CN104659449B - 基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，包括一个十字型谐振器、谐振器的三个短截线接电容到地、平行耦合馈线结构。本发明均采用分布参数的微带线设计。本发明具有重量轻、体积小、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，特别适用于不同工作环境的超宽带通信系统、数字雷达、单兵卫星移动、军用与民用多模和多路通信系统终端等，以及对重量、性能、可靠性有苛刻要求的相应系统。

Description

基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，特别是一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器。

背景技术

多模谐振器以其多传输极点的特性正逐渐在宽带滤波器、功分器和天线等微波器件的设计中受到越来越多的关注，特别是当利用多模谐振器设计的各类具有超宽的通带、良好的带外抑制和频率选择性的超宽带带通滤波器被报道出来之后，引起了一股关于多模谐振器研究的热潮。然而，尽管这些滤波器的通带和阻带特性都已经很好的满足了当前宽带系统对它们的严格要求，但随着越来越多工作频率处于3.1GHz-10.6GHz之间的通信系统的信号被发现将对超宽带通信造成干扰，人们对于超宽带滤波器的要求也逐渐提高，不仅需要很好的宽带特性、谐波抑制特性和频率选择性，同时也要求系统中的滤波器能够在需要的频率生成一个抑制较好的陷波频带，以尽可能的消除例如航空无线电导航服务系统(Aeronautical Radio Navigation Service,ARNS)、无线局域网(Wireless Local-AreaNetwork,WLAN)和国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)的无线通信信号干扰。国内外很多学者对此进行了研究，发现陷波频带设计方法主要可以归类为三种：加载开路短截线法、不对称输入/输出耦合法和加载具有可控传输零点的其它谐振器法。关于可重构陷波通带超宽带滤波器的设计方法还很少被提及和讨论。尚未发现基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的相关研究和报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、可靠性高、易于加工、成本低的一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿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，第一微带线位于最上方，其中第二微带线与第四微带线关于y轴对称，第一微带线的末端与第一电容相连，第一电容另一端与第一金属化通孔相连，第二微带线的末端与第二电容相连，第二电容另一端与第二金属化通孔相连，第四微带线的末端与第三电容相连，第三电容另一端与第三金属化通孔相连，第六微带线和第七微带线同时与第三微带线耦合，第六微带线一端与第五微带线相连，第五微带线另一端与第一输入端相连，第七微带线一端与第八微带线相连，第八微带线另一端与第一输出端相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明陷波频段的可重构；(2)有多个极点和零点；(3)相对带宽宽；(4)带外抑制高；(5)采用微带结构，电路结构简单，体积小，重量轻，易于加工，工艺简单成熟；(6)利用微带加工工艺的大批量生产的一致性，获得高成品率和低成本。

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是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的电容终端十字型谐振器等效电路图。

图2是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的零点和极点随电容值变化的曲线。

图3是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的结构图。

图4是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的相对带宽随谐振器阻抗Z₄的变化曲线。

图5是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的可调陷波频段随l_c4的变化范围。

图6是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段中心频率随终端电容的变化。

图7是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段随终端电容的变化。(l_c3＝2.5mm)

图8是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段随终端电容的变化。(l_c3＝4mm)

图9是本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器的仿真与实测S参数图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿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位于最上方，其中第二微带线2与第四微带线4关于y轴对称，第一微带线1的末端与第一电容C_L1相连，第一电容C_L1另一端与第一金属化通孔V₁相连，第二微带线2的末端与第二电容C_L2相连，第二电容C_L2另一端与第二金属化通孔V₂相连，第四微带线4的末端与第三电容C_L3相连，第三电容C_L3另一端与第三金属化通孔V₃相连，第六微带线6和第七微带线7同时与第三微带线3耦合，第六微带线6一端与第五微带线5相连，第五微带线5另一端与第一输入端Port1相连，第七微带线7一端与第八微带线8相连，第八微带线8另一端与第一输出端Port2相连；第五微带线5和第八微带线8在同一条直线上。

第一金属化通孔V₁、第二金属化通孔V₂、第三金属化通孔V₃都是与接地相连。

所述微带线尺寸、金属化通孔大小以及耦合间距的大小是可调节的。

第一微带线1、第二微带线2和第四微带线4的宽度均大于第三微带线3的宽度。

第五微带线5和第八微带线8所在的直线与第二微带线2平行。

第五微带线5和第八微带线8的阻抗相等，均为50Ω或75Ω。

该滤波器包括两个传输零点，分别满足以下公式：

式中，f_Dz1为第一传输零点，f_Dz2为第二传输零点，Z₁是第三微带线3的特性阻抗，Z₂是第四微带线4的特性阻抗，f₀为该滤波器的中心频率，ω为角频率，C_L为终端电容的容量，C_L＝C_L1＝C_L2，C_L1为第一电容C_L1的容量，C_L2为第二电容C_L2的容量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图3，本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，由电长度分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄的微带线构成十字型谐振器，在谐振器三个短截线末端都连接电容到地，在输入输出端采用平行耦合馈线结构。具体而言，包括十字型谐振器的四条微带线沿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位于最上方，其中第二微带线2与第四微带线4关于y轴对称，第一微带线1的末端与第一电容C_L1相连，第一电容C_L1另一端与第一金属化通孔V₁相连，第二微带线2的末端与第二电容C_L2相连，第二电容C_L2另一端与第二金属化通孔V₂相连，第四微带线4的末端与第三电容C_L3相连，第三电容C_L3另一端与第三金属化通孔V₃相连，第六微带线6和第七微带线7同时与第三微带线3耦合，第六微带线6一端与第五微带线5相连，第五微带线5另一端与第一输入端Port1相连，第七微带线7一端与第八微带线8相连，第八微带线8另一端与第一输出端Port2相连。

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。

本发明基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其工作原理简述如下：本发明是基于电容终端十字型谐振器来设计的，所以我们先讨论电容终端十字型谐振器原理。1)如图1所示的电容终端十字型谐振器，本身具有两个传输极点和两个传输零点，其输入阻抗和零极点可以表示为：

其中

其中，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别是第三微带线3、第四微带线4、第一微带线1、第二微带线2的特性阻抗和电长度。当Z_L2＝Z_L3＝Z_L4＝1/jωC_L1＝1/jωC_L2＝1/jωC_L且Z₂＝Z₃＝Z₄时，可以得到两个传输极点f_Dp1,2和两个传输零点f_Dz1,2。当终端电容C_L选取很小的值的时候，其阻抗1/jωC_L将趋近于无穷大；同理，当C_L取值较大时，1/jωC_L将趋近于零。

当Z₁＝Z₂＝Z₃＝Z₄＝100Ω且θ＝90°(f₀＝6.5GHz)时，电容终端十字型谐振器的零点和极点随电容值变化的曲线如图2所示。可以看到有一个传输零点f_DZ2位于两个传输极点f_DP1和f_DP2之间，而且这些谐振频率都随着C_L的增大而减小。这一特性可以非常方便的被利用于设计和构建可重构陷波频段的超宽带带通滤波器。

2)图3所示为实施例的版图，其中所加载的电容大小分别为C_L1和C_L2。根据上面分析我们已经知道，该滤波器选用的电容终端十字型谐振器有两个传输极点和两个传输零点。

如图3所示，当电容C_L1和C_L2加载到谐振器终端之后，谐振器的输入阻抗可以表示为：

其中：

且滤波器的插入损耗S₂₁可以由下式得到：

Y_oddC＝Y_oddB＝Y_oddA (12)

其中，A＝Z_oe+Z_oo，B＝Z_oe-Z_oo。因此，滤波器的中心频率、带宽以及可以通过改变电容值来调整的陷波频带都可以计算求得。

当Z₃＝50Ω，C_L1＝0.3pF,C_L2＝0.1pF时，滤波器相对带宽随Z₄的变化情况如图4所示。可以看到，滤波器的带宽将随着阻抗Z₄的变大而减小。

滤波器频率响应中的可重构陷波频带的中心频率可以从以下两个方面来确定：首先，确定陷波频段的可调范围。对于不同的枝节长度l_c2和l_c3，我们可以通过调节加载的电容值来调节陷波的中心频率f_nC，但是f_nC的取值不是任意的，它只能介于如图5所示的f_nCL和f_nCH之间，其中f_nCL对应于加载电容无穷大时的中心频率而f_nCH对应于加载的电容接近零的时候所对应的陷波频段中心频率，例如当l_c2＝2.5mm，l_c3＝3.6mm时，无论加载的电容大小为何值，其对应的陷波频率只能介于4.3GHz到7.2GHz之间。其次，确定所需要的陷波频率。当电容终端十字型谐振器的枝节长度确定之后，可以很方便的通过调整所加载的电容值来改变陷波频段的中心频率。图6所示为谐振器枝节l_c2＝l_c3＝2.5mm时，陷波频段中心频率随所加载的终端电容的变化情况。可以看出，当C_L1从0.1pF逐渐增大到1.9pF且C_L2从0.1pF增大到0.3pF时，陷波频段将从7.9GHz减小到5.8GHz。

图7为不同枝节长度和不同终端电容的频率响应，可以看到，当l_c2＝l_c3＝2.5mm时，陷波频段的中心频率集中在超宽带滤波器通带的高频部分，而当l_c2＝2.5mm且l_c3＝4mm时，这些不同的陷波频段则集中在通带的低频范围内。同时我们可以从图中看出，随着陷波频段的变化，整个滤波响应的带宽、中心频率和选择性均保持不变。

本发明已经进行了多次实施实验，下面简要说明实施例的实验情况：

实施例设计中心频率在6.8GHz的基于电容终端十字型谐振器的超宽带带通滤波器，所使用的介质板为RO4003(ε_r＝3.38,h＝0.508mm)，滤波器的电路参数为第一微带线1的长度和宽度分别为l_C3＝3.6mm，w_C3＝1.2mm，第二微带线2和第四微带线4的长度和宽度分别为l_C2＝2.4mm，w_C2＝1.2mm，第三微带线3的长度和宽带分别为l_C1＝6.2mm，w_c2＝0.1mm，第六微带线6和第七微带线7长度和宽度分别为l_C1＝6.2mm，w_c1＝0.2mm，第六微带线6与第三微带线3耦合间距为s＝0.08mm，第七微带线7与第三微带线3耦合间距为s＝0.08mm，第五微带线5和第八微带线8都是50Ω微带线。该滤波器的仿真与实测结果S参数已在图7、图8和图9中给出。可以看到，滤波器的中心频率f₀＝6.8GHz，通带范围为4.0GHz到9.6GHz，相对带宽为82.4％，最小插入损耗为0.84dB且通带内的回波损耗优于12dB。滤波器的通带内共有四个传输极点，它们分别位于5.2GHz,6.8GHz，9.1GHz,和9.5GHz处。滤波器的带外抑制特性也十分优秀，其在高频和低频处优于20dB抑制的范围分别是从0GHz到3.6GHz和10.4GHz到17GHz，而且滤波器通带内的群延时约为0.6ns，非常平坦。

在6.5GHz到4.6GHz的频率范围内，我们设计了一个利用电容终端十字型谐振器的零点可重构特性的陷波频带，其中心频率的可调范围约为1.9GHz且陷波频带的带宽仅有0.4GHz，是一个性能优良的窄带可重构陷波频带。表1所示为陷波频段的中心频率随终端电容的变化情况。整个超宽带滤波器的尺寸仅为12.5×6mm2(0.10λ_g ²,λ_g表示滤波器中心频率对应的导波波长)，十分紧凑。

表1

以上所述仅为本发明的实施例而已，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 (7)

1.一种基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于，包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿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]位于最上方，其中第二微带线[2]与第四微带线[4]关于y轴对称，第一微带线[1]的末端与第一电容[C_L1]相连，第一电容[C_L1]另一端与第一金属化通孔[V₁]相连，第二微带线[2]的末端与第二电容[C_L2]相连，第二电容[C_L2]另一端与第二金属化通孔[V₂]相连，第四微带线[4]的末端与第三电容[C_L3]相连，第三电容[C_L3]另一端与第三金属化通孔[V₃]相连，第六微带线[6]和第七微带线[7]同时与第三微带线[3]耦合，第六微带线[6]一端与第五微带线[5]相连，第五微带线[5]另一端与第一输入端[Port1]相连，第七微带线[7]一端与第八微带线[8]相连，第八微带线[8]另一端与第一输出端[Port2]相连；第五微带线[5]和第八微带线[8]在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第一金属化通孔[V₁]、第二金属化通孔[V₂]、第三金属化通孔[V₃]都是与接地相连。

3.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：所述微带线尺寸、金属化通孔大小以及耦合间距的大小是可调节的。

4.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第一微带线[1]、第二微带线[2]和第四微带线[4]的宽度均大于第三微带线[3]的宽度。

5.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第五微带线[5]和第八微带线[8]所在的直线与第二微带线[2]平行。

6.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第五微带线[5]和第八微带线[8]的阻抗相等，均为50Ω或75Ω。

7.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的可重构陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：该滤波器包括两个传输零点，分别满足以下公式：

$f_{\mathrm{Dz}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{\ω}{Z}_2{C}_L-3\mathrm{\ω}{Z}_1{Z}_2{C}_L+\sqrt{{(3\mathrm{\ω}{Z}_1{Z}_2{C}_L+Z_2)}^2+12{\mathrm{\ω}}^2{Z}_1{Z}_2^3{C}_L}}{6Z_1}\right)$

$f_{\mathrm{Dz}2}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{\ω}{Z}_2{C}_L-3\mathrm{\ω}{Z}_1{Z}_2{C}_L+\sqrt{{(\mathrm{\ω}{Z}_2{C}_L+3\mathrm{\ω}{Z}_1{Z}_2{C}_L)}^2+12Z_1{Z}_2}}{6Z_1}\right)$

式中，f_Dz1为第一传输零点，f_Dz2为第二传输零点，Z₁是第三微带线[3]的特性阻抗，Z₂是第四微带线[4]的特性阻抗，f₀为该滤波器的中心频率，ω为角频率，C_L为终端电容的容量，C_L=C_L1=C_L2，C_L1为第一电容[C_L1]的容量，C_L2为第二电容[C_L2]的容量。