CN105207638A

CN105207638A - 一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器

Info

Publication number: CN105207638A
Application number: CN201510763549.0A
Authority: CN
Inventors: 刘鸿飞; 温瑞博·尚德; 金乘进
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: CN105207638B

Abstract

本发明公开了一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，该滤波器包括三级串联电容、四级并联空气芯同轴线电感、微带电路板和黄铜盒体；三级串联电容和四级并联空气芯同轴线电感构成七级契比雪夫电路；三级串联电容分别被焊接在微带电路板的传输线的焊盘上；射频输入输出的水平方向的黄铜盒体上设置有容置槽，微带电路板设置在容置槽内。本申请的滤波器采用四个空气芯同轴线电感替代传统的贴片电感大大地提高了并联电感的品质因数，降低了滤波器的噪声。在1.4GHz处，电感的品质因数分别被提高到了762.2和1046；且在其通频带内插入损耗小于0.16dB，反射损耗大于20dB；其在300K环境温度下的噪声温度小于8K，插入损耗和噪声温度大大低于传统微带以及腔体滤波器。

Description

一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器

技术领域

本发明涉及天文接收机前端和低噪声通讯系统领域，尤其涉及一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器。

背景技术

当今，随着数字电子设备的大量使用，天文观测所需的宁静的电磁环境日益遭到破坏，尤其是在1GHz以下的低频段。越来越多的天文望远镜在馈源喇叭和第一级低噪声放大器之间安装低损耗滤波器以滤除低频干扰信号，以防止第一级低噪声放大器饱和失真。较小的通带插损和较高的阻带抑制是此类滤波器的关键指标。高温超导滤波器由于具备低插损、陡斜边和高阻带抑制等特性，是一种可行的选择，也被一些天文台采用。高温超导滤波器的缺点是它需要工作在低温温度下(如40K)，这就需要使用一套复杂的低温制冷系统。另外，昂贵的、长周期的薄膜制备工艺(包括薄膜生长、光刻和离子束刻蚀等)也限制了高温超导滤波器的大量使用，尤其是那些需要元器件较多的阵列望远镜，如SKA等工程。

因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，本申请的滤波器采用四个空气芯同轴线电感替代传统的贴片电感大大地提高了并联电感的品质因数，降低了滤波器的噪声。在1.4GHz处，电感的品质因数分别被提高到了762.2和1046；且在其通频带内插入损耗小于0.16dB，反射损耗大于20dB；其在300K环境温度下的噪声温度小于8K，插入损耗和噪声温度大大低于传统微带以及腔体滤波器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，所述滤波器包括三级串联电容、四级并联空气芯同轴线电感、微带电路板和黄铜盒体；其中，所述三级串联电容和四级并联空气芯同轴线电感构成七级契比雪夫电路；所述黄铜盒体上设置有四条横截面为正方形的长槽，四条铜线分别插入四条所述长槽中构成所述四级并联空气芯同轴线电感；所述铜线的一端与所述微带电路板的中心焊接连接，另一端和所述黄铜盒体焊接连接；所述三级串联电容分别被焊接在所述微带电路板的传输线的焊盘上；射频输入输出的水平方向的黄铜盒体上设置有容置槽，所述微带电路板设置在所述容置槽内。

进一步，所述黄铜盒体的表面做镀金处理，以降低信号传输中的欧姆损耗。

进一步，所述滤波器中的分立元件之间通过微带线进行连接。

进一步，所述铜线的直径为1.575mm；所述横截面为正方形的长槽的横截面的边长为4.75mm。

进一步，所述微带电路板的接地面和所述黄铜盒体均匀焊接，以保证微带电路板良好、均匀的接地。

本发明具有以下积极的技术效果：

本申请的微带高通滤波器，其低端3dB截止频率为890MHz，可应用于天文接收机前端和低噪声通讯系统等领域。该滤波器采用七级契比雪夫高通电路结构，其包含三个串联电容、四个并联电感和微带电路版。电容和电路板均采取超低损耗元件，黄铜盒体镀金以降低滤波器欧姆损耗。本滤波器创新地采用四个空气芯同轴线电感替代传统的贴片电感大大地提高了并联电感的品质因数，降低了滤波器的噪声。在1.4GHz处，电感的品质因数分别被提高到了762.2和1046。对滤波器的S参数测试显示，在其通频带内插入损耗小于0.16dB，反射损耗大于20dB；对滤波器的噪声温度测试显示，其在300K环境温度下的噪声温度小于8K，插入损耗和噪声温度大大低于传统微带以及腔体滤波器。

附图说明

图1是七级契比雪夫高通滤波器的第一种电路结构；

图2是七级契比雪夫高通滤波器的第二种电路结构；

图3是本发明的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器的电路原理图；

图4是本发明的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器的S参数仿真波形图；

图5是本发明的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器的S参数测试波形图；

图6是本发明的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器的噪声温度测试波形图；

图7是本发明的黄铜盒体的结构示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本申请提供了一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，该滤波器包括三级串联电容、四级并联空气芯同轴线电感、微带电路板和黄铜盒体；其中，三级串联电容和四级并联空气芯同轴线电感构成七级契比雪夫电路；黄铜盒体上设置有四条横截面为正方形的长槽5，四条铜线分别插入四条长槽5中构成四级并联空气芯同轴线电感；铜线的一端与微带电路板的中心焊接连接，另一端和黄铜盒体焊接连接；三级串联电容分别被焊接在微带电路板的传输线的焊盘上；射频输入输出的水平方向的黄铜盒体上设置有容置槽6，微带电路板设置在容置槽6内。

如图1-2所示，七级契比雪夫高通滤波器共有两种电路结构；R1和R7分别是源电阻和负载电阻；图中L1、L2…L7为并联电感，C1、C2……C7为串联电容；图1中的并联电感臂L1和L7被放置在电路的两端；而图2中的串联电容臂C1和C7则被放置在电路的两端。由于本发明通过在滤波器的盒体上制作空气芯、短路、同轴电感，该电感比传统贴片电感具备高的多的品质因数。因此，选择图1中的电路结构设计滤波器，因为它使用了更多的同轴线电感，更少的贴片电容。滤波器通带起伏取决于归一化模常数k和归一化模值q，对应关系在下表中列出。为兼顾到较小的通带起伏和较陡峭的裙斜边，本发明选择0.01dB通带起伏，因为通带起伏越大，滤波器的裙斜边越陡峭。

Ripple(dB)	q1	k1,2	k2,3	k3,4	k4,5	k5,6	k6,7	q7
									0	0.445	1.34	0.669	0.528	0.528	0.669	1.34	0.445
0.00001	0.580	1.10	0.611	0.521	0.521	0.611	1.10	0.580

0.001	0.741	0.930	0.579	0.519	0.519	0.579	0.930	0.741
									0.01	0.912	0.830	0.560	0.519	0.519	0.560	0.830	0.912
0.1	1.26	0.723	0.541	0.517	0.517	0.541	0.723	1.26
									1.0	2.25	0.631	0.530	0.517	0.517	0.530	0.631	2.25
3.0	3.52	0.607	0.529	0.519	0.519	0.529	0.607	3.52

上表中电容、电感和源电阻值与表1中的k和q的关系可由下列公式表示：

(R₁/L₁)＝q₁ω_3dB(1)

1/(L_iC_i+1)^1/2＝(1/k_i，i+1)ω_3dB，i＝1，3，5(2)

1/(C_jL_j+1)^1/2＝(1/k_j，j+1)ω_3dB，j＝2，4，6(3)

其中3dB角频率ω_3dB等于2πf_3dB，在本发明中3dB频率f_3dB被设计为870MHz，源电阻R1为50欧姆。根据表1和方程式(1)-(3)，所有的滤波器初始元件值都可以计算得出：L1、L3、L5和L7分别为10nH,4.6nH,4.6nHand10nH；C2、C4和C6分别为2.3pF、1.96pF和2.3pF。

本申请的滤波器在微波仿真器中的电路原理图如图3所示。其中包含三个低损耗表面安装电容、空气芯同轴线电感和用以焊接分立元件的微带电路板。

由于电路中使用了八条微带线来连接分立元件，实际的电容值被进一步优化。本发明在滤波器盒体上构建四个空气芯、短路同轴线电感，以降低电感的热损耗。在传统的滤波器电路中经常使用低损耗空气芯芯片电感，其品质因数(Q)在L波段约为几十，品质因数最高的空气芯商用芯片电感例如Coilcraft0603HP系列，Q值在1.4GHz为110。本发明构建的同轴线电感具备极高的品质因数，大大降低了滤波器插损。计算过程如下：

同轴线电感的内导体采用直径A为1.575mm铜线制成。通过在滤波器黄铜盒体上铣出横截面为正方形的长槽构成电感的外导体，正方形横截面的边长D为4.75mm。该方形空气芯同轴线的特性阻抗可以被表示为：

Z₀＝60ln(αD/A)(₄)

其中，渐进因子α由D/A确定。本发明中D/A为3.016，此时α为1.0787.通过式(4)可计算出同轴线的特性阻抗为70.78欧姆。对于一个长度为Le的短路同轴线，输入阻抗Z_Le可以表示为：

Z_Le＝jZ₀tan(2πfL_e/c)(5)

其中，f为工作频率；c为空气中的光速；Le为空气线的长度。电感值为Lx的电感，其阻抗ZLX可以被表示为：

Z_Lx＝j2πf_Lx(6)

根据式(5)和(6)，对于四个初始电感值分别为10nH、4.6nH、4.6nH和10nH的电感，在1.4GHz处，它们对应的最短空气线长度分别为30.5mm、17.7mm、17.7mm和30.5mm。同样地，由于图2中8条微带线的存在，实际的同轴线长度被进一步优化为33.3mm、18mm、18mm和33.3mm。根据式(5)，在1.4GHz处，长度为33.3mm的两条同轴线电感，感抗XL为104.4欧姆；在1.4GHz处，包括圆形铜内导体和方形黄铜外导体的整个同轴线，其单位线电阻，Rm，约为3欧姆/米，那么33.3mm长的同轴线电阻RL为0.0998欧姆。因此这两条线的品质因数Q，XL/RL为1046.相似地，其它两条长度为18mm的同轴线的品质因数经计算为762.2。和传统高Q值空气芯芯片电感相比较，本发明中短路同轴线电感大大的降低了滤波器噪声。

本申请的滤波器的S参数仿真结果如图4所示。仿真显示带内最大插损小于0.122dB，其中不包含两个低损耗N型射频接头，N型接头插损约为0.02dB，因此，包含射频接头的滤波器带内最大插损约小于0.162dB。滤波器带内反射损耗大于20dB。在750MHz处，阻带抑制为19.62dB；在600MHz处，阻带抑制为41.32dB。

本申请的滤波器的S参数利用矢量网络分析仪PNA-X测得，测试结果如图5所示。可见滤波器3dB截止频率为890MHz，通频带上限可达1.9GHz；带内插损小于0.16dB，远小于商用微带滤波器约1dB的插损，带内反射损耗大于20dB；在750MHz处的阻带抑制为20.4dB，600MHz出的阻带抑制为45.88dB。可有效地抑制低频干扰信号对天文接收机第一级放大器的干扰。

本申请的滤波器的噪声温度测量采用的是滤波器后接低噪声放大器的比较测量法：首先测量低噪声放大器的噪声温度，再将滤波器直接连接于放大器之前，再次测量两者的噪声温度，其相对于单独的放大器噪声温度提升的部分即为滤波器的噪声温度。图6显示的是本发明的滤波器和低噪声放大器比较测量结果。可以看到，通带内滤波器的引起的噪声温度提升仅为8K。

本发明的滤波器的黄铜盒体见图7，其中，黄铜盒体需表面镀金以降低由其引起的热损耗，在盒体上铣出四条正方形横截面长槽5，作为同轴线电感的外导体。四条铜线插入四个长槽5中，一端和微带电路板中心焊接，另一端和盒体焊接。三个芯片电容分别被焊接在传输线的焊盘上，整个电路板被放置在射频输入输出水平方向的容置槽6内，电路板的接地面和滤波器盒体均匀焊接，保证良好、均匀的接地。安放电路板的容置槽6的深度经过精确计算以配合同轴电感内导体铜线的高度。两个低损耗N型同轴接头用于射频信号的输入7和输出8端口。

综上所述，本发明提供了了一种应用于L波段天文接收机抑制低于890MHz射频干扰的新型微带高通滤波器。该滤波器工作在常温下，放置在天文接收机馈源喇叭和第一级低噪放之间。该高通滤波器满足以下指标：1.3dB截止频率890MHz，通频带高于2GHz；2.通带插入损耗小于0.16dB；3.反射损耗大于20dB，750MHz处阻带抑制大于20dB，600MHz处阻带抑制大于45dB。该滤波器采用七级契比雪夫高通结构，以满足上述阻带抑制指标。滤波器由三级串联电容，四级自制的并联空气芯同轴线电感和低损耗微带电路板三个主要部分构成。为减少以上各部分电路产生的噪声，采取了以下措施：对电容和电路板，选择超低损耗器件和电路板；滤波器的盒体采用黄铜制成，并对盒体镀金，以降低信号传输中的欧姆损耗；优选地，在黄铜盒体上制作空气芯短路同轴线电感作为滤波器的并联电感，这种新型的电感具有极高的品质因数，在1.4GHz处，中间的两个同轴电感的品质因数被提高到了762.2，而外边的两个电感的品质因数更高达1046，而商用的品质因数最高的贴片电感在此频带内的品质因数也仅仅是110左右。该空气芯同轴电感的应用大大降低了滤波器插损，进而降低了噪声，滤波器带内插损小于0.16dB，室温下噪声温度仅8K，大大低于商用器件。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，其特征在于，所述滤波器包括三级串联电容、四级并联空气芯同轴线电感、微带电路板和黄铜盒体；其中，所述三级串联电容和四级并联空气芯同轴线电感构成七级契比雪夫电路；所述黄铜盒体上设置有四条横截面为正方形的长槽，四条铜线分别插入四条所述长槽中构成所述四级并联空气芯同轴线电感；所述铜线的一端与所述微带电路板的中心焊接连接，另一端和所述黄铜盒体焊接连接；所述三级串联电容分别被焊接在所述微带电路板的传输线的焊盘上；射频输入输出的水平方向的黄铜盒体上设置有容置槽，所述微带电路板设置在所述容置槽内。

2.根据权利要求1所述的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，其特征在于，所述黄铜盒体的表面做镀金处理，以降低信号传输中的欧姆损耗。

3.根据权利要求1所述的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，其特征在于，所述滤波器中的分立元件之间通过微带线进行连接。

4.根据权利要求1所述的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，其特征在于，所述铜线的直径为1.575mm；所述横截面为正方形的长槽的横截面的边长为4.75mm。

5.根据权利要求1所述的超低损耗同轴线电感微带高通滤波器，其特征在于，所述微带电路板的接地面和所述黄铜盒体均匀焊接，以保证微带电路板良好、均匀的接地。