CN105024119B - 阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的双模滤波器拓扑结构，即一种基于折叠型谐振器结构的双模微带带通滤波器。该滤波器的特征在于：采用阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的折叠型谐振器，其结构简单紧凑，有利于实现滤波器的小型化，且不需要额外加入微扰就能使谐振频率发生分离；在折叠型谐振器的开路枝节线两侧加载一对完全对称的交叉耦合线结构，使滤波器高低阻带分别产生一个传输零点，提高了阻带抑制特性；一对关于纵轴对称的输入、输出端口位于交叉耦合线的两侧。本发明提供了一种新型的滤波器拓扑结构，该结构较为紧凑，体积小且性能良好，优于其他外形的微带带通滤波器。

Description

阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带 通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，具体是一种阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器。

背景技术：

微波指其波长为1mm到0.1m，频率为300MHz到300GHz的电磁波。微波信号在人们的日常生活、医疗美容设备和现代化工业当中随处可见，而在各种微波/射频元件中，由于微波滤波器具有选频和划分信道等功能成为微波/射频电路设计中的重要无源元器件之一。研究表明，频谱资源具有不可再生性，所以为了充分利用资源，微波滤波器则显得更加重要。因为微波的信息容量非常大，现代的大多数通信系统，包括无线局域网WLAN、卫星定位系统、雷达等都无一例外的工作在微波频段。然而，由于频带拥挤、频谱资源有限，微波滤波器作为一种高效率的选频装置，常常被用来抑制无用信号，选通有用信号，从而使得信号资源能够得到重新分配，进而提高频谱资源的有效利用率。

近年来，随着移动个人通信和无线电技术的迅猛发展以及集成电路的高度集成化，尤其是通信设备中专用芯片的出现，无线电通信系统的基站设备及移动终端的小型化和性能的提高成为目前通信系统研究过程中的一个至关重要的课题。所以作为无线通信中必不可少的元件之一，滤波器必然要适应集成化和小型化的要求。同时，降低插入/回波损耗、提高滤波器的选择性等也都是需要多加关注的重要技术指标。因此，滤波器的性能提高以及小型化发展要求成为目前一个非常热门的课题。

微波滤波器小型化通常采用的几种方法：

1、采用高介电常数材料减小滤波器的尺寸。

2、采用慢波结构设计微带滤波器。

3、采用多层技术减小滤波器的体积。

4、采用双模谐振器设计滤波器等。

双模谐振器具有体积小、成本低、重量轻等特点，是实现滤波器小型化的有效手段之一，其原理在于一个双模谐振器结构相当于两个谐振电路，因此对于给定阶数的微波滤波器来讲，其所需要的谐振器数目将减为原来的一半，从而使滤波器的结构更紧凑，尺寸更小，同时也更易于集成。双模谐振器主要包括波导双模谐振器、介质双模谐振器和微带双模谐振器等。常用的微带谐振器主要有圆形、方形、环形或折线等形式。

从现有文献来看,已经研究的微带双模谐振器(滤波器)主要包括:圆形、方形、圆环形、方环形、折线形、三角形、T形等。

发明内容

为了满足社会技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的折叠双模微带带通滤波器。

为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，所述滤波器设置有输入信号和输出信号端口；该滤波器外形为采用折叠型谐振器结构的双模微带带通滤波器，并确保通带的带宽在微波频段范围内。

所述折叠型双模微带带通滤波器采用交叉耦合的馈线方式，信号输入端口和信号输出端口分别设置在交叉耦合线的两侧，并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与缝隙馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。

在本发明的具体实施例子中，所述滤波器的材料为铜箔。

通过电磁仿真，得到本发明的具体技术方案如下：

一种阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，采用交叉耦合的方式，其衬底的介电常数为2.65，厚度为1mm，端口宽度为2.8mm，馈线长度为5mm，该滤波器的信号输入、输出端口相对称，谐振器由折叠枝节和与之垂直的开路枝节组成；谐振器的折叠枝节由长为12.8mm，宽为0.3mm的矩形通过等长度折叠后形成，其中心加载的开路枝节的长度为16.1mm，宽度为0.4mm；交叉耦合线为与谐振器的开路枝节线相平行的两条平行线，其长度为14.2mm，宽度为0.4mm，不论是高于还是低于谐振频率，两条平行线的路径的相位偏移都不同，通带外的高、低阻带都会产生一个传输零点；交叉耦合线与端口之间通过一个1/4波长的谐振器连接，该1/4波长的谐振器长度为1.3mm，宽度为0.6mm；该滤波器关于开路枝节的中心线左右完全对称。

如上所述的阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，奇模和偶模的谐振频率分别为：

上式中，n为任意的正整数，ε_r是滤波器衬底的相对介电常数，v表示电磁波在介质中传输时的速率，θ₁、θ₂分别为对应的电长度；因此只需改变谐振器开路枝节线的长度就可使奇偶模的谐振频率发生分离，从而形成通带。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的滤波器拓扑结构，即基于折叠双模谐振器结构采用交叉耦合方式的微带带通滤波器，对所加工处的实物进行测量表明：该结构的双模微带带通滤波器，其性能优于其他外形的带通滤波器。

附图说明

图1为本发明提供的折叠型双模微带带通滤波器的几何结构示意图。

图2为折叠型双模滤波器模型及其参数示意图。

图3是新型折叠双模滤波器的S曲线，即仿真结果。

图4是仿真与测试结果对比图。

图5是参数d₁变化时的S曲线对比图。

图6是参数w₁变化时的S曲线对比图。

图7是参数a₂变化时的S曲线对比图。

图8是参数b₂变化时的S曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明提供的折叠型双模微带带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：折叠型谐振器1；交叉耦合线结构2，在交叉耦合线两侧设置的信号输入端口和信号输出端口3，并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与缝隙馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。

图2为折叠型双模滤波器模型及其参数，其中a₀是指输入、输出端口的宽度，b₀是指馈线的长度，l₁和w₁的值分别为交叉耦合线纵向矩形的长度和宽度，a₁和b₁分别为交叉耦合线横向矩形的长度和宽度，l₂和w₂分别为折叠谐振器的开路直接线的长度和宽度，d₁为耦合线与谐振器开路枝节线之间的间距，a₂为折叠枝节横向矩形的长度，b₂为折叠线的宽度，b₃为折叠线垂直宽度，a₃为折叠线中间横向矩形的长度。该滤波器关于对称轴左右对称。

图3是新型折叠双模滤波器的S曲线，即仿真结果。从图3种可以看出滤波器通带性能良好。

图4是仿真与测试结果对比图。从图4中可以看出，通带内波形吻合良好，但由于耦合间隙d₁的尺寸较小，且在制作实物时难免出现误差，因此通带位置发生了一定的偏移，偏移量为0.15GHz，属于误差允许的范围。整体上看，所设计滤波器的仿真和测量的频率响应相一致，因此验证了本文研究结果的正确性和实用性。

图5是参数d₁变化时的S曲线对比图。从图5中可以看出：交叉耦合线间距d₁＝0.2mm时，S₂₁曲线边带衰减较快，通带为2.5～4.8GHz，满足设计指标要求；随着d₁不断减小，S₂₁曲线高阻带传输零点不断右移，低阻带传输零点不断左移，带宽增大，插入损耗和回波损耗不断减小。因此，通过改变d₁的大小可以有效调节滤波器的通带带宽和回波损耗。

图6是参数w₁变化时的S曲线对比图。从图6中可以看出：交叉耦合线宽度w₁＝0.4mm时，S₂₁曲线边带衰减较快，插入损耗和回波损耗较小，通带为2.5～4.8GHz；w₁＝0.2mm时，S₂₁曲线右边带衰减较慢；w₁＝0.6mm时，高阻带带外8.2GHz附近产生高次谐波。因此，适当调节w₁的值可以相应调节滤波器的带宽、回波损耗和带外抑制性能。

图7是参数a₂变化时的S曲线对比图。从图7中可以看出：a₂＝1.0mm时，带内出现三个衰减极点，曲线S₂₁较为良好，通带为2.5～4.8GHz；随着a₂不断增大，S₂₁曲线左右边带不断左移，但左边带移动的较缓慢，同时插入损耗和回波损耗不断减小；a₂＝0.6mm时，通带发生凹陷，插入损耗非常大；a₂＝0.8mm时，高阻带带外8.2GHz附近出现高次谐波。因此，适当调节a₂的大小可以调节通带带宽、中心频率、插入损耗和带外抑制性能。

图8是参数b₂变化时的S曲线对比图。从图8中可以看出：b₂＝0.3mm时，曲线S₂₁较为良好，通带为2.5～4.8GHz；随着b₂的不断减小，S₂₁曲线左右边带不断左移，带宽和回波损耗不断减小。b₂分别为0.4mm和0.5mm时，高阻带带外8.2GHz附近出现高次谐波。因此，适当调节b₂可以调节滤波器的中心频率、回波损耗和带外抑制性能。

本发明提出一种全新的微带带通滤波器拓扑结构,采用麦克斯韦方程证明此拓扑结构，对于实际情况，由于很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，只能采用数值方法来证明，学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是HFSS对提出的拓扑结构进行优化。再将优化的结构制成样品，对样品测试，用实验的方法证实该滤波器拓扑结构。

本发明新型结构的实际尺寸如下：谐振器折叠枝节由长为12.8mm，宽为0.3mm的矩形通过等长度折叠后形成，其中心加载的开路枝节线的长度为16.1mm，宽度为0.4mm；交叉耦合线为与谐振器的开路枝节线相平行的两条平行线，其长度为14.2mm，宽度为0.4mm，交叉耦合线与端口之间通过一个1/4波长的谐振器连接，该1/4波长的谐振器长度为1.3mm，宽度为0.6mm；该滤波器关于开路枝节的中心线左右完全对称；滤波器的介电系数为2.65，衬底厚度为1mm的铜箔。所发明滤波器整体性能较好：仿真结果表明通带中心频率为3.65GHz，最大回波损耗优于-40dB，通带内最小插入损耗为-0.18dB。

双模特性是由Wolff等人在20世纪70年代初设计和制作带通滤波器时首次发现的。传统的双模谐振器内部存在简并模，通常通过加入微扰的方式使简并模分离，从而形成通带，而本设计中的折叠型谐振器经过奇偶模分析后得知其不需要加入任何微扰就可使谐振频率发生分离，从而形成通带。在谐振器两侧加载交叉耦合线结构使通带两侧分别产生一个传输零点，提高了带外抑制性能。

从现有文献来看,已经研究的微带双模谐振器(滤波器)主要包括:圆形、方形、圆环形、方环形、折线形、三角形、T形结构等。

本发明是一种新型的折叠型谐振器加载的双模微带带通滤波器，在滤波器的外形(拓扑结构)上不同于现有文献双模微带带通滤波器的外形(圆形、方形、圆环形、方环形、折线形、三角形、T形等)。本发明的微带带通滤波器，其性能优于其他外形的带通滤波器。

本发明的主要创新点是将折叠双模谐振器结构应用到微带带通滤波器的研究中，设计了一种性能良好的小型化滤波器。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，采用交叉耦合的方式，其衬底的介电常数为2.65，厚度为1mm，端口宽度为2.8mm，馈线长度为5mm，该滤波器的信号输入、输出端口相对称，谐振器由折叠枝节和与之垂直的开路枝节组成，其特征在于，谐振器的折叠枝节由长为12.8mm，宽为0.3mm的矩形通过等长度折叠后形成，其中心加载的开路枝节的长度为16.1mm，宽度为0.4mm；交叉耦合线为与谐振器的开路枝节线相平行的两条平行线，其长度为14.2mm，宽度为0.4mm，不论是高于还是低于谐振频率，两条平行线的路径的相位偏移都不同，通带外的高、低阻带都会产生一个传输零点；交叉耦合线与端口之间通过一个1/4波长的谐振器连接，该1/4波长的谐振器长度为1.3mm，宽度为0.6mm；该滤波器关于开路枝节的中心线左右完全对称。

2.根据权利要求1所述的阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，其特征在于：奇模和偶模的谐振频率分别为：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>d</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mi>&amp;nu;</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msqrt> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> </msqrt> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>n</mi> <mi>v</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msqrt> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> </msqrt> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

上式中，n为任意的正整数，ε_r是滤波器衬底的相对介电常数，v表示电磁波在介质中传输时的速率，θ₁、θ₂分别为对应的电长度；只需改变谐振器开路枝节线的长度就可使奇偶模的谐振频率发生分离，从而形成通带。

3.根据权利要求1或2所述的阶梯阻抗谐振器中心加载折叠型阶梯阻抗枝节的双模微带带通滤波器，其特征在于：滤波器的材质为铜箔。