CN104577269A - 一种三通带矩形波导带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三通带矩形波导带通滤波器，包括矩形波导、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形波导的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形波导的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有第一槽线；所述第二介质板的顶面设有第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线连接有第一金属探针，所述第二槽线连接有第二金属探针，所述第一金属探针向下延伸至矩形波导内，所述第二金属探针向上延伸至矩形波导内，使矩形波导内形成三个通带。本发明的滤波器具有矩形波导低损耗、高Q值、高功率容量等特点，并且三通带之间具有两个传输零点，提高了选择性，能够很好的满足现代通讯系统的要求。

Description

一种三通带矩形波导带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，尤其是一种三通带矩形波导带通滤波器，属于无线通讯领域。

背景技术

随着无线通讯技术尤其是LTE为代表的4G通信技术的迅猛发展，一方面频谱资源越来越稀缺，另一方面，对频谱利用率的要求越来越高，这对射频器件提出了更高的要求。对滤波器而言，多通带滤波器的优点在于能将不同频段的滤波要求在同一个滤波器上实现，可以简化电路结构，使电路小型化，降低制作成本，这非常符合现在通讯技术的发展要求。

矩形波导是最早被用来设计射频器件的单元之一，在早期因其模式简单、低损耗、低辐射、高Q值、高功率容量等特性而被广泛使用，尤其是在军事航天领域等，其缺点是制作成本高、结构笨拙、不易集成等。但二十世纪中后期以来，随着平面技术的快速发展，平面微带结构以其低成本、制作简单的优势而吸引了更多研究人员的关注，采用平面微带结构来实现微波器件的也越来越多。在多通带滤波器研究领域上，研究的主流结构仍然是平面微带结构，但平面微带结构有其自身的缺点，例如插损大、易辐射、功率容量低等，比起这些，矩形波导的优势不言而喻，因此研究矩形波导非常有其必要性。

据调查与了解，已经公开的采用平面结构来设计三通带带通滤波器的现有技术如下：

1)第一种研究较多的用来设计三通带带通滤波器的基本结构如图1a所示，它是褚庆昕教授在2008年所提出的技术；利用这种三枝节SIR型结构，可以通过理论计算设计出在任意频点的三通带滤波器，而图1b则是在该结构基础上作出了一点改动，通过在输入输出端口增加耦合线的长度来增加了三个传输零点，图1c是改动之前和之后的S₂₁仿真结果对比图。

2)第二种设计多通带带通滤波器的方法是采用多模谐振器的概念，一种结构如图2a所示，该结构单元通过加载枝节，得到一个模式可控的三模谐振器单元。这是刘海文于2013年在IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY发表的题为《Compact Triple-Band High-Temperature Superconducting Filter Using MultimodeStub-Loaded Resonator for ISM，WiMAX，and WLAN Applications》文章中所提出的。利用该单元结构，可设计出在任意频点的三通带带通滤波器，得到的滤波器结构如图2b所示，为了使结构紧凑，该结构将图2a所示的单元作出一些改动，图2c是它的仿真结果。

3)第三种用来设计多通带滤波器的方法是利用谐振器高次谐波，如图3a所示的环形谐振器单元，在该环形圆内，给一个微扰可以分离出两个模式，利用这种特性，祝雷等人提出了图3b所示的三通带带通滤波器，该滤波器利用一次谐振模式、二次谐波和三次谐波所形成的的三个通带，设计了一款三通带带通滤波器，图3c是它的仿真和测试结果。

4)第四种方法是在一个较宽的通带中，通过插入两个传输零点来形成三个通带。Sherif A.Shakib等人在2012年欧洲微波会议(Proceedings of the 42nd EuropeanMicrowave Conference)上发表的文章《A Compact Triple-band Bandpass Filter Based onHalf-mode Substrate Integrated Waveguides》中采用了此种方法。这种方法利用了传统的设计滤波器综合法，采用HSIW来实现其结构，如图4a所示，而图4b是其仿真和测试结果。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种三通带矩形波导带通滤波器，该滤波器结构简单，克服了传统微带宽带滤波器损耗大、Q值低的缺点，具有选择性高、插损小、低辐射等特点，能够很好地满足现代多频带通信的要求。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：包括矩形波导、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形波导的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形波导的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有第一槽线；所述第二介质板的顶面设有第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线连接有第一金属探针，所述第二槽线连接有第二金属探针，所述第一金属探针向下延伸至矩形波导内，所述第二金属探针向上延伸至矩形波导内，使矩形波导内形成三个通带。

作为一种实施方案，所述第一槽线与第二槽线之间完全对称，所述第一金属探针与第二金属探针之间完全对称。

作为一种实施方案，所述第一微带线和第二微带线的形状均为矩形，且第一微带线与第二微带线的长度、宽度相一致，所述第一微带线横向设置在第一介质板的顶面，且其中一端作为端口，所述第二微带线横向设置在第二介质板的底面，且其中一端作为端口。

作为一种实施方案，所述第一微带线的端口位于第一介质板的左边缘处，所述第二微带线的端口位于第二介质板的右边缘处。

作为一种实施方案，所述第一槽线和第二槽线的形状均为矩形。

作为一种实施方案，所述第一金属探针和第二金属探针的形状均为折叠形。

作为一种实施方案，所述第一槽线倾斜设置在第一介质板的底面上，所述第二槽线倾斜设置在第二介质板的顶面上。

作为一种实施方案，所述第一槽线和第二槽线的倾斜角度均为45度。

作为一种实施方案，所述矩形波导、第一微带线和第二微带线均采用金属材料构成。

作为一种实施方案，所述矩形波导内填充有空气。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明基于矩形波导模式简单的特点，利用矩形波导内的三个模式设计出一个三通带带通滤波器，设计出的滤波器具有矩形波导低损耗、高Q值、高功率容量等特点，并且三通带之间具有两个传输零点，提高了选择性，能够很好地满足现代多频带通信的要求。

2、本发明的带通滤波器在矩形波导的顶部和底部分别连接介质板，在两块介质板的两面分别设置微带线和槽线，并增加一对与槽线连接、延伸至矩形波导内的金属探针，这样可以激励出矩形波导内的三个模式，从而形成三个通带。

3、本发明的三通带带通滤波器在槽线倾斜角度为45度时，通过仿真结果可以看到在2.949GHz、2.998GHz和3.037GHz处形成了三个通带，通带内的回波损耗都在-15dB以下，最大插损小于1dB，在2.974GHz和3.02GHz处的两个传输零点极大地改善了通带的矩形度，也即是改善了滤波器的选择性。

附图说明

图1a为三枝节SIR型多模谐振器示意图。

图1b为利用图1a中谐振器设计的三通带带通滤波器结构示意图。

图1c为图1b的滤波器改动前后的S₂₁仿真结果对比图。

图2a为枝节加载型多模谐振器结构示意图。

图2b为利用图2a中谐振器设计的三通带带通滤波器结构示意图。

图2c为图2b的仿真结果图。

图3a为环形多模谐振器结构示意图。

图3b为利用图3a中谐振器设计的三通带带通滤波器结构示意图。

图3c为图3b的仿真和测试结果图。

图4a为采用HSIW结构设计的三通带带通滤波器结构图。

图4b为图4a的仿真和测试结果图。

图5为本发明实施例1的带通滤波器基本结构示意图。

图6为图5的带通滤波器结构俯视图。

图7为图5的带通滤波器结构仰视图。

图8为图5的带通滤波器结构正视图。

图9为图5的带通滤波器结构侧视图。

图10为图5的带通滤波器中第一介质板的底面示意图。

图11为图5的带通滤波器在不同偏转角d1下的仿真结果图。

图12为本发明实施例1增加金属探针后的带通滤波器结构示意图。

图13为图12的带通滤波器结构正视图。

图14为图12的带通滤波器结构侧视图。

图15为图12的带通滤波器在不同偏转角d1下的仿真结果图。

图16为图12的带通滤波器在偏转角d1为45度下的仿真结果图。

其中，1-矩形波导，2-第一介质板，3-第二介质板，4-第一微带线，5-第一槽线，6-第二槽线，7-第二微带线，8-第一金属探针，9-第二金属探针。

具体实施方式

实施例1：

本实施例设计一个带通滤波器的基本结构，如图5～图9所示，图中示出了统一的三维坐标，该滤波器包括矩形波导1、第一介质板2和第二介质板3，其中：

所述矩形波导1的四个面具有一定厚度，内部填充有空气，顶部由第一介质板2覆盖，底部由第二介质板3覆盖，第一介质板2的顶面设有第一微带线4，第一介质板2的底面设有第一槽线5；所述第二介质板3的顶面设有第二槽线6，底面设有第二微带线7，所述矩形波导1、第一微带线4和第二微带线7均采用金属材料构成；

所述第一微带线4和第二微带线7都是50Ω微带线，形状均为矩形，且第一微带线4与第二微带线7的长度、宽度相一致，所述第一微带线4横向设置在第一介质板2的顶面，且其中一端作为端口Port1，该端口Port1位于第一介质板2的左边缘处；所述第二微带线7横向设置在第二介质板3的底面，且其中一端作为端口Port2，该端口Port2位于第二介质板3的右边缘处。

所述第一槽线5和第二槽线6的形状均为矩形，它们之间完全对称；如图10所示，可以看到第一槽线5倾斜设置在第一介质板2的底面上，将第一槽线5与Y轴正方向的偏转角记为d1；同理，由于第二槽线6与第一槽线5对称，所以也是倾斜设置在第二介质板3的顶面上，将第二槽线6与Y轴正方向的偏转角也记为d1。

上述带通滤波器滤波器结构在不同偏转角d1(分别为45度、50度、55度和60度)下的仿真结果如图11所示(图中S₁₁参数是指输入端口的回波损耗，S₂₁参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)，从图中可以看出，此结构激励出了两个模式，从这两个模式的频点的矢量电场分布可以看出，这两个模式为矩形波导传输中的TE₁₀和TE₀₁模，两个模式形成了两个通带，通带之间有传输零点，而且传输零点的位置随角度d1的变化而变化，但两个模式的频点位置保持不变，这说明了通带之间的传输零点位置单独可控。

在上述带通滤波器滤波器结构基础上，增加一对折叠形的金属探针，可以激励出矩形波导1内的三个模式，形成三个通带，如图12～图14所示，这一对金属探针分别为第一金属探针8和第二金属探针9，所述第一金属探针8与第一槽线5连接，并向下延伸至矩形波导1内，所述第二金属探针9与第二槽线6连接，并向上延伸至矩形波导1内，与槽线一样，第一金属探针8与第二金属探针9之间完全对称。

增加金属探针后的带通滤波器滤波器具体原理是：设端口Port1为输入端口，端口Port2为输出端口，信号从端口Port1输入后，利用第一微带线4进行馈电，将能量传输给第一槽线5，第一槽线5通过第一金属探针8将能量耦合到矩形波导1内，激励出矩形波导1内的三个模式，形成三个通带，然后通过第二金属探针9和第二槽线6，在第二微带线7上通过端口Port2输出。

图15显示了增加金属探针后的带通滤波器在不同偏转角d1(分别为25度、30度、35度和40度)下的仿真结果(图中S₁₁参数是指输入端口的回波损耗，S₂₁参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)，从图中可以看出，此结构激励出了三个模式，从这三个模式频点的矢量电场分布可以看出，这三个模式为矩形波导传输中的TE₁₀、TE₀₁和TM₁₁模，相比于图5～图8所示的滤波器结构，图12～图14所示的滤波器结构增加了一个通带，而且在第二通带与第三通带之间也形成了一个传输零点；在不同的d1下，三个模式的频点和第二通带与第三通带之间的传输零点位置基本保持不变，但第一通带与第二通带之间的传输零点随d1的增大而左移，这说明在增加一对金属探针之后，不仅很好地继承了图5～图8所示滤波器结构的原本特性，而且新增加了一个通带和一个传输零点。

图16是d1＝45度的情况下增加金属探针后的带通滤波器的仿真结果(图中S₁₁参数是指输入端口的回波损耗，S₂₁参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)，从仿真结果可以看出，在2.949GHz、2.998GHz和3.037GHz处形成了三个通带，通带内的回波损耗都在-15dB以下，最大插损小于1dB，在2.974GHz和3.02GHz处的两个传输零点极大地改善了通带的矩形度，也即是改善了滤波器的选择性。可见，在d1＝45度时，即第一槽线5和第二槽线6的倾斜角度为45度时，该滤波器得到了最佳的优化效果。

上述增加金属探针后的带通滤波器形成三通带的原理采用了多模谐振器的概念，三通带的形成是由于激励出了矩形波导里面的三个模式，这是矩形波导的三个本征模，是矩形波导固有的，与馈电结构无关。因此，想要改变三个模式的频点，适当调节矩形波导的尺寸便可将通带移到理想的频点上。

上述实施例中，所述矩形波导、第一微带线、第二微带线采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。

综上所述，本发明基于矩形波导模式简单的特点，利用矩形波导内的三个模式设计出一个三通带带通滤波器，设计出的滤波器具有矩形波导低损耗、高Q值、高功率容量等特点，并且三通带之间具有两个传输零点，提高了选择性，能够很好地满足现代多频带通信的要求。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：包括矩形波导、第一介质板和第二介质板，所述第一介质板将矩形波导的顶部覆盖，所述第二介质板将矩形波导的底部覆盖；所述第一介质板的顶面设有第一微带线，底面设有第一槽线；所述第二介质板的顶面设有第二槽线，底面设有第二微带线；所述第一槽线连接有第一金属探针，所述第二槽线连接有第二金属探针，所述第一金属探针向下延伸至矩形波导内，所述第二金属探针向上延伸至矩形波导内，使矩形波导内形成三个通带。

2.根据权利要求1所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一槽线与第二槽线之间完全对称，所述第一金属探针与第二金属探针之间完全对称。

3.根据权利要求1所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线和第二微带线的形状均为矩形，且第一微带线与第二微带线的长度、宽度相一致，所述第一微带线横向设置在第一介质板的顶面，且其中一端作为端口，所述第二微带线横向设置在第二介质板的底面，且其中一端作为端口。

4.根据权利要求3所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线的端口位于第一介质板的左边缘处，所述第二微带线的端口位于第二介质板的右边缘处。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一槽线和第二槽线的形状均为矩形。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一金属探针和第二金属探针的形状均为折叠形。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一槽线倾斜设置在第一介质板的底面上，所述第二槽线倾斜设置在第二介质板的顶面上。

8.根据权利要求7所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述第一槽线和第二槽线的倾斜角度均为45度。

9.根据权利要求1-4任一项所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述矩形波导、第一微带线和第二微带线均采用金属材料构成。

10.根据权利要求1-4任一项所述的一种三通带矩形波导带通滤波器，其特征在于：所述矩形波导内填充有空气。