CN104577273A - 平面低通带通双频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面低通带通双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一传输线(1)、第二传输线(2)、第三传输线(3)、第四传输线(4)、第五传输线(5)、第六传输线(6)、第七传输线(7)，该介质基板的另一面为接地板。本发明公开的平面低通带通双频滤波器在保证低通特性不变的前提下，带通中心频率可大范围调节，该滤波器由开路传输线和高阻抗线组成，通过调整传输线的电长度和特性阻抗，使带通中心频率可以在很宽的范围内独立调节，具有频率可调、选择性好、低损耗、结构简单的优点。

Description

平面低通带通双频滤波器

技术领域

本发明涉及平面微带滤波器的技术领域，特别涉及一种平面低通带通双频滤波器。

背景技术

随着无线通信技的高速发展，无论是3G技术的普及、物联网的火热还是4G的到来，都标志着无线技术又将迎来一个蓬勃发展的高峰期。近年来，能同时工作在两个频段的射频/微波通信系统已经成为研究热点，而微波双频滤波器作为这些通信系统的关键器件也越来越受关注，传统的双频滤波器通带一般是固定的，有时无法满足无线通信应用系统对高性能微波双频滤波器的需求，因此，研究带通可变的高性能微波双频滤波器具有非常重要的意义。

双频滤波器最简单的设计方法是将两个不同频率的带通滤波器进行组合，但这种滤波器的尺寸较大且需要额外的连接网络，另外，将一个带通滤波器和一个带阻滤波器串联，也能实现双频滤波器的设计，但这种方法同样会使滤波器的尺寸较大且增加滤波器的设计成本。

2011年，Ming-Lin Chuang等人在"IEEE MICROWAVE AND WIRELESSCOMPONENTS LETTERS"上发表题为"Microstrip Diplexer Design Using CommonT-Shaped Resonator"的论文，该论文中公开的结构采用T型接头，将两个带通滤波器相连，形成一个双工器，该结构具体如图1所示。

2013年，Pu-Hua Deng等人在"IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS"上发表题为"Design of Microstrip Lowpass-Bandpass Diplexer"的论文，该论文中公开的结构也是采用T型接头，将一个低通滤波器和带通滤波器相连，形成一个双工器，该结构具体如图2所示。

2013年，K.Tanii等人在"IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS"上发表题为"Frequency diplexer using multimode bandpass filters with high stopbandattenuation level"的论文，该论文中公开的结构仍然是采用T型接头，将两个多模带通滤波器相连，形成一个双工器，该结构具体如图3所示。

以上成果设计方法都是将两个不同频率的带通滤波器进行组合，但这种滤波器的尺寸较大且需要额外的连接网络，结构较为复杂且增加了滤波器的设计成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种平面低通带通双频滤波器，该双频滤波器综合性能较好，可通过改变传输线的特性阻抗和电长度，使得滤波器可以在低通特性不变的前提下，实现带通通带的独立控制，利用该方案设计的微带双频滤波器的两个通带的中心频率都可以大范围独立调节，具有频率选择性能高、通带独立控制、成本低、性能优、尺寸小的特点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种平面低通带通双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一传输线1、第二传输线2、第三传输线3、第四传输线4、第五传输线5、第六传输线6、第七传输线7，该介质基板的另一面为接地板；

所述输入端馈线头port1与所述第二传输线2的第一端连接，所述输出端馈线头port2和所述第二传输线2的第二端连接，并且三者位于同一直线上；

所述第一传输线1的第一端、第五传输线5的第一端分别与所述输入端馈线头port1和所述第二传输线2的第一端垂直连接，并且朝向相反；

所述第三传输线3的第一端、第六传输线6的第一端分别与所述输出端馈线头port2和所述第二传输线2的第二端垂直连接，并且朝向相反；

所述第四传输线4的第一端与所述第三传输线3的第二端连接，所述第七传输线7的第一端与所述第六传输线6的第二端连接，并且四者位于同一直线上，该直线与所述第一传输线1与第五传输线5连接成的直线平行。

进一步的，所述第一传输线1、第三传输线3、第四传输线4的特性阻抗和电长度分别与第五传输线5、第六传输线6、第七传输线7的特性阻抗和电长度相同，并以所述输入端馈线头port1、输出端馈线头port2与第二传输线2连接成的直线为中心构成对称关系。

进一步的，所述第二传输线2是高阻抗传输线。

进一步的，所述第四传输线4与所述第三传输线3的特性阻抗不相同，互相连接后构成阶跃阻抗开路传输线；

所述第六传输线6与所述第七传输线7的特性阻抗不相同，互相连接后构成阶跃阻抗开路传输线。

进一步的，所述第一传输线1与所述第五传输线5均为开路传输线。

进一步的，所述传输线均采用微带传输线或平行双导线或平行多导线或同轴线或带状线或工作于准TEM模的微带线。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明公开的滤波器结构在保证低通滤波器截止频率不变的前提下，实现带通滤波器的中心频率在大范围内可调。通过改变传输线的长度，使得滤波器带通特性发生变化，再通过改变微带线的宽度改变微带线的特性阻抗，从而保证低通特性不变，带通特性可大范围控制。

2、本发明公开的滤波器结构的双频滤波器具有较低插入损耗，带外选择性好，滤波特性好的特点。

附图说明

图1是现有技术1中公开的一种双工器的结构示意图；

图2是现有技术2中公开的一种双工器的结构示意图；

图3是现有技术3中公开的一种双工器的结构示意图；

图4是本发明中低通带通双频滤波器理想传输线模型示意图；

图5是本实施例中利用AWR Microwave office设计针对调整前参数的低通带通双频滤波器的散射参数理想波形图；

图6是本实施例中利用AWR Microwave office设计针对调整后参数的低通带通双频滤波器的散射参数理想波形图；

图7是本实施例中利用全波仿真软件IE3D对调整前参数的低通带通双频滤波器的散射参数仿真结果图；

图8是本实施例中利用全波仿真软件IE3D对调整后参数的低通带通双频滤波器的散射参数仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图4所示的本发明中低通带通双频滤波器理想传输线模型示意图，本实施例公开了一种平面低通带通双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一传输线1、第二传输线2、第三传输线3、第四传输线4、第五传输线5、第六传输线6、第七传输线7，该介质基板的另一面为接地板。

在本实施例中，介质基板采用双面履铜微带板，传输线采用微带线，但是除了微带线以外，平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线，以及工作于准TEM模的微带线等都可实现本结构。

用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1和用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2这两个端口均为50欧姆的匹配阻抗。

各馈线头和各传输线的连接关系如下描述：

输入端馈线头port1与第二传输线2的第一端连接，输出端馈线头port2和第二传输线2的第二端连接，并且三者位于同一直线上；其中第二传输线2靠近输入端馈线头port1的那一端称为第一端，第二传输线2靠近输出端馈线头port2的那一端称为第二端，第二传输线2是高阻抗传输线，Z₂和θ₂分别为该高阻抗线的特性阻抗和电长度，低通带时等效为一个串联电感，当频率为带通滤波器中心频率时，等效为一个串联谐振器或阻抗变换器。

第一传输线1的第一端、第五传输线5的第一端分别与所述输入端馈线头port1和所述第二传输线2的第一端垂直连接，并且朝向相反；其中第一传输线1和第五传输线5靠近输入端馈线头port1的那一端称为该传输线第一端，远离输入端馈线头port1的那一端称为该传输线第二端，并且第一传输线和第五传输线的第二端均为开路。Z₁和θ₁、Z₅和θ₅分别为第一传输线和第五传输线的特性阻抗和电长度，低通带时等效为一个并联电容，当频率为带通滤波器中心频率时，等效为一个并联谐振器。

第三传输线3的第一端、第六传输线6的第一端分别与输出端馈线头port2和第二传输线2的第二端垂直连接，并且朝向相反；

第四传输线4的第一端与第三传输线3的第二端连接，第七传输线7的第一端与第六传输线6的第二端连接，并且四者位于同一直线上，该直线并且与所述第一传输线1与第五传输线5连接成的直线平行。

其中，第三传输线3和第六传输线6靠近输出端馈线头port2的那一端称为该传输线的第一端，远离输出端馈线头port2的那一端称为该传输线的第二端，同时，第四传输线4与第七传输线7靠近输出端馈线头port2的那一端称为该传输线的第一端，远离输出端馈线头port2的那一端称为该传输线的第二端，并且，第四传输线4与第七传输线7的第二端也均为开路。Z₃,θ₃，Z₄,θ₄Z₆,θ₆，Z₇,θ₇分别为第三传输线3、第四传输线4、第六传输线6和第七传输线7四段传输线的特性阻抗和电长度，第四传输线4与第三传输线3的特性阻抗不相同，互相连接后构成阶跃阻抗开路传输线，第六传输线6与第七传输线7的特性阻抗不相同，互相连接后也构成阶跃阻抗开路传输线。当频率为带通滤波器中心频率时，它们等效为一个并联谐振器；在低频时，该结构等效为一个三阶低通滤波器，在带通中心频率，等效成一个三阶或两阶带通滤波器。

由等效关系可以推出，低通滤波器的截止频率由传输线的特性阻抗和电长度共同决定，而带通滤波器的中心频率由开路传输线的电长度决定，正是基于这一点，本发明提出了一种低通带通双频滤波器，在保持低通滤波器截止频率不变的前提下，带通滤波器的中心频率可以在较大范围内调节,具体如图5和图6所示。图5和图6均为用AWR Microwave office设计本平面低通带通滤波器时得到的理想波形，其中图5中低通带通双频滤波器的参数为调整前的，其传输线的特性阻抗为Z₁＝Z₅＝24.15，Z₂＝131，Z₃＝Z₅＝64.15，Z₄＝Z₇＝83.3，电长度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₅＝θ₆＝θ₇＝30°，图6中低通带通双频滤波器的参数为调整后的，其传输线的特性阻抗为Z₁＝Z₅＝37.75，Z₂＝104，Z₃＝Z₅＝69.15，Z₄＝Z₇＝89.8，电长度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₅＝θ₆＝θ₇＝36°。图5和图6中显示了不同特性参数下的双频滤波器的散射参数仿真结果，调整前的带通中心频率为7.11GHz，调整后的带通中心频率为5.99GHz。在幅度为-1dB处调整前与调整后的低通截止频率相同，为1.028GHz。仿真结果符合本发明产生的效果。横轴表示本发明中微带双频滤波器的信号频率，纵轴表示幅度，包括插入损耗(调整前s₂₁、调整后s₂₁)的幅度以及回波损耗(调整前s₁₁、调整后s₁₁)的幅度。插入损耗表示一个信号的输入功率与另一个端口信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|s₂₁|。回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系，其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝-20*log(s₁₁)。

图7是根据低通带通双频滤波器调整前的参数，即传输线的特性阻抗为Z₁＝Z₅＝24.15，Z₂＝131，Z₃＝Z₅＝64.15，Z₄＝Z₇＝83.3，电长度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₅＝θ₆＝θ₇＝30°，选用的微带基板介电常数为2.55，介质高度为0.8mm，利用全波仿真软件IE3D的低通带通双频滤波器的散射参数仿真结果图，图8是根据低通带通双频滤波器调整后的参数，即传输线的特性阻抗为Z₁＝Z₅＝37.75，Z₂＝104，Z₃＝Z₅＝69.15，Z₄＝Z₇＝89.8，电长度为θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝θ₅＝θ₆＝θ₇＝36°，选用的微带基板介电常数为2.55，介质高度为0.8mm，利用全波仿真软件IE3D的低通带通双频滤波器的散射参数仿真结果图。图7和图8中横轴表示本实施例中微带双频滤波器的信号频率，纵轴表示幅度。调整前的带通中心频率为6.99Ghz，调整后的带通中心频率为5.98Ghz，在幅度为-1dB处调整前与调整后的低通截止频率相同，均为0.99Ghz，与图5和图6中的仿真结果吻合，由具体实现的散射参数结果可以明显看出，调整后的带通中心频率相比调整前的带通中心频率移动了1GHz，而低通的截止频率没有发生变化，不仅与仿真的结果相吻合，也在实际实现上验证了本发明产生的效果，即低通特性不发生改变，带通特性可大范围控制。

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 (6)

1.一种平面低通带通双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，其特征在于：

所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入电磁波信号的输入端馈线头port1、用于输出电磁波信号的输出端馈线头port2、第一传输线(1)、第二传输线(2)、第三传输线(3)、第四传输线(4)、第五传输线(5)、第六传输线(6)、第七传输线(7)，该介质基板的另一面为接地板；

所述输入端馈线头port1与所述第二传输线(2)的第一端连接，所述输出端馈线头port2和所述第二传输线(2)的第二端连接，并且三者位于同一直线上；

所述第一传输线(1)的第一端、第五传输线(5)的第一端分别与所述输入端馈线头port1和所述第二传输线(2)的第一端垂直连接，并且朝向相反；

所述第三传输线(3)的第一端、第六传输线(6)的第一端分别与所述输出端馈线头port2和所述第二传输线(2)的第二端垂直连接，并且朝向相反；

所述第四传输线(4)的第一端与所述第三传输线(3)的第二端连接，所述第七传输线(7)的第一端与所述第六传输线(6)的第二端连接，并且四者位于同一直线上，该直线与所述第一传输线(1)与第五传输线(5)连接成的直线平行。

2.根据权利要求1所述的一种平面低通带通双频滤波器，其特征在于：所述第一传输线(1)、第三传输线(3)、第四传输线(4)的特性阻抗和电长度分别与第五传输线(5)、第六传输线(6)、第七传输线(7)的特性阻抗和电长度相同，并以所述输入端馈线头port1、输出端馈线头port2与第二传输线(2)连接成的直线为中心构成对称关系。

3.根据权利要求1或2所述的一种平面低通带通双频滤波器，其特征在于：所述第二传输线(2)是高阻抗传输线。

4.根据权利要求1或2所述的一种平面低通带通双频滤波器，其特征在于：

所述第四传输线(4)与所述第三传输线(3)的特性阻抗不相同，互相连接后构成阶跃阻抗开路传输线；

所述第六传输线(6)与所述第七传输线(7)的特性阻抗不相同，互相连接后构成阶跃阻抗开路传输线。

5.根据权利要求1或2所述的一种平面低通带通双频滤波器，其特征在于：

所述第一传输线(1)与所述第五传输线(5)均为开路传输线。

6.根据权利要求1或2所述的一种平面低通带通双频滤波器，其特征在于：

所述传输线均采用微带传输线或平行双导线或平行多导线或同轴线或带状线或工作于准TEM模的微带线。