CN104659452A - 一种基于十字型谐振器的双重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双重陷波频段超宽带带通滤波器，包括一个十字型谐振器、谐振器两个开路短截线和一个短路短截线、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、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、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双重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，特别是涉及一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器。

背景技术

2002年，美国联邦通信委员会（FCC）将3.1—10.6GHz之间的频段解禁，并允许将其应用于超宽带设备中，这在学术届和工业界引起了一股超宽带技术的研究热潮。作为超宽带系统中的一种核心器件，超宽带滤波器的研究成为学者们的关注热点和重点。一种耦合平面波导结构的超宽带滤波结构、一种圆环谐振腔的超宽带滤波器先后被提出。近年来，有学者提出了微带多模谐振器结构构成的超宽带带通滤波器。这些结构简单，在通带内都表现出较好的通带性能。但是，这些滤波器阻带较窄，不能有效抑制高次谐波。当前移动通信技术高速发展，多种通信系统并存，不同的信号会在超宽带接收系统中产生大量谐波干扰，所以研究陷波频段超宽带带通滤波器有很大的意义。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。使用多模谐振器自身固有的传输零点而不再额外使用其它例如开路短截线等谐振器的陷波设计方法还没有被提及和讨论。尚未发现基于十字型谐振器的双重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双重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双重陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于十字型谐振器，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、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，第一微带线的末端设置第一金属化通孔，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一端相连，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一端相连，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）本发明能够根据自身结构在通带内产生两个固定陷波频段；（2）带内插入损耗小；（3）相对带宽宽；（4）陷波段内回波损耗大；（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是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的混合开路和短路终端十字型谐振器等效电路图。

图2是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的归一化的传输极点随阻抗比变化规律。

图3是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的归一化的传输零点f_Cz1,2随阻抗比的变化规律。

图4是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的结构图。

图5是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的相对带宽随阻抗Z₃的变化(Z₄=140Ω)。

图6是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段中心频率随l_B4(Z₃=25Ω)的变化曲线。

图7是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段中心频率随Z₃(l_B4=8mm)的变化曲线。

图8是本发明一种基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的仿真与实测S参数。

具体实施方式

本发明公开了一种基于十字型谐振器的双重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的末端设置第一金属化通孔V₁，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5一端相连，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8一端相连，第八微带线8另一端与第一输出端Port2相连。

所述第一金属化通孔V₁由一排金属化通孔构成，并与地相接。

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的宽度大于其余微带线的宽度。

第五微带线5与第八微带线8位于同一直线上，该直线与第二微带线2平行。

第五微带线5与第八微带线8的阻抗相等，均为50Ω或75Ω。

该滤波器的三个极点和两个零点满足以下公式：

$f_{\mathrm{Cp}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}}\right)$

f_Cp2=f₀

$f_{\mathrm{Cp}3}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}})$

$f_{\mathrm{Cz}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}}\right)$

$f_{\mathrm{Cz}2}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}})$

式中，参数含义为：f₀为滤波器的中心频率，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，Z₃是第一微带线1的特性阻抗。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图4，本发明基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的，由电长度分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄的微带线构成十字型谐振器；在谐振器一个短截线末端有金属化通孔，用来接地；谐振器的两个短截线开路；在输入输出端采用平行耦合馈线结构。具体而言，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的末端设置第一金属化通孔V₁，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5一端相连，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8一端相连，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双重陷波频段超宽带带通滤波器，其工作原理简述如下：本发明是基于混合开路和短路终端十字型谐振器来设计的，所以我们先讨论混合开路和短路终端十字型谐振器原理。1）结合图1、图4所示的混合开路和短路终端十字型谐振器，本身有三个极点和两个零点，其输入阻抗和零极点可以表示为：

$Z_{\mathrm{in}3}=j\frac{Z_1(2Z_3{\tan }^2\mathrm{\θ}-2Z_2)-Z_1{Z}_2{Z}_3}{Z_1(2Z_3\tan \mathrm{\θ}-Z_2\cot \mathrm{\θ})+Z_2{Z}_3\tan \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

$f_{\mathrm{Cp}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}}\right)---\left(2\right)$

f_Cp2=f₀                  (3)

$f_{\mathrm{Cp}3}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}})---\left(4\right)$

$f_{\mathrm{Cz}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}}\right)---\left(5\right)$

$f_{\mathrm{Cz}2}=\frac{2f_0}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}})---\left(6\right)$

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。我们可以在f_Cp1,2,3发现三个传输极点，并在f_Cz1,2发现两个传输零点。图2绘出了归一化的传输极点随阻抗比变化的情况，设k₁=Z₂/Z₁，k₂=Z₃/Z₁，当k₂不变k₁增大时，这些极点将互相靠近。而图3给出的则是传输零点f_Cz1,2随阻抗比的变化规律。值得注意的是，在0<k₁<1的范围内，这两个零点的位置变化更为明显，这一特性对可以帮助设计者更好的控制和调整零点位置。

2）我们将讨论当θ₁≠θ₂≠θ₃(θ₂=θ₄)情况下整个滤波器的响应，特别是两个谐振器内在传输零点的变化情况，以更好的控制和设计带有两个陷波频段的超宽带滤波器。为了便于区分，我们将位于低频处的陷波频段定义为f_nB1，高频处的定义为f_nB2。那么图1所示的混合开路和短路终端十字型谐振器的输入阻抗可以表示为：

$Z_{\mathrm{in}3}=j{Z}_1\frac{Z_2{Z}_3\cot {\mathrm{\&theta;}}_2\tan {\mathrm{\&theta;}}_3+Z_1{Z}_2\tan {\mathrm{\&theta;}}_1\cot {\mathrm{\&theta;}}_2-2Z_1{Z}_3\tan {\mathrm{\&theta;}}_1\tan {\mathrm{\&theta;}}_3}{Z_1{Z}_2\cot {\mathrm{\&theta;}}_2-2Z_1{Z}_3\tan {\mathrm{\&theta;}}_3-Z_2{Z}_3\tan {\mathrm{\&theta;}}_1\cot {\mathrm{\&theta;}}_2\tan {\mathrm{\&theta;}}_3}---\left(7\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_1=\frac{2\mathrm{\&pi;}{l}_{B1}}{c}{f}_{\mathrm{nB}}---\left(8\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_2=\frac{2\mathrm{\&pi;}{l}_{B3}}{c}{f}_{\mathrm{nB}}---\left(9\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_3=\frac{2\mathrm{\&pi;}{l}_{B4}}{c}{f}_{\mathrm{nB}}---\left(10\right)$

滤波器的插入损耗S₂₁为：

$S_{21A}=\frac{Y_{\mathrm{oddA}}-Y_{\mathrm{evenA}}}{(Y_0+Y_{\mathrm{oddA}})(Y_0+Y_{\mathrm{evenA}})}---\left(11\right)$

其中

Y_oddB=Y_oddA                (12)

$Y_{\mathrm{evenB}}=\frac{Y_{\mathrm{rB}}A\sin \left(2{\mathrm{\&theta;}}_1\right)+4j{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_1}{A\sin \left(2{\mathrm{\&theta;}}_1\right)+j{Y}_{\mathrm{rB}}(B^2-A^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_1)}---\left(13\right)$

上式中c代表真空中的光速且Y_rB=(2Z_in3)^-1，A=Z_oe+Z_oo，B=Z_oe-Z_oo。

图5给出了基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器的相对带宽随谐振器阻抗Z₃的变化曲线。从图中可以看出，当Z₄保持不变时，滤波器的带宽会随着Z₃的增加而变大，很容易满足FCC制定的超宽带滤波器的带宽要求。

图6、7给出了设计的两个陷波频段f_nB1和f_nB2随谐振器参数的变化情况。当Z₃不变而l_B3逐渐变长时，f_nB1从5.5GHz减小到3.8GHz而f_nB2则是从10.5GHz减小到了7.8GHz；两个陷波频段的频率差也在l_B3保持不变的情况下随着Z₃的增大而增加。因此，可以很方便的通过调节滤波器的尺寸参数来调整两个滤波频段的中心频率，使它们落在所需要抑制的干扰信号的位置上，以进一步提高通信质量。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例设计中心频率在6.75GHz，我们加工制作了一个基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器，所使用的介质板为RO4003（ε_r=3.38,h=0.508mm），本发明的电路参数为第一微带线1的长度和宽度分别为l_B3=6.9mm，w_B3=3mm，第二微带线2和第四微带线4的长度和宽度分别为l_B2=6.1mm，w_B2=0.1mm，第三微带线3的长度和宽带分别为l_B1=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_B1=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。本发明的仿真与实测结果S参数已在图8中给出。可以看到，滤波器的中心频率f₀=6.75GHz，通带范围为3.0GHz到10.5GHz，相对带宽为111%，最小插入损耗为0.75dB且通带内的回波损耗优于11dB。滤波器的五个传输极点分别位于3.1GHz,5.1GHz，6.3GHz,7.8GHz和9.7GHz处。

为了抑制航空无线电导航服务系统和国际电信联盟的通信信号对超宽带通信的干扰，两个陷波频带分别被设置在了4.3GHz和9.1GHz处，其中前者的抑制水平大于28dB而后者的抑制大于19dB。整个滤波器的结构也很紧凑，仅有15.2×14.5mm²(0.30λ_g ²，λ_g表示滤波器中心频率对应的导波波长)。滤波器的群延时非常平坦，通带内的群延时抖动小于0.3ns。

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双重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]的末端设置第一金属化通孔[V₁]，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]一端相连，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]一端相连，第八微带线[8]另一端与第一输出端[Port2]相连。

2.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的双重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]由一排金属化通孔构成，并与地相接。

3.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的双重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双重陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第一微带线[1]的宽度大于其余微带线的宽度。

5.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第五微带线[5]与第八微带线[8]位于同一直线上，该直线与第二微带线[2]平行。

6.根据权利要求1所述的基于十字型谐振器的双重陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：第五微带线[5]与第八微带线[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双重陷波频段超宽带带通滤波器，其特征在于：该滤波器的三个极点和两个零点满足以下公式：

$f_{\mathrm{Cp}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}}\right)$

f_Cp2=f₀

$f_{\mathrm{Cp}3}=\frac{2f_0}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_1{Z}_2}{2Z_1{Z}_3+Z_2{Z}_3}})$

$f_{\mathrm{Cz}1}=\frac{2f_0}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}}\right)$

$f_{\mathrm{Cz}2}=\frac{2f_0}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_2{Z}_3+2Z_2}{2Z_3}})$

式中，参数含义为：f₀为滤波器的中心频率，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，Z₃是第一微带线[1]的特性阻抗。