CN104810584B

CN104810584B - 一种小型化差分三通带带通滤波器

Info

Publication number: CN104810584B
Application number: CN201510231116.0A
Authority: CN
Inventors: 魏峰; 丁晨; 李姣; 黄丘林; 史小卫
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: CN104810584A

Abstract

本发明公开了一种小型化差分三通带滤波器，主要实现差分带通滤波器多频工作和共模噪声抑制问题。包括微带结构，微带介质基板，金属接地板，缺陷地结构，其中微带结构关于滤波器的纵向中心轴左右对称，有两个相同结构的侧U型的差分输入输出端口，位于微带介质基板的上面；金属接地板上蚀刻缺陷地结构，缺陷地结构关于滤波器的纵向中心轴左右对称，包括三个互补开口谐振环和输入缝隙线和输出缝隙线；三个互补开口谐振环相对于金属接地板的中心点呈包围状自内向外相互嵌套，输入输出缝隙线均为阶梯阻抗型，以减小缺陷地结构。本发明能实现差分滤波器小型化，独立控制三个差模通带的中心频率和带宽，同时具有较好的宽带共模抑制特性。

Description

一种小型化差分三通带带通滤波器

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，特别涉及差分带通滤波器，具体是一种小型化差分三通带带通滤波器，可应用于无线通信系统射频前端电路中的多频率通信系统。

背景技术

近些年，随着移动通信技术的快速发展，一个通信系统往往需要工作在多个通信模式，如果每种模式均采用一个滤波器将导致通信系统体积大、成本高，而多频滤波器能同时涵盖多个通信模式，占用体积小，成本较低，得到了广泛的研究。另一方面，由于差分滤波器对噪声有较好的抑制作用，能够提高系统的灵敏度，满足现代通信系统高质量的通信要求。

因此，为了提高无线通信系统的抗干扰性，同时能够涵盖多个通信标准，近些年国内外很多研究机构和学者都致力于差分多通带滤波器的研究。2010年8月Jin Shi，QuanXue等学者在IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES期刊上发表文章Dual-Band and Wide-Stopband Single-Band Balanced Bandpass Filters With HighSelectivity and Common-Mode Suppression。其采用阶梯阻抗谐振器结构来实现双频差分带通响应，利用集总元件实现共模信号的抑制。但集总元件在高频时会产生很大的寄生效应，影响滤波器性能；2013年8月Y.H.Cho所在的课题组在IEEE TRANSACTIONS ONMICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES期刊上发表论文Design of Balanced Dual-BandBandpass Filters Using Asymmetrical Coupled Lines。文中采用非对称的耦合线实现差分双通带滤波器，但由于级联多个谐振器导致该滤波器的电尺寸相对较大；2014年12月Yijin Shen等人在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS期刊上发表Dual-Band SIW Differential Bandpass Filter With Improved Common-Mode Suppression。文中基于基片集成波导结构来实现双频差分滤波器，但是由于其采用多个谐振腔进行设计，设计复杂而且尺寸较大。目前多频差分带通滤波器的设计主要还主要集中在双通带，关于差分三通带滤波器设计方面的文献仅有一篇：2014年11月由Feng Wei等人在IEEEMICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS上发表的Compact Balanced Dual-andTri-band Bandpass Filters Based on Stub Loaded Resonators。该设计方法基于平衡的三模加载枝节谐振器实现三通带差分响应，通过调节加载枝节的尺寸，将共模响应和差模响应分离，从而达到对共模噪声的抑制。然而，由于不同通带之间的相互影响，难以实现独立控制第二个和第三个通带的带宽，并且其共模抑制带宽较窄，抑制电平较低，限制了其应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷提供能独立控制三个工作频率及带宽的一种小型化差分三通带滤波器，同时具有良好的宽带共模抑制特性。

为实现上述目的，本发明的技术方案说明如下：

本发明的一种小型化差分三通带滤波器，包括微带馈线，微带介质基板，金属接地板，缺陷地结构；微带介质基板的下表面有金属接地板，微带介质基板的上表面相对于纵轴对称性设有微带馈线；微带馈线包括两个相互独立、线路形状相同的侧U型的差分输入端口和差分输出端口，两个U型微带线的端口关于横向中心轴对称；金属接地板上蚀刻有缺陷地结构；其特征在于：侧U型差分输入端口和差分输出端口均由两段平行的50欧姆微带线和中间的一段微带线相连构成；其中两段平行的50欧姆微带线作为U型的两边用来传输差分信号；中间的一段微带线作为U型的底边，用来给底部的缺陷地结构馈电；缺陷地结构包括三个互补开口谐振环，三个互补开口谐振环相互独立相对于金属接地板的中心点呈包围状自内向外相互嵌套设置，三个独立环的开口方向互补，当最内层的互补开口谐振环开口向上时，位于中层的互补开口谐振环开口向下，最外层的互补开口谐振环开口向上；反之，当最内层的互补开口谐振环开口向下时，位于中层的互补开口谐振环开口向上，最外层的互补开口谐振环开口向下；最外层的互补开口谐振环两侧对称连有输入缝隙线和输出缝隙线；输入输出缝隙线分别与差分输入输出端口的U型底边的微带线正交。

本发明的实现还在于，差分信号通过差分输入端口输入，输入端口与输入缝隙线的正交部分将能量耦合到三个互补开口谐振环上，再经过输出缝隙线与输出端口的正交部分将能量耦合到输出端口；三个互补开口谐振环能够实现三通带滤波器，缺陷地结构能够保证差模信号传输，侧U型微带线与输入、输出缝隙线的传输结构达到对共模干扰的抑制作用。

本发明的实现还在于，互补开口谐振环均为半波长谐振器；通过改变每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立调节。改变相邻两个互补开口谐振环之间的间距，实现三个通带带宽的准独立调节。

本发明的实现还在于，在最外层互补开口谐振环和最内层互补开口谐振环的开口处都设有口沿延伸段，通过改变这些口沿延伸段的尺寸，可以方便的调整互补开口谐振环的长度，从而实现对第一通带和第三通带中心频率的调节。

本发明的实现还在于，输入缝隙线与输出缝隙线均为阶梯阻抗型，以减小缺陷地结构的尺寸。改变输入缝隙线的宽度和输出缝隙线的宽度，同时改变输入缝隙线的长度和输出缝隙线的长度，实现三个通带的带宽的调整。

本发明的实现还在于，每个互补开口谐振环左右两侧的走线根据相邻两个互补开口环之间耦合大小的需要或设计为直线型或设计为折线型，通过改变相邻两个互补开口环之间耦合的大小对三个通带的带宽进行调节，同时便于调节开口谐振环长度。

本发明的实现还在于，互补开口谐振环的线宽均为0.2-1mm，线长分别为45-65mm、35-50mm和30-45mm；输入和输出缝隙线的总长度均为6-15mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明仅需三个相互嵌套的不同互补开环谐振器构成的缺陷单元获得三通带滤波特性，三个通带的中心频率仅由缺陷单元决定，尺寸小，结构紧凑，易于分析。

2.本发明采用微带线转缝隙线的传输结构来进行共模信号的抑制，平衡式的微带馈线结构对称，对差模信号影响较小而对共模信号抑制明显，同时能够实现宽带共模抑制。

3.本发明由于差模部分和共模部分分开设计，能够保证调整差模传输频率时对共模抑制没有影响，简化了差分滤波器的设计过程以及后期调试。

4.本发明在最外层互补开口谐振环和最内层互补开口谐振环的开口处都设有口沿延伸段，通过改变口沿延伸段的长度调整谐振环的长度，从而简便的实现对中心频率的控制。

5.本发明每个互补开口谐振环左右两侧的走线可以设计为直线型或折线型，不同的走线形式可以实现谐振环之间不同的耦合大小。通过控制互补开口谐振环和缝隙线的耦合以及谐振环之间的耦合，实现三个通带带宽的准独立调谐，同时便于调节开口谐振环长度。

6.本发明采用一对平行50欧姆微带线作为差分馈电端口，以求得到良好的带内回波损耗，缺陷地结构的缝隙线通过与差分端口正交部分的整个缺陷地结构进行馈电，缝隙线采用阶梯阻抗形式以减小滤波器的整体尺寸，改变输入输出缝隙线的宽度或长度能够调整三个通带的带宽。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的底部结构图；

图3为本发明实施例差模传输响应S21曲线图；

图4为本发明实施例差模反射响应S11曲线图；

图5为本发明实施例共模传输响应S21曲线图；

图6为本发明实施例共模反射响应S11曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

实施例1：

差分多频滤波器能够涵盖多个通信标准同时能有效抑制共模噪声，在现代通信系统的应用日益广泛。不仅能独立使用，同时能集成在射频系统的前端进行滤波。

参照图1，本发明是一种小型化差分三通带滤波器，包括微带馈线1，微带介质基板2，金属接地板3，缺陷地结构4，其中：

微带介质基板2采用介电常数为2.2、厚度为0.787mm的覆铜介质基板，其尺寸为30mm×48.4mm，微带介质基板2的下表面有金属接地板3，微带介质基板2的上表面相对于纵轴对称性设置有微带馈线1；微带馈线1包括两个相同的侧U型的差分输入端口11和差分输出端口12，两个U型微带线的端口即输入端口11和输出端口12关于横向中心轴对称；金属接地板3上蚀刻有缺陷地结构4。

侧U型差分输入端口11和差分输出端口12均由两段平行的50欧姆微带线和中间的一段微带线相连构成；其中两段平行的50欧姆微带线作为U型的两边用来传输差分信号；中间的一段微带线作为U型的底边，用来给底部的缺陷地结构4馈电。缺陷地结构4包括三个互补开口谐振环，其中最外层的互补开口谐振环41开口向上，同时最外层的互补开口谐振环41上两侧对称连有输入缝隙线和输出缝隙线；位于中层的互补开口谐振环42开口向下，最内层的互补开口谐振环43开口向上。三个互补开口谐振环开口方向互补且相互独立相对于金属接地板3的中心点呈周向包围状自内向外相互嵌套设置；输入缝隙线44与差分输入端口11的U型底边的微带线正交；输出缝隙线45与差分输出端口12的U型底边的微带线正交。

差分信号通过差分输入端口11输入，输入端口11与输入缝隙线44的正交部分将能量耦合到三个互补开口谐振环上，再经过输出缝隙线45与输出端口12的正交部分将能量耦合到输出端口12；三个互补开口谐振环能够实现三通带独立控制的差分带通滤波器，缺陷地结构能够保证差模信号传输，同时扰乱共模信号达到对共模干扰的抑制作用。差分输入端口11和差分输出端口12可以相互调换来进行信号的输入输出。

本发明的互补开口谐振环均为半波长谐振器，通过改变每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立调节。改变每个互补开口谐振环之间的间距可以实现三个通带带宽的准独立调节。

实施例2：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1，以下给出不同的结构参数：

参考图2，在最外层互补开口谐振环41和最内层互补开口谐振环43的开口处都设有口沿延伸段，延伸段为了便于控制三个通带的中心频率而设置。最外层互补开口谐振环41的口沿延伸段位于开口环外部，线长为2.7mm，分别向两侧弯折，最内层互补开口谐振环43的口沿延伸段位于开口环内部，线长为0.6mm。

中层的互补开口谐振环42和最内层的互补开口谐振环43左右两侧的走线根据相邻两个互补开口环之间耦合大小的需要均设计为折线型，42折线部分的长度L₁为2mm，宽度L₂为1.3mm；43折线部分的长度L₃为5mm，宽度L₄为1.7mm。

最外层的互补开口谐振环41的线宽为0.4mm，线长为53.1mm；中层的互补开口谐振环42的线宽为0.4mm，线长为48.3mm；互补开口谐振环43的线宽为0.4mm，线长为43.3mm；最外层的互补开口谐振环41与中层的互补开口谐振环42之间的距离为1.5mm，42与43之间的距离为2.5mm。最外层的互补开口谐振环41的口沿延伸段位于开口环外部，线长为4mm，分别向两侧弯折，最内层的互补开口谐振环43的口沿延伸段位于开口环内部，线长为1.2mm。

最外层的互补开口谐振环41与中层的互补开口谐振环42之间的间距为5mm，中层的互补开口谐振环42与最外层互补开口谐振环之间的间距为4mm。

输入缝隙线44的线长为13.3mm，其中，高阻抗线线长为5mm，线宽为0.4mm，低阻抗线线长为8.3mm，线宽为5mm。输出缝隙线45的线长为13.3mm，其中高阻抗线线长为5mm，线宽为0.4mm，低阻抗线线长为8.3mm，线宽为5mm。

实施例3：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-2，以下给出不同的结构参数：

最内层的互补开口谐振环43开口向下，位于中层的互补开口谐振环42开口向上，最外层的互补开口谐振环41开口向下。

实施例4：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-3，以下给出不同的结构参数：

中层的互补开口谐振环42左右两侧的走线根据相邻两个互补开口环之间耦合大小的需要可以设计为直线型或折线型。在耦合较大时设计为直线型，以增加耦合量，在耦合较小时设计为折线型。本例中，中层的互补开口谐振环42与最内层的互补开口谐振环43之间的耦合较小，设计为折线型。

实施例5：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-4，以下给出不同的结构参数：

中层的互补开口谐振环42和最内层的互补开口谐振环43左右两侧的走线根据相邻两个互补开口环之间耦合大小的需要可以设计为直线型或折线型。在耦合较大时设计为直线型，以增加耦合量，在耦合较小时设计为折线型。本例中最外层的互补开口谐振环41与中层的互补开口谐振环42之间的耦合较小，其左右两侧的走线设计为折线型；中层的互补开口谐振环42与最内层的互补开口谐振环43之间的耦合也较小，谐振环的左右两侧的走线设计为折线型。

实施例6：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-5，以下给出不同的结构参数：

最外层的互补开口谐振环41的线宽为0.2mm，线长为45mm；中层的互补开口谐振环42的线宽为0.2mm，线长为35mm；最内层的互补开口谐振环43的线宽为0.2mm，线长为30mm；输入缝隙线44的线长为6mm，输出缝隙线45的线长为6mm。

实施例7：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-6，以下给出不同的结构参数：

最外层的互补开口谐振环41与中层的互补开口谐振环42之间的间距为3mm，中层的互补开口谐振环42与最外层互补开口谐振环之间的间距为3mm。本发明通过改变相邻两个互补开口谐振环之间的间距，实现三个通带带宽的准独立调节。

实施例8：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-7，以下给出不同的结构参数：

最外层的互补开口谐振环41的线宽为1mm，线长为65mm；中层的互补开口谐振环42的线宽为1mm，线长为50mm；最内层的互补开口谐振环43的线宽为1mm，线长为50mm；输入缝隙线44的线长为15mm，输出缝隙线45的线长为15mm。本发明通过改变每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立调节。

实施例9：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-8，以下给出不同的结构参数：

最外层的互补开口谐振环41的线宽为0.5mm，线长为50.3mm；中层的互补开口谐振环42的线宽为0.5mm，线长为42.1mm；最外层的互补开口谐振环43的线宽为0.5mm，线长为38.5mm；输入缝隙线44的线长为10.7mm，输出缝隙线45的线长为10.7mm。本发明通过改变每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立调节。

实施例10：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-9，以下给出不同的结构参数：

最外层的互补开口谐振环41的线宽为0.2mm，线长为50mm；中层的互补开口谐振环42的线宽为0.2mm，线长为44mm；最内层的互补开口谐振环43的线宽为0.2mm，线长为41.6mm；最外层的互补开口谐振环41的口沿延伸段位于开口环外部，线长为2.7mm，分别向两侧弯折，最内层的互补开口谐振环43的口沿延伸段位于开口环内部，线长为0.6mm。

最外层的互补开口谐振环41与中层的互补开口谐振环42之间的间距为2mm，中层的互补开口谐振环42与最外层互补开口谐振环之间的间距为3mm。本发明通过改变相邻两个互补开口谐振环之间的间距，实现三个通带带宽的准独立调节。

输入缝隙线44的线长为10mm，其中，高阻抗线线长为3mm，线宽为0.2mm，低阻抗线线长为7mm，线宽为6mm。输出缝隙线45的线长为10mm，其中，高阻抗线线长为3mm，线宽为0.2mm，低阻抗线线长为7mm，线宽为6mm。本发明通过改变高低缝隙线的线长和线宽来实现三个通带带宽的调节。

中层的互补开口谐振环42与最内层的互补开口谐振环43左右两侧的走线设计为折线型，中层的互补开口谐振环42折线部分的长度L₁为4mm，宽度L₂为1.3mm；最内层的互补开口谐振环43折线部分的长度L₃为7mm，宽度L₄为1.7mm。

实施例11：

小型化差分三通带带通滤波器的整体构成同实施例1-10，本发明的效果可通过对实施例9的仿真和测试实验进一步说明：

在三维电磁仿真软件HFSS中对本发明实施例10的滤波器进行仿真，得到该滤波器的差模传输响应S21曲线和差模反射响应S11曲线分别如图3和图4虚线所示，共模传输响应S21曲线和共模反射响应S11曲线分别如图5和图6虚线所示。

利用矢量网络分析仪对本发明实施例10的滤波器进行实物的测试，得到滤波器的差模传输响应S21曲线和差模反射响应S11曲线分别如图3和图4实线所示，共模传输响应S21曲线和共模反射响应S11曲线分别如图5和图6实线所示。

从图3的差模传输响应S21曲线可以看出，本发明滤波器的三个通带的中心频率分别为1.57GHz，2.47GHz和3.51GHz，插入损耗分别为0.74dB，0.48dB和1.06dB，3dB带宽分别为245MHz，385MHz和420MHz。从图4的差模反射响应S11曲线可以看出，本发明滤波器在三个通带内回波损耗均可以达到17dB以上。从图5的共模传输响应S21曲线可以看出，本发明滤波器具有良好的宽带共模抑制特性，在整个频段内的共模抑制可以达到40dB以上，远远高于通信系统中所要求的20dB共模抑制要求。由图3-图6均可以看出仿真结果和测试结果吻合的很好。

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。

简而言之，本发明公开的小型化差分三通带滤波器，主要实现差分带通滤波器多频工作问题。包括微带结构，微带介质基板，金属接地板，缺陷结构，其中微带结构关于滤波器的纵向中性轴左右对称，有两个相同结构的侧U型的差分输入输出端口，位于微带介质基板的上面；金属接地板上面蚀刻缺陷结构，缺陷结构关于滤波器的纵向中性轴左右对称，包括三个互补开口谐振环和输入缝隙线和输出缝隙线；三个互补开口谐振环相对于金属接地板的中心点呈包围状自内向外相互嵌套，输入输出缝隙线均为阶梯阻抗型，以减小缺陷地结构。本发明能够独立控制三个差模通带的中心频率和带宽，通过控制每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立控制；通过改变相邻两个互补开口谐振环之间的间距，实现三个通带带宽的准独立调节；通过改变输入缝隙线的宽度和输出缝隙线的宽度，同时改变输入缝隙线的长度和输出缝隙线的长度，实现三个通带的带宽的调节。同时本发明能够实现差分滤波器小型化，具有良好的宽带共模抑制特性，可应用于无线通信系统射频前端电路中的多频率通信系统。

Claims

1.一种小型化差分三通带带通滤波器，包括微带馈线(1)，微带介质基板(2)，金属接地板(3)，缺陷地结构(4)；微带介质基板(2)的下表面有金属接地板(3)，微带介质基板(2)的上表面相对于纵轴对称性设有微带馈线(1)；微带馈线(1)包括两个相互独立、线路形状相同的侧U型的差分输入端口(11)和差分输出端口(12)，两个U型微带线的端口关于横向中心轴对称；金属接地板(3)上蚀刻有缺陷地结构(4)；其特征在于：侧U型差分输入端口(11)和差分输出端口(12)均由两段平行的50欧姆微带线和中间的一段微带线相连构成；其中两段平行的50欧姆微带线作为U型的两边用来传输差分信号；中间的一段微带线作为U型的底边，用来给底部的缺陷地结构(4)馈电；缺陷地结构(4)包括三个互补开口谐振环，三个互补开口谐振环相互独立且相对于金属接地板(3)的中心点呈包围状自内向外相互嵌套设置，三个独立环的开口方向互补，每个互补开口谐振环左右两侧的走线根据相邻两个互补开口环之间耦合大小的需要或设计为直线型或设计为折线型；最外层的互补开口谐振环(41)两侧对称连有输入缝隙线和输出缝隙线；输入输出缝隙线分别与差分输入输出端口的U型底边的微带线正交，能量通过正交部分进行耦合。

2.根据权利要求1所述的小型化差分三通带带通滤波器，其特征在于，互补开口谐振环均为半波长谐振器；改变每个互补开口谐振环的长度，实现三个通带的中心频率独立调节；改变相邻两个互补开口谐振环之间的间距，实现三个通带带宽的准独立调节。

3.根据权利要求1所述的小型化差分三通带带通滤波器，其特征在于，在最外层互补开口谐振环(41)和最内层互补开口谐振环(43)的开口处都设有口沿延伸段，便于独立调谐其各自工作频率。

4.根据权利要求1所述的小型化差分三通带带通滤波器，其特征在于，输入缝隙线与输出缝隙线均为阶梯阻抗型，以减小缺陷地结构(4)的尺寸；改变输入输出缝隙线的宽度或长度调整三个通带的带宽。

5.根据权利要求1所述的小型化差分三通带带通滤波器,其特征在于，互补开口谐振环的线宽均为0.2-1mm，最外层的互补开口谐振环的线长为45-65mm，中层的互补开口谐振环的线长为35-50mm，最内层的互补开口谐振环的线长为30-45mm；输入和输出缝隙线的总长度均为6-15mm。