CN104409807A - 基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，包括两个互相耦合的交叉形谐振器，每一个交叉形谐振器由七条微带线组合而成；其中，第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第一输出端口以及第二输出端口)，第一微带线、第三微带线、第五微带线、以及第七微带线为竖直设置，第二微带线、第四微带线、以及第六微带线为水平设置，第四微带线位于交叉形谐振器的横向中心位置。同时连接第三微带线和第五微带线。

Description

基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波毫米波技术领域，基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器。 

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。很多研究学者都做了关于差分滤波器的深入研究和设计，以使得这些器件可以满足差模和共模的双重要求。然而，很多之前的研究所获得的差分滤波器的共模抑制能力并不理想且其尺寸也比较大。 

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新型差分带通滤波器。 

实现本发明目的的技术方案是：一种基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，包括两个互相耦合的交叉形谐振器，每一个交叉形谐振器由七条微带线组合而成；其中，第一谐振器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第一输出端口以及第二输出端口)，第一微带线、第三微带线、第五微带线、以及第七微带线为竖直设置，第二微带线、第四微带线、以及第六微带线为水平设置，第四微带线位于交叉形谐振器的横向中心位置(即滤波器的水平横向中心轴，对称线SS')，同时连接第三微带线和第五微带线；第一微带线位于最上方，且与第七微带线关于第四微带线上下对称，第二微带线位于第一微带线 的左下侧且与第一微带线垂直连接，第六微带线位于第七微带线的左上方且与第七微带线垂直连接，第二微带线与第六微带线关于第四微带线上下对称，第三微带线位于第一微带线的正下方，且上端与第一微带线和第二微带线分别相连，第三微带线下端连接第五微带线的上端，第五微带线的下端分别连接第六微带线和第七微带线，第二微带线与第五微带线相连并关于第四微带线上下对称，第一输出端口通过交指耦合与第二微带线相连，第二输出端口通过交指耦合与第六微带线相连；第二形交叉形谐振器包括为第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线、第十四微带线。第三输出端口以及第四输出端口；第二形交叉形谐振器与第一交叉形谐振器相对于滤波器的纵向中心轴(即滤波器的竖直纵向中心轴，对称线TT')左右对称且互相耦合；第三输出端口通过交指耦合与第十三微带线相连，第四输出端口通过交指耦合与第九微带线相连。 

第一微带线线、第七微带线、第八微带线、第十四微带线长度相等、宽度相同；第二微带线线、第六微带线、第九微带线、第十三微带线长度相等、宽度相同；第三微带线线、第五微带线、第十微带线、第十二微带线长度相等、宽度相同；第四微带线与第十一微带线长度相等、宽度相同。 

本发明交叉形谐振器各组成部分的微带线物理长度、线宽以及两个谐振器之间的耦合缝隙均可进行调节。 

本发明滤波器的共模抑制特性可以在不影响差模滤波特性的前提下进行独立的调节和优化。 

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明具有较小的差模通带插入损耗，较大的回波损耗，可控的通带宽度和选择特性，较高的共模抑制特性；2)电路结构简单，仅需要两个耦合的交叉形谐振器；3)采用微带结构，工艺上易于实现；4)共模特性可以在不影响差模能力的前提下进行单独的调节和控制。 

本发明差模激励下具有较小插入损耗、较好的通带匹配、可控的通带范围和边缘选择特性，且在共模激励下具有可以在不影响差模滤波特性的前提下进行单独控制和调节的共模抑制特性的基于耦合型交叉形谐振器的新型微带差分带通滤波器。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。 

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1a是本发明差分带通滤波器的等效结构图。 

图1b是图1a中虚线框中部分的放大图。 

图2是本发明使用的交指耦合结构的等效图。 

图3是本发明使用的交指耦合结构的等效电容C随缝隙s的变化曲线。 

图4a为本发明偶偶模等效电路，图4b为本发明偶奇模等效电路，图4c为本发明奇偶模等效电路，图4d为本发明奇奇模等效电路。 

图5是本发明差模激励下的中心频率f₀和相对带宽随等效电容C的变化曲线。 

图6是本发明共模抑制传输零点f_c随电长度θ₁的变化情况。 

图7是本发明差模带外零点f_z与等效电容C_c随缝隙s₁的变化曲线。 

图8是本发明差模带外零点f_z随等效电容C_c的变化曲线。 

图9是本发明上边带选择特性和相对带宽随等效电容C_c的变化曲线。 

图10是本发明差模激励下滤波响应的理论结果、仿真结果与实测结果的数据对比。 

图11是本发明共模激励下抑制响应的理论结果、仿真结果与实测结果的数据对比。 

具体实施方式

结合图1a，本发明是一种基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，包括两个互相耦合的交叉形谐振器，每一个谐振器由七条微带线组合而成，左边部分的微带线分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6、第七微带线7。第一微带线1位于最上方，且与第七微带线7关于对称线SS'上下对称，第二微带线位于第一微带线1的左下侧，且与第六微带线6关于对称线SS'上下对称，第三微带线3位于第一微带线1的正下方，与第一微带线1和第二微带线2分别相连，且与第五微带线5相连并关于对称线SS'上下对称，第四微带线4位于交叉形谐振器的中央位置，同时连接第三微带线3和第五微带线5。第一输出端口1通过交指耦合与第二微带线2相连，第二输出端口1'通过交指耦合与第六微带线6相连。左边的交叉形谐振器与右边的交叉形谐振器关于对称线TT'左右对称且互相耦合。右边交叉形谐振器的七条微带线分别为第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13、第十四微带线14。第三 输出端口2通过交指耦合与第十三微带线13相连，第四输出端口2'通过交指耦合与第九微带线9相连。 

所述微带线长度、线宽和耦合缝隙均可调节，其调节值是根据不同频率、不同带宽、不同介质板的具体参数确定的。 

本发明公开了一种基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，该差分带通滤波器包括两个互相耦合的交叉形谐振器以及用以优化滤波器差分选择特性的开路平行耦合谐振器。本发明采用微带线进行设计，具有重量轻、性能优异、体积小、加工速度快、成本低等优点，在各频段雷达、通信设备及其它对噪声抑制要求较高电子设备应用方面具有极为广阔的应用前景。 

本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，其工作原理简述如下： 

图2中则给出了四个端口与微带线谐振器连接使用的交指耦合电路的等效结构，该交指耦合由三条平行耦合微带线完成，且最外面两条微带线互相连接共同与中间的微带线耦合作用，其等效电容C与电路结构之间的关系如图3的曲线所示。图4a～图4d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，其中Z₁、Z_oe、Z_oo和Z_ce、Z_co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和θ_c分别是中央加载的开路枝节、中央耦合线部分和上端耦合线部分的电长度，Γ是端口的反射系数。 

本发明基于耦合型环形谐振器的小型化差分滤波器的差模和公民散射参数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 

$Z_{\mathrm{ee}}=1/\mathrm{j\ωC}+j{Z}_{\mathrm{oe}}\frac{-2Z_1\cot {\mathrm{\θ}}_1+Z_{\mathrm{oe}}\tan \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{oe}}+2Z_1\tan \mathrm{\θ}\cot {\mathrm{\θ}}_1}//(-j{Z}_{\mathrm{ce}}\cot {\mathrm{\θ}}_c)---\left(4a\right)$

$Z_{\mathrm{eo}}=1/\mathrm{j\ωC}+j{Z}_{\mathrm{oo}}\frac{-2Z_1\cot {\mathrm{\θ}}_1+Z_{\mathrm{oo}}\tan \mathrm{\θ}}{Z_{\mathrm{oo}}+2Z_1\tan \mathrm{\θ}\cot {\mathrm{\θ}}_1}//(-j{Z}_{\mathrm{co}}\cot {\mathrm{\θ}}_c)---\left(4b\right)$

Z_oe＝1/jωC+jZ_oe tanθ//(-jZ_ce cotθ_c) (4c) 

Z_oo＝1/jωC+jZ_oo tanθ//(-jZ_co cotθ_c) (4d) 

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分别为第一输出端口输入信号时的第一输出端口的输出大小、第二输出端口的输出大小、第三输出端口的输出大小以及第四输出端口的输出大小；Γ为反射系数。 

经过分析计算，图5中绘出了本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的差模中心频率和相对带宽随等效电容C的变化曲线，其中实线对应左边坐标的中心频率变化，虚线对应右边坐标的相对带宽变化情况。可以看到当电容C逐渐增大时，本发明滤波器的中心频率逐渐减小且相对带宽逐渐变大。图6中所示为本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的共模激励传输零点f_c随枝节长度θ₁的变化曲线，随着θ₁的增大，该传输零点将逐渐向低频处移动。 

图7为本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的差模传输零点f_z及等效电容C_c随耦合缝隙s₁的而逐渐变化的曲线，其中实线对应右边坐标等效电容的变化情况，虚线对应左边左边传输零点的位置变化情况。同时，在图8中可以得到本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器差模激励下的传输零点f_z随着等效电容C_c的增大而逐渐向低频处移动，其中实线对应C_C＝0.01pF的情况，长虚线对应C_C＝0.03pF的情况，点线对应C_C＝0.07pF的情况。分析可知，该零点的移动可以对带宽和上频带的选择特性进行控制和调节，如图9所示，其中实线对应左边坐标选择性的变化情况，虚线对应右边坐标相对带宽的变化情况。当C_c逐渐增大时，本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的相对带宽逐渐减小而上边带的频率选择特性却得到了较好的优化。 

经上述分析可知，本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的共模 激励下的噪声抑制能力主要取决于枝节θ₁的大小，而θ₁与本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器差模激励下的滤波特性并无任何关系。因此，本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器可以在设定好差模特性之后，通过改变θ₁的大小对共模抑制能力进行单独的调节，且并不会对本发明滤波器的差模特性产生任何影响。 

下面结合实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新型微带差分带通滤波器，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0.508命名，正切损耗角大小为0.0027，其最终电路尺寸参数：馈线端口1、端口1'、端口2和端口2'的线宽为1.17mm(特征阻抗50欧姆)；图1中标注的具体尺寸见下表 

表1：基于耦合型交叉形谐振器的新型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新型差分带通滤波器的差模频率响应如图10所示。从图中可以看出，差模激励下的响应非常优异，中心频率位于4.5GHz处，最小插入损耗为1.2dB，最大回波损耗优于18dB，差模响应的相对带宽约为8.9％，且上频带边缘十分陡峭，表现出优异的频率选择能力；本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的共模激励下的频率响应如图11所示，表现出良好的抑制能力，在从直流到5.3GHz的宽频带范围内，共模抑制均大于40dB，能够较好的满足现代通信、医疗、甚至军用设备的需求；图10与图11中的理论响应(点划线)、仿真响应(实线)与实物的测试响应(虚线)十分的吻合，验证了本发明方法的正确性。本发明基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器的实物样本，整体尺寸十分小，约为22×17.7mm²(0.23λ₀ ²)。 

本发明提供了基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，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 (2)

1.一种基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，其特征在于，包括两个互相耦合的交叉形谐振器，每一个交叉形谐振器由七条微带线组合而成；

其中，第一谐振器包括第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第六微带线(6)、第七微带线(7)、第一输出端口(P1)以及第二输出端口(P1')，第一微带线(1)、第三微带线(3)、、第五微带线(5)、以及第七微带线(7)为竖直设置，第二微带线(2)、第四微带线(4)、以及第六微带线(6)为水平设置，第四微带线(4)位于交叉形谐振器的横向中心位置，同时连接第三微带线(3)和第五微带线(5)；第一微带线(1)位于最上方，且与第七微带线(7)关于第四微带线(4)上下对称，第二微带线位于第一微带线(1)的左下侧且与第一微带线(1)垂直连接，第六微带线(6)位于第七微带线(7)的左上方且与第七微带线(7)垂直连接，第二微带线与第六微带线(6)关于第四微带线(4)上下对称，第三微带线(3)位于第一微带线(1)的正下方，且上端与第一微带线(1)和第二微带线(2)分别相连，第三微带线(3)下端连接第五微带线(5)的上端，第五微带线(5)的下端分别连接第六微带线(6)和第七微带线(7)，第二微带线(2)与第五微带线(5)相连并关于第四微带线(4)上下对称，第一输出端口(P1)通过交指耦合与第二微带线(2)相连，第二输出端口(P1')通过交指耦合与第六微带线(6)相连；第二交叉形谐振器包括为第八微带线(8)、第九微带线(9)、第十微带线(10)、第十一微带线(11)、第十二微带线(12)、第十三微带线(13)、第十四微带线(14)；第三输出端口(P2)以及第四输出端口(P2')；第二形交叉形谐振器与第一交叉形谐振器相对于滤波器的纵向中心轴左右对称且互相耦合；第三输出端口(P2)通过交指耦合与第十三微带线(13)相连，第四输出端口(P2')通过交指耦合与第九微带线(9)相连。

2.根据权利要求1所述的基于耦合型交叉形谐振器的新型差分带通滤波器，其特征在于，第一微带线线(1)、第七微带线(7)、第八微带线(8)、第十四微带线(14)长度相等、宽度相同；第二微带线线(2)、第六微带线(6)、第九微带线(9)、第十三微带线(13)长度相等、宽度相同；第三微带线线(3)、第五微带线(5)、第十微带线(10)、第十二微带线(12)长度相等、宽度相同；第四微带线(4)与第十一微带线(11)长度相等、宽度相同。