CN104393382B - 具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器。其包括微带介质基板(1)，金属接地板(2)，四分之一波长谐振器(3)，输入输出馈线(4)和接地孔耦合连接线(5)。该四分之一波长谐振器(3)由四个阶梯阻抗谐振器(31,32,33,34)组成，且在微带介质基板(1)上呈环形分布；且第一阶梯阻抗谐振器与第二阶梯阻抗谐振器之间通过接地孔耦合连接线(5)连接；第二阶梯阻抗谐振器与第三阶梯阻抗谐振器之间、第三阶梯阻抗谐振器与第四阶梯阻抗谐振器之间、第一阶梯阻抗谐振器与第四阶梯阻抗谐振器之间均通过缝隙进行能量耦合。本发明能大幅减小高阶滤波器的尺寸，提升滤波器的选择性，可用于无线通信系统。

Description

具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种微带带通滤波器的设计，可用于无线通信系统射频前端。
背景技术
现代无线通信事业飞速发展，频谱占用越来越密集，导致频谱拥挤的问题日益突出，对无线通信电子设备的要求也随之提高。滤波器作为现代射频通信系统的重要器件，其性能和尺寸都会影响整个系统的设计。因此，如何设计高性能、小型化的微波滤波器，是现代无线通信系统关键研究重点之一。
传统带通滤波器的主要指标有：带宽、中心频率、插入损耗、回波损耗、带外抑制、选择性、尺寸等。通常，性能较好的滤波器一般都具有较高的选择性，其实现往往需要较多阶谐振器级联，这就会带来尺寸和插损的增大，如果同时还要实现其他的要求比如宽阻带，往往会进一步加大整个滤波器的尺寸，从而降低其适用性。微带滤波器具有体积小、重量轻、制作成本低、方便和其他微波电路集成等一系列优点，所以在无线通信系统中被广泛使用，但其较低的Q值使得在做窄带应用时往往会带来较大的插损，如何使得在做窄带设计时，保证较低的插损也是一个需要仔细权衡的问题。
针对这些问题，2003年10月，Jen-Tsai Kuo等人在IEEE MICROWAVE AND WIRELESSCOMPONENTS LETTERS期刊上发表了采用平行耦合线过耦合结构设计的高阶滤波器，虽然在一定程度上抑制了高次谐波，且没有增加额外的结构，但其尺寸大小和阻带宽度都不够理想，且插损较大；2005年7月，Yo-Shen Lin等人在IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVETHEORY AND TECHNIQUES期刊上发表了采用集总K变换器设计的交叉耦合带通滤波器，在减小滤波器整体尺寸的情况下实现了很好的选择性，但其阻带和插损特性不够理想，且整体尺寸偏大；2014年1月Shih-Cheng Lin在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS期刊上发表了采用连接耦合和平行耦合线设计的交叉耦合滤波器，这种耦合结构虽说大大减小了滤波器的尺寸，实现了整体结构的尺寸缩减，并且插损较小，但是依然存在阻带过窄的不足。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，以同时实现滤波器的低插损、宽阻带、小尺寸以及高选择性。
为实现上述目的，本发明设计的带通滤波器，包括微带介质基板1，金属接地板2，四分之一波长谐振器3，输入输出馈线4和接地孔耦合连接线5，金属接地板上设有接地孔6，四分之一波长谐振器3与输入输出馈线4连接，其特征在于：
所述四分之一波长谐振器3，其由四个阶梯阻抗谐振器31，32，33，34组成，该四个阶梯阻抗谐振器的高、低阻抗线的阻抗比和长度比均不同；
所述四个阶梯阻抗谐振器在微带介质基板1上呈环形分布，且第一谐振器31与第二谐振器32之间通过接地孔耦合连接线5连接；第二谐振器32与第三谐振器33之间、第三谐振器33与第四谐振器34之间、第一谐振器31与第四谐振器34之间均通过缝隙进行能量耦合；
所述第二谐振器32与第三谐振器33之间的缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；第三谐振器33与第四谐振器34之间的缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；第一谐振器31与第四谐振器34之间的缝隙宽度为0.2mm～1mm。
本发明具有以下优点：
1.本发明由于第一谐振器31与第二谐振器32之间通过接地孔耦合连接线5进行能量耦合，第二谐振器32与第三谐振器33之间，第三谐振器33与第四谐振器34之间，第一谐振器31与第四谐振器34之间通过缝隙进行能量耦合，减小了谐振器间耦合结构的尺寸，使得整体滤波器尺寸大大减小。
2.本发明由于采用阶梯阻抗谐振器，使得谐振器的尺寸相比均匀阻抗谐振器减小很多，同时在不增加其他结构的基础上，仅通过设计各谐振器的高低阻抗线的阻抗比和长度比，就实现了宽阻带的设计。
3.本发明由于在第一谐振器31与第四谐振器34之间引入了交叉耦合，从而在带外产生了一对传输零点，使得在相同谐振器个数的情况下，选择性更好。
4.本发明采用50欧姆微带线直接抽头，简化了馈线的设计。
5.本发明能根据实际需求进行自适应改进。通过改变接地孔耦合连接线的长度和宽度以及谐振器间的缝隙宽度，调整工作带宽。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为图1的左侧视图；
图3为本发明中的阶梯阻抗谐振器；
图4为本发明实施例1传输特性|S21|仿真和测试曲线图；
图5为本发明实施例1回波损耗|S11|仿真和测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
实施例1：设计尺寸为26.9mm×29mm的窄带带通滤波器。
参照图1和图2，本发明主要由微带介质基板1，金属接地板2，四分之一波长谐振器3，输入和输出馈线4，接地孔耦合连接线5和接地孔6组成。其中：
微带介质基板1采用介电常数为2.2、厚度为0.787mm的覆铜介质基板，该双面覆铜板的下面为金属接地板2，双面覆铜板的上面为四分之一波长谐振器3、输入输出馈线4、接地孔耦合连接线5以及接地孔6。
所述四分之一波长谐振器3，由四个阶梯阻抗谐振器31、32、33和34组成。这四个阶梯阻抗谐振器在微带介质基板1上呈环形分布，其中第一阶梯阻抗谐振器31与第二阶梯阻抗谐振器32由接地孔耦合连接线5连接；第二阶梯阻抗谐振器32与第三阶梯阻抗谐振器33之间通过宽为0.5mm的缝隙进行能量耦合；第三阶梯阻抗谐振器33与第四阶梯阻抗谐振器34之间通过宽为0.5mm的缝隙进行能量耦合；第一阶梯阻抗谐振器31与第四阶梯阻抗谐振器34之间通过宽为0.4mm的缝隙进行能量耦合。第一阶梯阻抗谐振器31和第四阶梯阻抗谐振器34通过与输入输出馈线4连接，与外部进行能量交换。
参照图3，每个阶梯阻抗谐振器都由一段高阻抗线和一段低阻抗线连接组成，每个阶梯阻抗谐振器的高、低阻抗线的阻抗比和长度比均不同。其中：
第一阶梯阻抗谐振器31的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为30.8mm；第二阶梯阻抗谐振器32的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为24.2mm；第三阶梯阻抗谐振器33的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为28mm；第四阶梯阻抗谐振器34的高、低阻抗线段的长度比为1.5，总长度为27mm。
每个阶梯阻抗谐振器的高、低阻抗线宽不同，其中：
第一阶梯阻抗谐振器31的高阻抗线宽为1mm，低阻抗线宽为1.4mm；第二阶梯阻抗谐振器32的高阻抗线宽为0.5mm，低阻抗线宽为4.7mm；第三阶梯阻抗谐振器33的高阻抗线宽为0.6mm，低阻抗线宽为3.6mm；第四阶梯阻抗谐振器34的高阻抗线宽为0.8mm，低阻抗线宽为4.2mm。
所述输入输出馈线4为长为4mm，宽为2.42mm的50欧姆抽头线。
所述接地孔耦合连接线5采用长为0.6mm，宽为0.6mm的微带线。
所述接地孔6为半径为0.4mm的金属化过孔。
实施例2：设计尺寸为27.5mm×28mm的窄带带通滤波器。
本实施例的结构与实施例1相同，其参数不同，以下给出不同于实施例1的结构参数：
第二阶梯阻抗谐振器32与第三阶梯阻抗谐振器33之间的缝隙宽度为0.2mm，第三阶梯阻抗谐振器33与第四阶梯阻抗谐振器34之间的缝隙宽度为0.2mm，第一阶梯阻抗谐振器31与第四阶梯阻抗谐振器34之间的缝隙宽度为0.2mm。
接地孔耦合连接线5采用长为1.2mm，宽为0.3mm的微带线。
实施例3：设计尺寸为28mm×29.8mm的窄带带通滤波器。
本实施例的结构与实施例1相同，其参数不同，以下给出不同于实施例1的结构参数：
第二阶梯阻抗谐振器32与第三阶梯阻抗谐振器33之间的缝隙宽度为0.8mm，第三阶梯阻抗谐振器33与第四阶梯阻抗谐振器34之间的缝隙宽度为0.8mm，第一阶梯阻抗谐振器31与第四阶梯阻抗谐振器34之间的缝隙宽度为1mm。
接地孔耦合连接线5采用长为0.3mm，宽为1.2mm的微带线。
本发明的效果可通过对实施例1的仿真和测试实验进一步说明：
1.在三维电磁仿真软件HFSS中对本发明实施例1的滤波器进行仿真，得到该滤波器的传输特性|S21|曲线和回波损耗|S11|曲线分别如图4和图5虚线所示。
2.利用矢量网络分析仪对本发明实施例1的滤波器进行实物的测试，得到滤波器的传输特性|S21|曲线和回波损耗|S11|曲线分别如图4和图5实线所示。
从图4的传输特性|S21|曲线可以看出，该滤波器在通带中心1.575GHz处，插入损耗为1.32dB，3dB带宽为200M。
从图5的回波损耗|S11|曲线可以看出，该滤波器在通带内回波损耗可以达到18dB，在10倍频处阻带电平抑制仍可达到20dB以上，实现了非常宽的阻带。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，包括微带介质基板(1)，金属接地板(2)，四分之一波长谐振器(3)，输入输出馈线(4)和接地孔耦合连接线(5)，金属接地板上设有接地孔(6)，四分之一波长谐振器(3)与输入输出馈线(4)连接，其特征在于：
所述四分之一波长谐振器(3)，其由四个阶梯阻抗谐振器(31，32，33，34)组成，该四个阶梯阻抗谐振器的高、低阻抗线的阻抗比和长度比均不同；
所述四个阶梯阻抗谐振器在微带介质基板(1)上呈环形分布，且第一阶梯阻抗谐振器(31)与第二阶梯阻抗谐振器(32)之间通过接地孔耦合连接线(5)连接；第二阶梯阻抗谐振器(32)与第三阶梯阻抗谐振器(33)之间、第三阶梯阻抗谐振器(33)与第四阶梯阻抗谐振器(34)之间、第一阶梯阻抗谐振器(31)与第四阶梯阻抗谐振器(34)之间均通过缝隙进行能量耦合；
所述第二阶梯阻抗谐振器(32)与第三阶梯阻抗谐振器(33)之间的缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；第三阶梯阻抗谐振器(33)与第四阶梯阻抗谐振器(34)之间的缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；第一阶梯阻抗谐振器(31)与第四阶梯阻抗谐振器(34)之间的缝隙宽度为0.2mm～1mm；
所述第一阶梯阻抗谐振器(31)的高阻抗线段连接一输入输出馈线(4)，第四阶梯阻抗谐振器(34)的高阻抗线段连接另一输入输出馈线(4)。
2.根据权利要求1所述的具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，其特征在于，接地孔耦合连接线(5)采用长为0.3mm～1.2mm，宽为0.2mm～1.2mm的微带线。
3.根据权利要求1所述的具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，其特征在于，第一阶梯阻抗谐振器(31)的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为30.8mm；第二阶梯阻抗振器谐振器(32)的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为24.2mm；第三阶梯阻抗谐振器(33)的高、低阻抗线段的长度比为1，总长度为28mm；第四阶梯阻抗谐振器(34)的高、低阻抗线段的长度比为1.5，总长度为27mm。
4.根据权利要求1所述的具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，其特征在于第一阶梯阻抗谐振器(31)的高阻抗线宽为1mm，低阻抗线宽为1.4mm；第二阶梯阻抗谐振器(32)的高阻抗线宽为0.5mm，低阻抗线宽为4.7mm；第三阶梯阻抗谐振器(33)的高阻抗线宽为0.6mm，低阻抗线宽为3.6mm；第四阶梯阻抗谐振器(34)的高阻抗线宽为0.8mm，低阻抗线宽为4.2mm。
5.根据权利要求1所述的具有宽阻带特性的高阶小型化窄带带通滤波器，其特征在于，输入输出馈线(4)为长为4mm～7mm，宽为2.42mm的50欧姆抽头微带线。
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