CN104659450B - 一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，包括一个十字型谐振器、谐振器两个短截线末端的两个金属化通孔、四个耦合结构和两个输入端、两个输出端。本发明均采用分布参数的微带线设计。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，特别适用于相应微波频段的通信、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、无线通信手持终端等，以及对重量、性能、可靠性有苛刻要求的相应系统中。

Description

一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，特别是一种具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器。

背景技术

微波滤波器广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信、弹道制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。在实际工程应用中,从滤波器技术指标的给定到加工成品所要求的时间将越来越短,快速准确的设计出高性能的微波滤波器将是工程设计和市场竞争的必然趋势。因此，设计性能高、体积小、成本低和缩短滤波器研制周期，是市场竞争的必然要求。基于微带设计的滤波器，由于具有尺寸小、性能好、成本低、加工周期短等优点而受到广泛的关注。而差分带通滤波器具有好的信噪比而得到特别的关注，差模信号选择性滤波和共模响应的抑制是最重要指标。国内外很多学者对此进行了研究，但是他们设计的差分带通滤波器通常使用谐振环，巴伦，平面微带结构、双面平行带状线，π网络180°移相器，和槽线谐振器来实现。尚未发现具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分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、成本低的具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，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，第一微带线位于最右方，其中第一微带线和第三微带线关于y轴对称，第二微带线和第四微带线关于x轴对称，第一微带线的末端设置第一金属化通孔，第三微带线的末端设置第二金属化通孔，第一微带线和第二微带线同时与第五微带线耦合，第二微带线和第三微带线同时与第六微带线耦合，第三微带线和第四微带线同时与第七微带线耦合，第四微带线和第一微带线同时与第八微带线耦合，第五微带线的一端与第八微带线的一端相连，其连接点位于第一金属化通孔处，第五微带线的另一端为第一输出端，第八微带线的另一端为第二输出端，第六微带线的一端与第七微带线的一端相连，其连接点位于第二金属化通孔处，第六微带线的另一端为第一输入端，第七微带线的另一端为第二输入端。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明能够产生六个差模零点和三个共模零点；有很高的差模通带选择性，带内插入损耗小，陡峭的边带，宽的阻带，平坦的群延时。共模抑制高。(2)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；(3)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；(4)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宽带差分带通滤波器的原型原理图。

图2是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的十字型谐振器的宽带差分带通滤波器等效传输线原理图。

图3是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的归一化的差模极点和零点的变化趋势。

图4是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的共模条件下耦合部分的等效电路图。

图5是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的连接延长耦合线原理图。

图6是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的归一化的共模传输零点和抑制水平与耦合系数k₂之间的变化趋势。

图7是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的差模响应仿真与实测图。

图8是本发明基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器的共模响应仿真与实测图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，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3、第二微带线4、第三微带线5、第四微带线6，第一微带线3位于最右方，其中第一微带线3和第三微带线5关于y轴对称，第二微带线4和第四微带线6关于x轴对称，第一微带线3的末端设置第一金属化通孔V₁，第三微带线5的末端设置第二金属化通孔V₂，第一微带线3和第二微带线4同时与第五微带线8耦合，第二微带线4和第三微带线5同时与第六微带线9耦合，第三微带线5和第四微带线6同时与第七微带线10耦合，第四微带线6和第一微带线3同时与第八微带线7耦合，第五微带线8的一端与第八微带线7的一端相连，其连接点位于第一金属化通孔V1处，第五微带线8的另一端为第一输出端2，第八微带线7的另一端为第二输出端2’，第六微带线9的一端与第七微带线10的一端相连，其连接点位于第二金属化通孔V2处，第六微带线9的另一端为第一输入端1，第七微带线10的另一端为第二输入端1’。

第一输入端1与第二输入端1’相平行，第一输出端2与第二输出端2’相平行。

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。

该十字型谐振器差模的奇模/偶模的输入导纳公式分别为：

式中，参数含义为A＝Z_oe+Z_oo，B＝Z_oe-Z_oo，Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ₁是第七微带线7和第八微带线8的电长度总和；Z₂是第二微带线4的特性阻抗，θ₂是第二微带线4的电长度。

该十字型谐振器共模的奇模/偶模的输入导纳公式分别为：

式中，参数含义为：A＝Z_oe+Z_oo，B＝Z_oe-Z_oo，Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ₁是第七微带线7和第八微带线8的电长度总和；Z₂是第二微带线4的特性阻抗，Z₃是第三微带线5的特性阻抗，θ₂是第二微带线4的电长度，θ₃是第三微带线5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和图5，本发明的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器在介质板上表面刻出十字型谐振器，并且在十字型谐振器的两个短截线末端添加金属化通孔，来实现接地。在十字型谐振器四周添加四个延伸的加载耦合线。具体而言，本发明具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，第一微带线3、第二微带线4、第三微带线5、第四微带线6构成十字型谐振器，第一微带线3位于最右方，第一微带线3的末端设置第一金属化通孔V₁，第三微带线5的末端设置第二金属化通孔V₂，两个金属化通孔用来接地。

结合图4和图5，本发明具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，第一微带线3和第二微带线4同时与第五微带线8耦合，第二微带线4和第三微带线5同时与第六微带线9耦合，第三微带线5和第四微带线6同时与第七微带线10耦合，第四微带线6和第一微带线3同时与第八微带线7耦合，第五微带线8的一端与第八微带线7的一端相连，其连接点位于第一金属化通孔V₁处，第五微带线8的另一端为第一输出端2，第八微带线7的另一端为第二输出端2’，第六微带线9的一端与第七微带线10的一端相连，其连接点位于第二金属化通孔V₂处，第六微带线9的另一端为第一输入端1，第七微带线10的另一端为第二输入端1’。

所述第一输入端1与第二输入端1’相平行，第一输出端2与第二输出端2’相平行。

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。

本发明具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，其工作原理简述如下：1)对于基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，我们先差模分析，再共模分析。

对于差模来说，十字型谐振器的对称线TT'是一个理想的电壁，我们可以得到奇模/偶模的输入导纳

A＝Z_oe+Z_oo

B＝Z_oe-Z_oo

Z_oe，Z_oo和θ₁分别是偶/奇模的阻抗和耦合线的电长度；Z₂,Z₃,θ₂和θ₃分别是十字型谐振器短截线的阻抗和电长度。当Y_{ino_DM}＝0,Y_{ine_DM}＝0或Y_{ino_DM}＝Y_{ine_DM}时，我们可以计算出极点和零点的大小。在中心频率f₀处，当有θ₁＝θ₂＝π/2时，可以得到三个极点f_{p0,1,2_DM}和四个零点f_{z0,1,2,3_DM}和它们的宽带带通响应。图3描述了，对于耦合馈电结构的不同耦合系数K₁，极点f_{p0,1,2_DM}和零点f_{z0,1_DM}对f_{p0_DM}归一化后的变化趋势，而f_{z2_DM}始终在位于直流，而f_{z3_DM}保持在2f₀。

对于共模来说，此时TT'是一个理想的磁壁，同样我们可以得到奇/偶模输入导纳

Y_{ino_CM}＝Y_{ino_DM}

如图3所示，传输零点f_{z0_CM}位于θ₁＝θ₂＝θ₃＝π/2，使得在差模通带内有很好的共模抑制。值得注意的是，共模传输零点的位置可以通过调节十字型谐振器的短路端微带线长度来控制，而此时的差模性能保持不变。所以，我们可以在差模滤波响应不变的情况下，把共模抑制调到我们需要的频率范围。

2)为了改善差模的选择性和共模抑制，将输入和输出馈线延伸与终端短路短截线耦合，这样可以产生额外的两个差模传输零点和两个共模传输零点，如图5所示。当输入差模信号时，加载耦合线可以看做1/4波长短路线，此时又有两个差模传输零点f_{z4,5_DM}在通带边缘产生，使的通带更加陡峭。对于共模情况，延伸的加载耦合线(l₁+l₂)等效原理图如图4所示。图中，Z＝2/(Y^a _oo+Y^a _oe)和Y＝2/(Z^b _oo+Z^b _oe)，这里Y^a _oo和Y^a _oe,Z^b _oo和Z^b _oe,θ；和N＝1+C_a/C_ab分别是特性阻抗和特性导纳,电长度和耦合部分的调谐比例；C_a和C_ab是每单位长度的线电容。对于传统的阻抗变换分析，当θ＝π和选择适当的N值时，可以得到两个共模传输零点f_{z1_CM}和f_{z2_CM}。根据图6显然易见，耦合系数k₂越大，共模抑制越好，同时两个归一化零点越靠近，阻带范围也越窄。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例为工作中心频点为3GHz的具有多个差模传输零点和共模传输零点的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，利用三维电磁仿真软件HFSS对该滤波器进行仿真和优化测试，参见图5，介绍该滤波器的最终电路尺寸参数：十字型谐振器是上下，左右对称的，所以第二微带线4、第四微带线6长度为l₁＝12.4mm，宽度为w₂＝0.4mm；第一微带线3、第三微带线5长度为l₂＝14.3mm，宽度为w₄＝0.2mm，以及第五微带线8和第六微带线9与第二微带线4耦合间距、第八微带线7和第七微带线10与第四微带线6耦合间距都为s₁＝0.2mm；第五微带线8和第八微带线7与第一微带线3耦合间距、第六微带线9和第七微带线10与第三微带线5耦合间距都为s₂＝0.1mm。第五微带线8和第七微带线10宽度为w₁＝0.2mm；第八微带线7和第六微带线9宽度为w₃＝0.1mm。根据以上仿真优化尺寸，我们在介电常数为3.38，厚度为0.508mm的RO4003介质板上进行加工。在加工后，我们在四个端口接上射频转接头SMA，这样就可以对本发明进行测试。

结合图7和图8，对于差模来说，该滤波器差模通带为2.8—4.2GHz，插入损耗小于1.1dB，回波损耗大于12dB，相对带宽为40％，拥有平坦的群延时(在0.9-1.2ns内)，在3.0,3.4和3.9GHz三个频点拥有三个极点。由于位于dc,1.5,2.1,5.0,5.8,和7GHz的六个零点，使得频率响应拥有陡峭的边带和宽阻带。在2.8—4.2GHz的差模通带内，共模的平均衰减大于40dB；由于位于2.9,3.6和4.1GHz的三个零点，它的最大的阻带超过80dB。本发明实施体积为29.4mm×25.2mm×0.508mm。

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 (5)

1.一种基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，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[3]、第二微带线[4]、第三微带线[5]、第四微带线[6]，第一微带线[3]位于最右方，其中第一微带线[3]和第三微带线[5]关于y轴对称，第二微带线[4]和第四微带线[6]关于x轴对称，第一微带线[3]的末端设置第一金属化通孔[V₁]，第三微带线[5]的末端设置第二金属化通孔[V₂]，第一微带线[3]和第二微带线[4]同时与第五微带线[8]耦合，第二微带线[4]和第三微带线[5]同时与第六微带线[9]耦合，第三微带线[5]和第四微带线[6]同时与第七微带线[10]耦合，第四微带线[6]和第一微带线[3]同时与第八微带线[7]耦合，第五微带线[8]的一端与第八微带线[7]的一端相连，其连接点位于第一金属化通孔[V1]处，第五微带线[8]的另一端为第一输出端[2]，第八微带线[7]的另一端为第二输出端[2’]，第六微带线[9]的一端与第七微带线[10]的一端相连，其连接点位于第二金属化通孔[V2]处，第六微带线[9]的另一端为第一输入端[1]，第七微带线[10]的另一端为第二输入端[1’]。

2.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，其特征在于，第一输入端[1]与第二输入端[1’]相平行，第一输出端[2]与第二输出端[2’]相平行。

3.根据权利要求1或2所述的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，其特征在于，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。

4.根据权利要求1或2所述的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，其特征在于，该十字型谐振器差模的奇模/偶模的输入导纳公式分别为：

$Y_{ino\_DM}=\frac{jAsin\left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{A^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-B^2}$

$Y_{ine\_DM}=\frac{A\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)-4Z_2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{tan\θ}}_2}{{\mathrm{jZ}}_{2}Asin\left(2{\mathrm{\θ}}_1\right){\mathrm{tan\θ}}_2+j(B^2-A^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1)}$

式中，参数含义为A＝Z_oe+Z_oo，B＝Z_oe-Z_oo，Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ₁是第七微带线[7]和第八微带线[8]的电长度总和；Z₂是第二微带线[4]的特性阻抗，θ₂是第二微带线[4]的电长度。

5.根据权利要求1或2所述的基于十字型谐振器的宽带差分带通滤波器，其特征在于，该十字型谐振器共模的奇模/偶模的输入导纳公式分别为：

$Y_{ino\_CM}=\frac{jA\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)}{A^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-B^2}$

$Y_{ine\_CM}=\frac{\frac{Z_2-2Z_3{\mathrm{tan\θ}}_3}{2Z_2{Z}_3+{{\mathrm{jZ}}_2}^2{\mathrm{tan\θ}}_2}Asin\left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)+4j{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}{Asin\left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)+j\frac{Z_2-2Z_3{\mathrm{tan\θ}}_3}{2Z_2{Z}_3+{{\mathrm{jZ}}_2}^2{\mathrm{tan\θ}}_2}(B^2-A^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1)}$

式中，参数含义为：A＝Z_oe+Z_oo，B＝Z_oe-Z_oo，Z_oe是偶模的特性阻抗，Z_oo是奇模的特性阻抗，θ₁是第七微带线[7]和第八微带线[8]的电长度总和；Z₂是第二微带线[4]的特性阻抗，Z₃是第三微带线[5]的特性阻抗，θ₂是第二微带线[4]的电长度，θ₃是第三微带线[5]的电长度。