂连接第二微带线2和第九微带线9,且位于微带谐振器的最上方。

所述微带线长度、宽度以及耦合缝隙均可调节，其调节值是根据设计要求、介质板参数确定的；所述集总电容的容值均可调节，其容值是由差模响应中心频率、带宽、共模响应抑制范围等参数确定的。

本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分滤波器，其工作原理简述如下:

图1给出了本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的拓扑结构，可以看出，本发明的差分滤波器由分布的微带线和集总的电容共同组合而成；图2之中则是本发明基本谐振响应部分的等效电路，基本谐振响应主要是由耦合型交叉形谐振器完成的，并通过等效电容C进行馈电，以充分激励该谐振响应；图3a～图3d中给出了利用奇偶模分析方法得到的四个四分之一等效电路，图3a为偶偶模等效电路，图3b为偶奇模等效电路，图3c为奇偶模等效电路，图3d为奇奇模等效电路，其中Z₁、Z_oe、Z_oo分别是交叉形谐振器微带线和耦合线部分的传输阻抗和奇偶模阻抗，θ₁、θ分别是中央加载的开路枝节、中央耦合线部分的电长度，Γ是端口的反射系数。

本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的差模和共模散射参数S_dd11,S_dd21,S_cc11和S_cc21可以通过下式计算得到：

S_dd11＝S₁₁-S₃₁       (1a)

S_dd21＝S₂₁-S₄₁        (1b)

S_cc11＝S₁₁+S₃₁       (1c)

S_cc21＝S₂₁+S₄₁       (1d)

其中

$\left[\begin{array}{c}{S}_{11}\\ S_{21}\\ S_{31}\\ S_{41}\end{array}\right]=\frac{1}{4}\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& 1& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ee}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{eo}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{oe}}\\ {\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{oo}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中i,j＝e or o(3)

且

$Z_{\mathrm{ee}}=1/\mathrm{j\ωC}+j{Z}_{\mathrm{oe}}\frac{Z_{\mathrm{oe}}\tan \mathrm{\θ}-Z_2}{Z_2\tan \mathrm{\θ}-Z_{\mathrm{oe}}}---\left(4a\right)$

$Z_{\mathrm{eo}}=1/\mathrm{j\ωC}+j{Z}_{\mathrm{oo}}\frac{Z_{\mathrm{oo}}\tan \mathrm{\θ}-Z_2}{Z_2\tan \mathrm{\θ}-Z_{\mathrm{oe}}}//-(1/2\mathrm{j\ω}{C}_c)--\left(4b\right)$

Z_oe＝1/jωC+jZ_oetanθ(4c)

Z_oo＝1/jωC+jZ_ootanθ//(1/2jωC_c)(4d)

其中

$Z_2={2Z}_1\frac{1/\mathrm{j\ω}{C}_L+j{Z}_1\tan {\mathrm{\θ}}_1}{Z_1+2\tan {\mathrm{\θ}}_1/\mathrm{\ω}{C}_L}---\left(4e\right)$

上述公式中的S_dd11,S_dd21,S_cc11,和S_cc21分别为差模激励下的回波损耗、差模激励下的插入损耗、共模激励下的回波损耗以及共模激励下的插入损耗；S₁₁、S₂₁、S₃₁和S₄₁分别为第一馈线微带线输入时的第一馈线微带线的输出大小、第二馈线微带线的输出大小、第三馈线微带线的输出大小以及第四馈线微带线的输出大小；Γ为反射系数。

基于以上分析和计算，可以得到本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的差模滤波和共模响应。尽管本发明如图3a～图3d的等效电路可以通过调节电容C来改变滤波器的中心频率，但是当调节范围较大时，如何保证滤波器阻抗匹配将会是一个重要的问题。因此，在本发明中通过加载额外的匹配电容C_E来调整滤波器的外部品质因数Q_EXT，以获得较宽的调节范围。图4给出了本发明加载不同匹配电容时滤波器差模响应的变化情况，可以看到，合适的电容可以使本发明差模激励下滤波响应的回波损耗从4dB提高到25dB，获得了更好的阻抗匹配。

经上述分析可知，本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器在差模激励下的中心频率可以通过调节电容C进行重构，差模激励下的带宽可以通过调整电容C_C的容值来重构，共模激励下的抑制范围和抑制能力可以通过改变电容C_L的容值进行调节，而且，差模响应与电容C_L没有任何关系。同时，可以通过改变匹配电容C_E的大小对差模激励下滤波响应的通带匹配特性进行优化，以获得最佳的滤波特性。

本发明公开了一种基于微带耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，该差分带通滤波器包括两个互相耦合的微带交叉形谐振器以及12个用于实现可重构特性的高Q值集总电容。本发明采用简单易实现的微带传输线结构，重量轻、体积小、加工速度快、成本低，通过焊接不同容值的集总电容可以很方便的对本发明差模滤波中心频率、差模滤波响应带宽、差模滤波选择特性和共模抑制范围、共模抑制能力进行重构，以满足不同系统、不同环境对通信设备的要求。本发明在调频通信设备、复杂环境下的通信设备以及对共模噪声抑制要求较高的民用或军用通信设备设计中具有广阔的研究和开发前景。

本发明提供的基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，不仅在差模激励下具有较小插入损耗、较好通带匹配特性、较好边缘选择特性，在共模激励下具有优异抑制能力，而且可以实现差模激励下的中心频率、带宽、共模激励下的抑制均可重构。

该滤波器体积小、性能优越、结构紧凑、设计方法新颖、设计过程简单、加工成本低。本发明采用简单易实现的微带传输线结构，重量轻、体积小、加工速度快、成本低，通过焊接不同容值的集总电容可以很方面的对本发明差模滤波中心频率、差模滤波响应带宽、差模滤波选择特性和共模抑制范围、共模抑制能力进行重构，以满足不同系统、不同环境对通信设备的要求。本发明在调频通信设备、复杂环境下的通信设备以及对共模噪声抑制要求较高的民用或军用通信设备设计中具有广阔的研究和开发前景。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例为基于两个互相耦合的交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，参见图1。该滤波器设计的介质板选用的是Rogers4003，其相对介电常数为3.38，厚度为0.508mm，正切损耗角大小为0.0027。图1中标注的其它具体尺寸见下表

表1：基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器样品尺寸

本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的重构响应可以分为四组数据进行分析：

(1)具有固定绝对带宽的差模中心频率重构

图5a～图5d即为本发明将要对比讨论的第一组数据对应的曲线，其中实线对应C＝0.4pF,C_C＝0.12pF,C_E＝0.1pF的情况；长虚线对应C＝1.2pF,C_C＝0.34pF,C_E＝1pF的情况；点线对应C＝3.3pF,C_C＝0.56pF,C_E＝3pF的情况。其差模滤波响应的中心频率从1.8GHz调节到了4.3GHz，其相对调节范围为82％，表现出较宽的中心频率调节能力，如图5a所示。从图5b中可以看到，本发明在差模激励下滤波响应的最小插入损耗约为1dB。从图5b中可以清楚地看出，随着滤波器差模响应中心频率的逐渐变化，滤波器的绝对带宽始终保持在345±25MHz的范围内，具有固定的绝对带宽。图5c中给出的是本发明在差模激励下滤波响应的回波损耗，在外部调节电容C_E的帮助下，滤波器在各个频率均获得了良好的阻抗匹配，其回波损耗始终大于15dB。随着差模响应中心频率的改变，本发明在共模激励下的抑制响应均在较宽范围内获得了大于35dB的抑制水平，如图5d所示。

(2)具有固定相对带宽的差模中心频率可重构

图6a～图6d为本发明固定相对带宽的中心频率变化曲线，其中实线对应C＝0.3pF,C_C＝0.05pF,C_E＝0pF的情况；长虚线对应C＝1.2pF,C_C＝0.1pF,C_E＝1pF的情况；点线对应C＝3.3pF,C_C＝0.1pF,C_E＝3pF的情况。其差模中心频率从1.8GHz调节到了4.6GHz，其相对调节范围为85％，表现出较宽的中心频率调节能力，如图6a所示。从图6b中可以看到，滤波器的最小插入损耗约为0.9dB，且随着滤波器差模响应中心频率的变化，滤波器的相对带宽始终保持在24.1±1.1％的范围内，具有固定的相对带宽。图6c中给出的是本发明在差模激励下滤波响应的回波损耗，在外部调节电容C_E的帮助下，滤波器在各个频率均获得了良好的阻抗匹配，其回波损耗始终大于12dB。随着差模响应中心频率的改变，本发明在共模激励下的抑制响应均在较宽范围内获得了大于37dB的抑制水平，如图6d所示。

(3)中心频率基本不变前提下的带宽可重构

当滤波器的中心频率固定时，本发明可以通过调整电容C_C的大小来进一步控制和可重构滤波器的带宽，如图7a～图7d所示，其中实线对应C＝0.3pF,C_C＝0.05pF,C_E＝0pF的情况；长虚线对应C＝0.3pF,C_C＝0.08pF,C_E＝0.05pF的情况；点线对应C＝0.4pF,C_C＝0.12pF,C_E＝0.1pF的情况。随着C_C的增大，本发明差模激励下滤波响应的带宽逐渐从1070MHz减小到了330MHz，对应的相对带宽也从23％降低到了7.7％，在此过程中，滤波器的最小插入损耗约为1dB，而其回波损耗均大于12dB。在dc到4.8GHz的频率范围内，共模响应始终保持大于37dB的抑制能力，表现出稳定的工作性能。

(4)固定差模滤波响应下的共模抑制重构

本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器不仅具有差模滤波响应可重构的能力，同时还可以通过调整C_L来改变共模抑制响应，从而实现完全可重构特性。如图8a～图8b所示(实线对应C_L＝0.68pF的情况；长虚线对应C_L＝0.47pF的情况；点线对应C_L＝0.24pF的情况)，当终端电容C_L逐渐增大时，本发明在差模激励下的滤波响应保持不变，而共模响应的平均抑制水平却从30dB逐渐提高到了50dB。不过，在共模抑制能力得到改善的同时，共模抑制大于30dB的带宽却从5.8GHz缩小到了3.8GHz。因此，本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器可以通过选择合适的终端电容C_L，使得滤波器的共模响应不仅满足抑制能力的要求同时满足抑制带宽的要求，以更好地提高信噪比和通信质量。

按照本发明基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器的实物，整体尺寸十分小，仅为0.01λ₀ ²(对应中心频率1.8GHz)。

本发明提供了基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，其特征在于，包括两个互相耦合的微带交叉形谐振器，两个互相耦合的微带交叉形谐振器关于滤波器的纵向中性轴左右对称，每个微带交叉形谐振器由三条微带传输线组合而成；

左边部分的微带交叉形谐振器包括第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)；第三微带线(3)位于滤波器的横向中心轴上，一端同时连接第二微带线(2)和第四微带线(4)，第二微带线(2)位于第三微带线(3)的上方，且与第四微带线(4)关于滤波器的横向中心轴上下对称；第一输出端口(P1)通过第一馈线微带线(1)和第二集总电容(C₂)与第二微带线(2)相连，第二输出端口(P1')通过第二馈线微带线(5)和第四集总电容(C₄)与第四微带线(4)相连，第二微带线(2)通过第一集总电容(C₁)与第一金属化接地孔(H1)相连，第三微带线(3)通过第三集总电容(C₃)与第二金属化接地孔(H2)相连，第四微带线(4)通过第五集总电容(C₅)第三与金属化接地孔(H3)相连；

右边部分的微带交叉形谐振器包括：第七微带线(7)、第八微带线(8)和第九微带线(9)，第七集总电容(C₇)、第八集总电容(C₈)、第九集总电容(C₉)、第十集总电容(C₁₀)和第十一集总电容(C₁₁)，第四金属化接地孔(H4)、第五金属化接地孔(H5)和第六金属化接地孔(H6)；第三输出端口(P2)通过第三馈线微带线(10)和第十集总电容(C₁₀)与第九微带线(9)相连，第四输出端口(P2')通过第四馈线微带线(6)和第八集总电容(C₈)与第七微带线(7)相连；第六集总电容(C₆)连接第四微带线(4)和第七微带线(7),且位于谐振器的最下方，第十二集总电容(C₁₂)连接第二微带线(2)和第九微带线(9),且位于谐振器的最上方。

2.根据权利要求1所述的基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，其特征在于，两个交叉形谐振器互相耦合，且关于滤波器水平中性轴和垂直中性轴分别对称。

3.根据权利要求1所述的基于耦合型交叉形谐振器的可重构差分带通滤波器，其特征在于，第一微带线线(1)、第五微带线(5)、第六微带线(6)以及第十微带线(10)长度相等、宽度相同；第二微带线线(2)、第四微带线(4)、第七微带线(7)以及第九微带线(9)长度相等、宽度相同；第三微带线(3)与第八微带线(8)关于对称线滤波器纵向中性轴对称且长度相等、宽度相同；第一集总电容(C₁)、第五集总电容(C₅)、第七集总电容(C₇)、第十一集总电容(C₁₁)大小相等；第二集总电容(C₂)、第四集总电容(C₄)、第八集总电容(C₈)、第十集总电容(C₁₀)大小相等；第五集总电容(C₃)与第九集总电容(C₉)相对于滤波器的纵向中心轴对称且大小相等；第六集总电容(C₆)与第十二集总电容(C₁₂)相对于滤波器的横向中心轴对称且大小相等。