CN104868208B - 一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器 - Google Patents
一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，包括上层结构和下层结构，上层结构包括第一介质基板和第一微带线结构，下层结构包括第二介质基板和第二微带线结构，第一微带线结构设置在第一介质基板的顶面上，第二微带线结构设置在第二介质基板的底面上；第一微带线结构包括第一谐振器、第一阶跃阻抗枝节、第一端口馈电线和第二端口馈电线，第二微带线结构包括第二谐振器和第二阶跃阻抗枝节，第一阶跃阻抗枝节加载在第一谐振器的中心，第二阶跃阻抗枝节加载在第二谐振器的中心；上层结构与下层结构之间设有一金属片，金属片上开有缝隙，上层结构通过缝隙与下层结构耦合。本发明的滤波器带内性能良好、带外抑制能力强、共模抑制性能优秀。
Description
技术领域
本发明涉及一种带通平衡滤波器，尤其是一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，属于无线通讯领域。
背景技术
无线通讯技术在现实社会生活中发挥着越来越重要的作用，作为无线通讯领域的重要组成部分，带通滤波器的需求也日益增加。双频带通滤波器(DB-BPF)由于在现代无线通讯系统中有广泛的应用而受到很大的关注。平衡滤波器具备出色的抗干扰能力，因此在先进的无线通信系统中应用广泛。双频带通平衡滤波器是目前的研究热点之一。目前，大多数平衡滤波器需要引入额外的集总参数原件来抑制共模干扰。最近，槽线结构由于其固有的共模抑制特性而多被应用于平衡滤波器的设计中。它可以实现成本低的高性能平衡滤波器。此外，由于具备更高的自由度，以及节省电路面积成本，多层结构也越来越受到人们的关注。
据调查与了解，已经公开的平衡滤波器如下：
1)2009年，祝雷等人在IEEE Microwave and Wireless Components Letters上发表题为“A Differential-Mode Wideband Bandpass Filter on Microstrip Line forUWB Application”的文章中，作者采用阶跃阻抗线加载的对称结构。
2)2010年，Ching-Her Lee等人在IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters 上发表题为“Balanced Dual-Band BPF With Stub-Loaded SIRs for Common-Mode Suppression”的文章中，分别在低频段(2.45GHz)和高频段(5.25GHz)设计了两个通带，差模插入损耗分别为2.4和2.82dB，并且在1-7GHz的范围内共模抑制均在25dB以上。
3)2012年，Yen-Ju Lu等人在IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters上发表题为“A Differential-Mode Wideband Bandpass Filter With EnhancedCommon-Mode Suppression Using Slotline Resonator”利用槽线谐振器设计了一个宽带的平衡滤波器，差模-10dB回波反射的带宽达到了105％，共模抑制达到了47.5dB以上，但是这种结构尺寸太大。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，本发明的滤波器具有结构简单、带内性能良好、带外抑制能力强、共模抑制性能优秀的特点，能很好地满足现代通讯系统的要求。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括第一介质基板和第一微带线结构，所述下层结构包括第二介质基板和第二微带线结构，所述第一微带线结构设置在第一介质基板的顶面上，所述第二微带线结构设置在第二介质基板的底面上；所述第一微带线结构包括第一谐振器和第一阶跃阻抗枝节，所述第二微带线结构包括第二谐振器和第二阶跃阻抗枝节，所述第一阶跃阻抗枝节加载在第一谐振器的中心，所述第二阶跃阻抗枝节加载在第二谐振器的中心；所述上层结构与下层结构之间设有一金属片，所述金属片上开有缝隙，所述上层结构通过缝隙与下层结构耦合。
作为一种优选方案，所述第一谐振器从第一介质基板的顶面上看，是折叠成上部闭合、下部开放的E字型结构；所述第二谐振器从第二介质基板的底面上看，是折叠成下部闭合、上部开放的E字型结构。
作为一种优选方案，所述缝隙有两条，分别为第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙与第二缝隙左右对称；所述第一缝隙通过第一介质基板与第一谐振器的左部相连，并通过第二介质基板与第二谐振器的左部相连；所述第二缝隙通过第一介质基板与第一谐振器的右部相连，并通过第二介质基板与第二谐振器的右部相连。
作为一种优选方案，所述第一缝隙和第二缝隙的形状均为矩形。
作为一种优选方案，所述第一微带线结构还包括第一端口馈电线和第二端口馈电线，所述第一端口馈电线与第二端口馈电线左右对称；所述第一端口馈电线位于第一谐振器的左边，并通过第一介质基板与第一缝隙相连；所述第二端口馈电线位于第一谐振器的右边，并通过第一介质基板与第二缝隙相连。
作为一种优选方案，所述第一端口馈电线的左端具有两个输入端口，两个输入端口位于第一介质基板的左边缘处，所述第二端口馈电线的右端具有两个输出端口，两个输出端口位于第一介质基板的右边缘处。
作为一种优选方案，所述第一阶跃阻抗枝节和第二阶跃阻抗枝节的形状均为矩形。
作为一种优选方案，所述第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029的介质基板。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的带通平衡滤波器通过设计出两层结构，并在两层结构上分别利用谐振器加载阶跃阻抗枝节(即阶跃阻抗谐振器，SIR)设计出中心频率不同的两个单频带通平衡滤波器，利用缝隙将两层滤波器耦合，使得上层结构可以向下层结构馈电，以激励下层的滤波器，能很好地满足现代通讯系统的要求，有良好的应用前景。
2、本发明的带通平衡滤波器经过测量表明，具备优良的差模通带性能和共模抑制特性，且具有高选择性。
3、本发明的带通平衡滤波器通过将缝隙结构(即槽线结构)推广到多层结构上，在维持共模抑制性能基础上，提高了设计的自由度。
4、本发明的带通平衡滤波器通过在上、下层分别设计单频带通平衡滤波器，可以实现两个通带的独立控制，能够应用于多频通信系统的要求。
5、本发明的带通平衡滤波器克服了传统平衡滤波器结构复杂的缺点，且带内性能良好、带外抑制能力强、共模抑制性能优秀，能够很好地满足现代通讯系统的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器的横截面示意图。
图2为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器的上层结构示意图。
图3为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器的下层结构示意图。
图4为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器阶跃阻抗谐振器的奇模等效电路。
图5为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器阶跃阻抗谐振器的偶模等效电路。
图6为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器通带一中心频率随Li1的变化曲线图。
图7为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器通带二中心频率随Li1的变化曲线图。
图8为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器中缝隙结构的奇模等效电路图。
图9为本发明实施例1的双频带通平衡滤波器中缝隙结构的偶模等效电路图。
图10为本发明实施例2的双频基片集成波导带通滤波器的测量结果与仿真结果比较图。
其中，1-第一介质基板，2-第一微带线结构，3-第二介质基板，4-第二微带线结构，5-金属片，6-第一谐振器，7-第一阶跃阻抗枝节，8-第一端口馈电线，9-第二端口馈电线，10-第二谐振器，11-第二阶跃阻抗枝节，12-第一缝隙，13-第二缝隙。
具体实施方式
实施例1：
如图1～图3所示，本实施例的双频带通平衡滤波器包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括第一介质基板1和第一微带线结构2，所述下层结构包括第二介质基板3和第二微带线结构4，所述第一微带线结构2设置在第一介质基板1的顶面上，所述第二微带线结构4设置在第二介质基板3的底面上，所述上层结构与下层结构之间设有一金属片5；
所述第一微带线结构2包括第一谐振器6、第一阶跃阻抗枝节7、第一端口馈电线8和第二端口馈电线9，所述第一阶跃阻抗枝节7加载在第一谐振器6的中心，构成上层的单频带通平衡滤波器；
所述第二微带线结构4包括第二谐振器10和第二阶跃阻抗枝节11，所述第二枝节11加载在第二谐振器10的中心，构成下层的单频带通平衡滤波器；
所述第一阶跃阻抗枝节7和第二阶跃阻抗枝节11的形状均为矩形；所述第一谐振器6从第一介质基板1的顶面上看，是折叠成上部闭合、下部开放的E字型结构；第二谐振器10从第二介质基板3的底面上看，是折叠成下部闭合、上部开放位于的E字型结构；
所述金属片5上开有缝隙，所述上层结构通过缝隙与下层结构耦合，使得上层结构可以向下层结构馈电，以激励下层的滤波器，并在上层结构将能量输出；所述缝隙有两条，分别为第一缝隙12和第二缝隙13，所述第一缝隙12与第二缝隙13的形状均为矩形，且左右对称；所述第一缝隙12通过第一介质基板1与第一谐振器6的左部相连，并通过第二介质基板3与第二谐振器10的左部相连；所述第二缝隙13通过第一介质基板1与第一谐振器6的右部相连，并通过第二介质基板3与第二谐振器10的右部相连；
所述第一端口馈电线8与第二端口馈电线9左右对称，所述第一端口馈电线8位于第一谐振器6的左边，并通过第一介质基板1与第一缝隙12相连，所述第二端口馈电线9位于第一谐振器6的右边，并通过第一介质基板1与第二缝隙13相连；第一端口馈电线8的左端具有两个输入端口Port1和Port1’，两个输入端口Port1和Port1’位于第一介质基板1的左边缘处，第二端口馈电线9的右端具有两个输出端口Port2和Port2’，两个输出端口Port2和Port2’位于第一介质基板1的右边缘处。
上层的单频带通平衡滤波器和下层的单频带通平衡滤波器的中心频率不同，因此这两个不同层的滤波器可以独立设计；由于两层结构都是左右对称的，因此可以应用奇偶模方法分析，谐振器的奇模和偶模等效电路分别如图4和图5所示，通带一(由下层的单频带通平衡滤波器产生)奇模的谐振频率由Li1(Li1＝L6+W7)的电长度决定，通带二(由上层的单频带通平衡滤波器产生)奇模的谐振器频率由Li1(Li1＝L3+W4)的电长度决定；偶模的谐振频率由Li1，Li2(通带一Li2＝L7，通带二Li2＝L4)，Li3(通带一Li3＝L8，通带二Li3＝L5)和阻抗(导纳)比R＝Y3/Y1决定；当Li1＝2(Li2+Li3)＝6Li3固定的时候，偶模频率只由R所决定；当枝节谐振时，可以等效为一个四分之一波长的谐振器，此时此时奇模和偶模的频率很接近，因此形成一个二阶的通带。一个额外的传输零点可以由枝节引入，零点频率为：
其中，c是自由空间中的光速，εeff是微带线的有效介电常数，通过调节Li1，每个通带的中心频率都可以独立调节，并且带内的性能能够通过相应调节R得到很好的保证，两个通带的调节范围分别如图6和图7所示，和是指差模S参数，其中是差模的输入端口回波损耗；是差模的输入端口到输出端口的正向传输系数，图中位于两个通带左侧的两个额外的传输零点是由缝隙和微带线之间的交叉耦合产生的。
第一缝隙12和第二缝隙13所构成的缝隙结构同样可以采用奇偶模方法分析，奇模和偶模等效电路如图8和图9所示，当共模激励时，相当于在缝隙对称面上加上一面磁壁(M.W.)，此时共模信号无法在缝隙中传播；当差模激励时，相当于在缝隙对称面上加上一面电壁(E.W.)，此时差模信号能够通过缝隙，因此缝隙结构能够实现很好的共模抑制性能。
实施例2：
本实施例要设计出一个具有双层结构的双频带通平衡滤波器，首先在两层介质基板(即实施例1的第一介质基板和第二介质基板)上设计两个单频带通平衡滤波器，并采用缝隙耦合将它们合成一个双频的带通平衡滤波器，采用图4和图5的奇偶模方法对阶跃阻抗谐振器分析，可以得到设计不同通带频率的方法；对参数Li1的调整能够改变通带的频率，而调整阻抗(导纳)比R能够改善带内的性能，如图6和图7所示。为了验证设计的正确性，设计和加工了一个中心频率为1.9GHz和2.8GHz的双频带通平衡滤波器，其各部分尺寸如下表1所示。
| W0 | W1 | W2 | W3 | W4 | W5 | W6 |
| 2.2 | 7.8 | 1.5 | 10.1 | 7.8 | 6.6 | 0.7 |
| W7 | W8 | W9 | W10 | L1 | L2 | L3 |
| 16.8 | 13.4 | 7.9 | 11.1 | 16.7 | 29.3 | 11.25 |
| L4 | L5 | L6 | L7 | L8 | ||
| 6.2 | 3.1 | 11.5 | 9 | 4.5 |
表1滤波器各个参数尺寸(单位：mm)
本实施例采用的介质基板相对介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029。最终得到的测量结果和仿真结果对比如图10所示，虚线表示测量结果，实线表示仿真结果，和是指差模S参数，是指共模S参数，其中是共模的输入端口到输出端口的正向传输系数，两个通带的中心频率分别为1.9GHz和2.8GHz，对应的插入损耗为2.05和2.65dB，共模抑制水平在两个通带内都大于38dB。从图10中的测量结果和仿真结果看，具有良好的一致性，从而验证了设计的正确性，最终的滤波器具备优良的差模通带性能和共模抑制特性，四个传输零点也提高了滤波器的选择性。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：包括上层结构和下层结构，所述上层结构包括第一介质基板和第一微带线结构，所述下层结构包括第二介质基板和第二微带线结构，所述第一微带线结构设置在第一介质基板的顶面上，所述第二微带线结构设置在第二介质基板的底面上；所述第一微带线结构包括第一谐振器和第一阶跃阻抗枝节，所述第二微带线结构包括第二谐振器和第二阶跃阻抗枝节，所述第一阶跃阻抗枝节加载在第一谐振器的中心，构成上层的单频带通平衡滤波器，所述第二阶跃阻抗枝节加载在第二谐振器的中心，构成下层的单频带通平衡滤波器，上层的单频带通平衡滤波器和下层的单频带通平衡滤波器的中心频率不同；所述上层结构与下层结构之间设有一金属片，所述金属片上开有缝隙，所述上层结构通过缝隙与下层结构耦合；
所述第一谐振器从第一介质基板的顶面上看，是折叠成上部闭合、下部开放的E字型结构；所述第二谐振器从第二介质基板的底面上看，是折叠成下部闭合、上部开放的E字型结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述缝隙有两条，分别为第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙与第二缝隙左右对称；所述第一缝隙通过第一介质基板与第一谐振器的左部相连，并通过第二介质基板与第二谐振器的左部相连；所述第二缝隙通过第一介质基板与第一谐振器的右部相连，并通过第二介质基板与第二谐振器的右部相连。
3.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述第一缝隙和第二缝隙的形状均为矩形。
4.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述第一微带线结构还包括第一端口馈电线和第二端口馈电线，所述第一端口馈电线与第二端口馈电线左右对称；所述第一端口馈电线位于第一谐振器的左边，并通过第一介质基板与第一缝隙相连；所述第二端口馈电线位于第一谐振器的右边，并通过第一介质基板与第二缝隙相连。
5.根据权利要求4所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述第一端口馈电线的左端具有两个输入端口，两个输入端口位于第一介质基板的左边缘处，所述第二端口馈电线的右端具有两个输出端口，两个输出端口位于第一介质基板的右边缘处。
6.根据权利要求1所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述第一阶跃阻抗枝节和第二阶跃阻抗枝节的形状均为矩形。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种具有双层结构的双频带通平衡滤波器，其特征在于：所述第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为2.55、厚度为0.8mm、损耗角正切值为0.0029的介质基板。
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Inventor after: Ren Kangyu Inventor after: Cao Junjie Inventor after: Zhang Yunchu Inventor after: Wang Kai Inventor after: Chen Zhihan Inventor after: Wang Shiwei Inventor after: Tang Min Inventor after: Chu Qingxin Inventor before: Wang Kai Inventor before: Chen Zhihan Inventor before: Wang Shiwei Inventor before: Tang Min Inventor before: Chu Qingxin |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180427 |