CN104659447A - 基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，包括一个终端短路自耦合环形谐振器、两条耦合微带线。本发明均采用微带线设计。本发明具有重量轻、可靠性高、性能优异、温度稳定性好、大批量生产成本低等优点，对于各频段雷达、通信及未来高速率数据无线通信均具有广阔应用前景，特别是对重量、性能、可靠性有苛刻要求的相应系统中。

Description

基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，特别是一种基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器。

背景技术

随着现代无线通信系统的快速发展，平衡电路的需求和应用显得越来越重要。差分滤波器以其良好的抗噪声干扰和动态范围特性，在平衡电路结构中显得尤其重要。对于一个较好的差分滤波器结构而言，只有所需差模信号通过滤波结构，同时共模信号得到抑制。另外，差分滤波器必须具有较好的边缘选择特性和谐波抑制特性。近年来，人们提出了许多不同种类的差分滤波器结构，以满足窄带、双频带、或者宽带以及高共模抑制的需求。近年来，有学者首先提出了一种基于多级的宽带耦合差分带通滤波器结构，但该结构由于缺少对共模信号的抑制，因而很难作为真正的差分滤波器应用到平衡电路中去。为了克服这一缺点，一种具有良好共模抑制特性的超宽带微带差分带通滤波器被设计应用，但是了为了满足超宽带频段的要求，但是由于它多级相连，增大了整个电路体积；并且带外共模信号的抑制也不理想。为了减小体积，有学者使用了耦合谐振器和耦合线来提高共模抑制和扩展差模的上限阻带，但是它的差损又比较大。基于以上分析，我们提出了基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，并尚未发现其相关研究和报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种很高的差模通带选择性、陡峭的边带、高共模抑制、体积小、重量轻、可靠性高、易于加工以及成本低的基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，包括终端短路自耦合环形谐振器，该终端短路自耦合环形谐振器的四条微带线按顺时针方向分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线，第一微带线为长方形的上边，其中第一微带线与第三微带线上下对称，第二微带线与第四微带线左右对称，第二微带线右端设置第一金属化通孔，第一微带线与第五微带线耦合，第三微带线与第六微带线耦合，第六微带线一端口为第一输入端，另外一端口为第一输出端，第五微带线一端口为第二输入端，另一个端口为第二输出端,第五微带线与第六微带线沿TT’上下对称,其中TT’为长方形终端短路自耦合环形谐振器的中心线。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1）本发明能够有较小的差模带内插入损耗，较大的回波损耗，平坦的群延时，较高的共模抑制；（2）电路结构简单，仅需要一个金属化通孔和几条微带线；（3）工艺上易于实现；（4）利用微带高温度稳定性和可靠性，使得元件具有高温度稳定性和高可靠性。

下面结合具体实施例对本发明做较为详细的描述。

附图说明

图1是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器原理图。

图2是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器共模、差模等效电路图。

图3是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器共模、差模谐振频率对比图。

图4是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器谐振频率与长度l₁之间的关系图。

图5是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器奇偶模参数与自耦合系数k关系图。

图6是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的自耦合环形谐振器的共模、差模零点与自耦合系数k关系图

图7是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的终端短路自耦合环形谐振器的频率响应图。

图8是本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器的平衡滤波器应用频率响应图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，包括终端短路自耦合环形谐振器，该终端短路自耦合环形谐振器为长方形，该四条微带线按顺时针方向分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4，第一微带线1为长方形的上边，其中第一微带线1与第三微带线3上下对称，第二微带线2与第四微带线4左右对称，第二微带线2右端设置第一金属化通孔V₁，第一微带线1与第五微带线5耦合，第三微带线3与第六微带线6耦合，第六微带线6一端口为第一输入端7，另外一端口为第一输出端8，第五微带线5一端口为第二输入端7’，另一个端口为第二输出端8’,第五微带线5与第六微带线6沿TT’上下对称,其中TT’为长方形终端短路自耦合环形谐振器的中心线。

所述第二微带线2右端的第一金属化通孔V₁与地相连。

所述自耦合环形谐振器尺寸、微带线尺寸、金属化通孔可调节。

所述第五微带线5与第六微带线6的宽度相等，并大于构成长方形终端短路自耦合环形谐振器的四条微带线的宽度。

该滤波器的共模和差模输入阻抗满足以下公式：

$Z_{\mathrm{inC}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}\cos \mathrm{\θ}}{{[-{(Z_{\mathrm{oe}}-Z_{\mathrm{oo}})}^2+{(Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}}$

$Z_{\mathrm{inD}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}}{Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}}}$

式中，参数含义为：Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ是第五微带线5或第六微带线6的电长度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2，本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，包括终端短路自耦合环形谐振器，该终端短路自耦合环形谐振器的四条微带线按顺时针方向分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4，第一微带线1为长方形的上边，其中第一微带线1与第三微带线3上下对称，第二微带线2与第四微带线4左右对称，第二微带线2右端设置第一金属化通孔V₁，第一微带线1与第五微带线5耦合，第三微带线3与第六微带线6耦合，第六微带线6一端口为第一输入端7，另外一端口为第一输出端8，第五微带线5一端口为第二输入端7’，另一个端口为第二输出端8’,第五微带线5与第六微带线6沿TT’上下对称,其中TT’为长方形终端短路自耦合环形谐振器的中心线。

所述微带线尺寸、金属化通孔的大小以及耦合间距的大小可调节，是根据不同材料的介质板和设定的工作频率来确定的。

本发明基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其工作原理简述如下：图1给出了终端短路的自耦合环形谐振器的原理图，图2给出了他的差模、共模等效电路图，Z_oe，Z_oo，θ_e和θ_o分别是偶模、奇模的特性阻抗和平行耦合线的电长度。假设θ_e=θ_o=θ，则可以得到共模和差模的输入阻抗

$Z_{\mathrm{inC}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}\cos \mathrm{\θ}}{{[-{(Z_{\mathrm{oe}}-Z_{\mathrm{oo}})}^2+{(Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}}$

$Z_{\mathrm{inD}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}}{Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}}}$

如图3所示，对于共模，在θ=π/2有一个传输零点，对于差模，具有全通特性。然而，当θ_e≠θ_o时，零点f_c会稍微移动，对于差模来说，此时在2f_c频点处也出现了一个零点，然而这个零点是我们不希望产生的，这种现象跟非均匀电介质的微带线有关。

为了验证自耦合环形谐振器对平衡带通滤波器应用的影响，将会更进一步讨论两个零点f_c和f_d与自耦合环形谐振器的参数之间的关系。首先，我们考虑自耦合环形谐振器长度l₁的影响。图4描述了不同的长度l₁对应不同的共模谐振频率f_c和差模谐振频率f_d。从图4中看出f_c和f_d都受l₁长度影响，而且f_d仍然等于2f_c。其次，我们再考虑自耦合环形谐振器的自耦合系数k的影响。图5描述了自耦合系数k与自耦合环形谐振器偶模和奇模的特性阻抗(Z_oe和Z_oo)、介电常数(ε_e和ε_o)之间的变化趋势。显然易见，不同的自耦合系数k，会使特性阻抗和电长度大小变化。当k=0时，耦合效应可以忽略时，偶模和奇模参数相等。f_c和f_d与k之间的对应关系如图6所示。显然，f_c随着k值的增大而增大，f_d随着k值的增大而减小；谐振频率f_d在强耦合情况下远离2f_c。总的来说，为了得到更宽的差模通带，选择一个较小的值k，使得谐振频率f_d与f_c离的更远些。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例为终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器。参见图1，介绍该滤波器的最终电路尺寸参数：第一微带线1与第三微带线3长度和宽度分别为l₁=20mm，w₁=0.4mm；第二微带线2和第四微带线4长度和宽度分别为s=0.8mm，w₁=0.4mm；第一微带线1与第五微带线5耦合间距为g₁=0.3mm；第三微带线3与第六微带线6耦合间距为g₁=0.3mm；第五微带线5和第六微带线6都是50Ω微带线。差分带通滤波器的频率响应如图7所示。从图中可以看出，从0到4.8GHz，差分信号基本没变，共模信号在2.4GHz频率附近有一个很窄的阻带。在0-4.8GHz的宽带内，差模的回波损耗大于10dB，插入损耗小于3dB；在共模中心频点的抑制超过25dB。这些特性在平衡滤波器的差模频率响应不变的情况下，对提高共模抑制是有很大作用的。我们把本发明应用到了平衡滤波器中，发现在共模通带内，抑制超过20dB；在差模通带内，抑制更是超过了60dB，如图8所示，性能优异。

以上所述仅为本发明的两个实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其特征在于，包括终端短路自耦合环形谐振器，该终端短路自耦合环形谐振器为长方形，该四条微带线按顺时针方向分别为第一微带线[1]、第二微带线[2]、第三微带线[3]、第四微带线[4]，第一微带线[1]为长方形的上边，其中第一微带线[1]与第三微带线[3]上下对称，第二微带线[2]与第四微带线[4]左右对称，第二微带线[2]右端设置第一金属化通孔[V₁]，第一微带线[1]与第五微带线[5]耦合，第三微带线[3]与第六微带线[6]耦合，第六微带线[6]一端口为第一输入端[7]，另外一端口为第一输出端[8]，第五微带线[5]一端口为第二输入端[7’]，另一个端口为第二输出端[8’],第五微带线[5]与第六微带线[6]沿TT’上下对称,其中TT’为长方形终端短路自耦合环形谐振器的中心线。

2.根据权利要求1所述的基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其特征在于，第二微带线[2]右端的第一金属化通孔[V₁]与地相连。

3.根据权利要求1所要求的基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其特征在于，自耦合环形谐振器尺寸、微带线尺寸、金属化通孔可调节。

4.根据权利要求1所要求的基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其特征在于，第五微带线[5]与第六微带线[6]的宽度相等，并大于构成长方形终端短路自耦合环形谐振器的四条微带线的宽度。

5.根据权利要求1所要求的基于终端短路自耦合环形谐振器的窄带差分带通滤波器，其特征在于，该滤波器的共模和差模输入阻抗满足以下公式：

$Z_{\mathrm{inC}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}\cos \mathrm{\θ}}{{[-{(Z_{\mathrm{oe}}-Z_{\mathrm{oo}})}^2+{(Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}})}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}]}^{1/2}}$

$Z_{\mathrm{inD}}=\frac{{2Z}_{\mathrm{oe}}{Z}_{\mathrm{oo}}}{Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}}}$

式中，参数含义为：Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ是第五微带线[5]或第六微带线[6]的电长度。