CN105304984A - 基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，其包括下表面设有金属接地板(5)的矩形介质基板(6)，在所述介质基板(6)的上表面设有输入端口馈线(1)、输出端口馈线(2)、第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述输入端口馈线(1)靠近介质基板(6)的一个宽边，输出端口馈线(2)靠近介质基板(6)的另一个宽边，在所述输入端口馈线(1)与输出端口馈线(2)之间沿介质基板(6)长度向并列设有第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)相对于介质基板(6)的宽边中垂线对称。本发明的平衡带通滤波器，共模抑制高、带外抑制好、插入损耗低、体积小。

Description

基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器

技术领域

本发明属于微波无源器件技术领域，特别是一种共模抑制高、带外抑制好、插入损耗低、体积小的基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器。

背景技术

近年来，随着模块结构单元(ModularBuildingBlock,MBB)和单片微波集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,MMIC)的发展，低成本、高度集成、小型化是已经成为现代无线通信系统集成设计中非常重要的考虑因素。平衡滤波器是一个独立的微波无源器件，相比于单端口滤波器，拥有着更高的环境噪声免疫力，更好的动态范围，更低的电场干扰。因此在构建现代高速无线通信系统中扮演着极其重要的作用。它在功能上实现了射频电路中通带范围内差模信号传输，共模信号抑制。

高性能的平衡滤波器不仅能够有效减小系统的尺寸，而且能够简化系统设计的复杂度，从而进一步实现无线通信系统的低成本、高性能、小型化设计。

2013年，ParisVélez，JordiNaqui，A.Fernández-Prieto，MiguelDurán-Sindreu，JordiBonache，JesúsMartel，FranciscoMedina,FerranMartín在IEEEMicrowaveAndWirelessComponentsLetters期刊(vol.23,no.1,pp.22-24,2013)上发表“DifferentialBandpassFilterWithCommon-ModeSuppressionBasedonOpenSplitRingResonatorsandOpenComplementarySplitRingResonators”，提出结合使用开路环和辅助开路环来设计平衡滤波器的方法。虽然这种滤波器结构不需要接地孔，结构相对简单。但共模抑制仅局限在相应的差模频带内，共模和差模的带外抑制均很差，且插入损耗大。

2014年，Hong-weiDeng，YongjiuZhao，YingHe，Sheng-liJia，MinWang在ElectronicsLetters期刊(vol.50，no.6，pp.447-449，2014)上发表“Compactdual-notchedbalancedUWBBPFwithfoldedtriple-modeslotlineresonator”，提出利用折叠三模槽线谐振器和微带线-槽线过渡结构，实现一个双陷波超宽带平衡带通滤波器。这种滤波器虽然结构紧凑，但是由于陷波的影响，带内共模抑制并不能一直保持良好，并且上阻带的带外抑制性较差。

2015年，LiYang,Wai-WaChoi,Kam-WengTam,andLeiZhu在IEEETransactiononMicrowaveTheoryTechnique期刊(vol.63，no.7，pp.2225-2232，2015)上发表“Balanceddual-bandbandpassfilterwithmultipletransmissionzerosusingdoublyshort-endedresonatorcoupledline”，提出利用双端短路谐振器以及末端加载的平行耦合结构来实现双通带的平衡滤波器，虽然该滤波器的带内共模抑制高，但是其通带内差损大，并且电路尺寸非常大，为0.67λ₀×0.32λ₀，其中λ₀为通带中心频率对应的波长。

总之，现有技术存在的问题是：不能集成高共模抑制、好的带外抑制、及低插损的优点于一简单结构之上，不利于现代无线通信系统的推广运用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，共模抑制高、带外抑制好、插入损耗低、体积小。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板(5)的矩形介质基板(6)，在所述介质基板(6)的上表面设有输入端口馈线(1)、输出端口馈线(2)、第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述输入端口馈线(1)靠近介质基板(6)的一个宽边，输出端口馈线(2)靠近介质基板(6)的另一个宽边，在所述输入端口馈线(1)与输出端口馈线(2)之间沿介质基板(6)长度向并列设有第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)相对于介质基板(6)的宽边中垂线对称。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低。

(2)本发明基于交叉型谐振器，具有较高的共模抑制能力和较好的带外抑制能力。

(3)本发明滤波器，插入损耗小，适用于现代无线通信系统。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器的总体结构示意图。

图2是图1的立体结构详图。

图3是图2的俯视图。

图4是实施例1的结构尺寸示意图。

图5是实施例1的S参数仿真图，即在差模信号输入情况下的插入损耗S_dd21和回波损耗S_dd11，在共模信号输入情况下的插入损耗S_cc21。

图中，

输入端口馈线1，输出端口馈线2，第一交叉型多模谐振器3，第二交叉型多模谐振器4，金属接地板5，介质基板6，

第一输入端口50欧姆微带线导带11，第一二分之一波长主传输线12，第二输入端口50欧姆微带线导带13，

第一输出端口50欧姆微带线导带21、第二二分之一波长主传输线22，第二输出端口50欧姆微带线导带23，

第一四分之一波长谐振器31，第二四分之一波长谐振器32，第一对称面枝节加载单元33，第二对称面枝节加载单元34，第一金属通孔35，

第三四分之一波长谐振器41，第四四分之一波长谐振器42，第三对称面枝节加载单元43，第四对称面枝节加载单元44，第二金属通孔45。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，包括下表面设有金属接地板5的矩形介质基板6，在所述介质基板6的上表面设有输入端口馈线1、输出端口馈线2、第一交叉型多模谐振器3和第二交叉型多模谐振器4，所述输入端口馈线1靠近介质基板6的一个宽边，输出端口馈线2靠近介质基板6的另一个宽边，在所述输入端口馈线1与输出端口馈线2之间沿介质基板6长度向并列设有第一交叉型多模谐振器3和第二交叉型多模谐振器4，所述第一交叉型多模谐振器3和第二交叉型多模谐振器4相对于介质基板6的宽边中垂线对称。

如图2、图3所示，所述输入端口馈线1包括与介质基板6平行的第一二分之一波长主传输线12、呈切角L型弯折的第一输入端口50欧姆微带线导带11和第二输入端口50欧姆微带线导带13，所述第一输入端口50欧姆微带线导带11与介质基板6宽边平行段的一端与所述第一二分之一波长主传输线12的一端相连，其与介质基板6宽边垂直段的一端与就近的介质基板6宽边平齐，所述第二输入端口50欧姆微带线导带13与介质基板6宽边平行段的一端与所述第一二分之一波长主传输线12的另一端相连，其与介质基板6宽边垂直段的一端与就近的介质基板6宽边平齐。

所述输出端口馈线2包括与介质基板6平行的第二二分之一波长主传输线22、呈切角L型弯折的第一输出端口50欧姆微带线导带21和第二输出端口50欧姆微带线导带23，所述第一输出端口50欧姆微带线导带21与介质基板6宽边平行段的一端与所述第二二分之一波长主传输线22的一端相连，其与介质基板6宽边垂直段的一端与就近的介质基板6宽边平齐，所述第二输出端口50欧姆微带线导带23与介质基板6宽边平行段的一端与所述第二二分之一波长主传输线22的另一端相连，其与介质基板6宽边垂直段的一端与就近的介质基板6宽边平齐。

所述第一输入端口50欧姆微带线导带11与第二输入端口50欧姆微带线导带13的长度和宽度分别相同，第一输出端口50欧姆微带线导带21和第二输出端口50欧姆微带线导带23的长度和宽度分别相同，第一二分之一波长主传输线12与第二二分之一波长主传输线22的长度和宽度分别相同。

所述第一交叉型多模谐振器3包括L型的第一四分之一波长谐振器31、L型的第二四分之一波长谐振器32、直线型的第一对称面枝节加载单元33和直线型的第二对称面枝节加载单元34，所述第一对称面枝节加载单元33和第二对称面枝节加载单元34沿介质基板6窄边中垂线首尾相连，所述第一四分之一波长谐振器31、第二四分之一波长谐振器32对称分布在第二对称面枝节加载单元34的两侧，二者一臂与第二对称面枝节加载单元34平行，另一臂与第二对称面枝节加载单元34垂直，且二者端头相交于第一对称面枝节加载单元33与第二对称面枝节加载单元34的交点，在所述第一对称面枝节加载单元33上还设有第一金属通孔35，所述第一金属通孔35一端与第一对称面枝节加载单元33相连，另一端穿过介质基板6与金属接地板5相连。

所述第二交叉型多模谐振器4包括L型的第三四分之一波长谐振器41、L型的第四四分之一波长谐振器42、直线型的第三对称面枝节加载单元43和直线型的第四对称面枝节加载单元44，所述第三对称面枝节加载单元43和第四对称面枝节加载单元44沿介质基板6长度方向中线首尾相连，所述第三四分之一波长谐振器41、第四四分之一波长谐振器42对称分布在第四对称面枝节加载单元44的两侧，二者一臂与第四对称面枝节加载单元44平行，另一臂与第四对称面枝节加载单元44垂直，且二者端头相交于第三对称面枝节加载单元43与第四对称面枝节加载单元44的交点，在所述第三对称面枝节加载单元43上还设有第二金属通孔45，所述第二金属通孔45一端与第三对称面枝节加载单元43相连，另一端穿过介质基板6与金属接地板5相连。

所述第一对称面枝节加载单元33的自由端远离介质基板6的宽边中垂线。

所述第一二分之一波长主传输线12与第一四分之一波长谐振器31之间的耦合距离等于第二二分之一波长主传输线22与第二四分之一波长谐振器32之间的耦合距离。

所述输入端口馈线1的第一二分之一波长主传输线12与第一四分之一波长谐振器31进行平行耦合激励，输入端口馈线1的第一二分之一波长主传输线12同时与第三四分之一波长谐振器41进行平行耦合激励；输出端口馈线2的第二二分之一波长主传输线22与第二四分之一波长谐振器32进行平行耦合输出，输出端口馈线2的第二二分之一波长主传输线22同时与第四四分之一波长谐振器42进行平行耦合输出。

所述输入端口馈线1的第一输入端口50欧姆微带线导带11和第二输入端口50欧姆微带线导带13尺寸相同；第一二分之一波长主传输线12和第二二分之一波长主传输线22尺寸相同；输出端口馈线2的第一输出端口50欧姆微带线导带21和第二输出端口50欧姆微带线导带23尺寸相同；第一交叉型多模谐振器3和第二交叉型多模谐振器4尺寸相同。

本发明基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，其中第一交叉型多模谐振器3和第二交叉型多模谐振器4的第一四分之一波长谐振器31、第二四分之一波长谐振器32、第三四分之一波长谐振器41、第四四分之一波长谐振器42的长度和宽度决定了差模信号的中心频率位置，调节第一对称面枝节加载单元33、第二对称面枝节加载单元34、第三对称面枝节加载单元43、第四对称面枝节加载单元44可改变差模信号的通带带宽，第一二分之一波长主传输线12、第二二分之一波长主传输线22和分别与其平行耦合的第一四分之一波长谐振器31、第二四分之一波长谐振器32、第三四分之一波长谐振器41、第四四分之一波长谐振器42的间距对其耦合的强度影响较大，间距越小耦合强度越大，两个输出端口的幅度和相位吻合度越高。

本发明基于多模谐振器的三模平衡带通滤波器，在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀从而形成所需的金属图案。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器的结构如图1、2所示，俯视图如图3所示，有关尺寸规格如图4所示。所采用的介质基板7相对介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗角正切为0.0035。第一输入端口50欧姆微带线导带11，第二输入端口50欧姆微带线导带13，第一输出端口50欧姆微带线导带21,第二输出端口50欧姆微带线导带23，其宽度均为W_p＝1.17mm。结合图3，平衡带通滤波器的各尺寸参数如下：W₁＝2.3mm，W₂＝1.6mm，W₃＝0.7mm，L_p1＝7.88mm，L_p2＝6mm，L₁＝35.6mm，L₂＝17mm，L₃＝2.5mm，L₄＝15.8mm，L₅＝4.2mm，L₆＝1.3mm，L₇＝1.3mm，g＝0.2mm。三模谐振器对称面枝节加载短路单元金属通孔半径0.7mm，高度0.508mm。平衡滤波器不包括50欧姆微带线导带的总面积为13×35.6mm²，对应的导波长尺寸为0.17λ_g×0.47λ_g，其中λ_g为通带中心频率对应的导波波长。

本实例平衡带通滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图5是本实例中平衡带通滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该平衡带通滤波器在差模信号下通带中心频率为2.21GHz，3dB相对带宽为10.9％，通带内最大插损0.6dB，回波损耗低于17dB，且共模抑制高于33.6dB,上边带带外抑制好于31dB直到6GHz，展示了很宽的带外抑制能力，邻近通带的右侧呈现一个传输零点使得该实例平衡带通滤波器具有很好的选择性。

综上所述，本发明基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，结合交叉型多模谐振器的谐振机理和差共模信号激励下主传输线呈现的不同电场分布特性实现了一种共模抑制高的、带外抑制好的、插入损耗低的、体积小的平衡带通滤波器，该平衡带通滤波器非常适用于现代无线通信系统。

Claims (8)

1.一种基于交叉型多模谐振器的平衡带通滤波器，其特征在于：包括下表面设有金属接地板(5)的矩形介质基板(6)，在所述介质基板(6)的上表面设有输入端口馈线(1)、输出端口馈线(2)、第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述输入端口馈线(1)靠近介质基板(6)的一个宽边，输出端口馈线(2)靠近介质基板(6)的另一个宽边，在所述输入端口馈线(1)与输出端口馈线(2)之间沿介质基板(6)长度向并列设有第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)，所述第一交叉型多模谐振器(3)和第二交叉型多模谐振器(4)相对于介质基板(6)的宽边中垂线对称。

2.根据权利要求1所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述输入端口馈线(1)包括与介质基板(6)平行的第一二分之一波长主传输线(12)、呈切角L型弯折的第一输入端口50欧姆微带线导带(11)和第二输入端口50欧姆微带线导带(13)，所述第一输入端口50欧姆微带线导带(11)与介质基板(6)宽边平行段的一端与所述第一二分之一波长主传输线(12)的一端相连，其与介质基板(6)宽边垂直段的一端与就近的介质基板(6)宽边平齐，所述第二输入端口50欧姆微带线导带(13)与介质基板(6)宽边平行段的一端与所述第一二分之一波长主传输线(12)的另一端相连，其与介质基板(6)宽边垂直段的一端与就近的介质基板(6)宽边平齐。

3.根据权利要求2所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述输出端口馈线(2)包括与介质基板(6)平行的第二二分之一波长主传输线(22)、呈切角L型弯折的第一输出端口50欧姆微带线导带(21)和第二输出端口50欧姆微带线导带(23)，所述第一输出端口50欧姆微带线导带(21)与介质基板(6)宽边平行段的一端与所述第二二分之一波长主传输线(22)的一端相连，其与介质基板(6)宽边垂直段的一端与就近的介质基板(6)宽边平齐，所述第二输出端口50欧姆微带线导带(23)与介质基板(6)宽边平行段的一端与所述第二二分之一波长主传输线(22)的另一端相连，其与介质基板(6)宽边垂直段的一端与就近的介质基板(6)宽边平齐。

4.根据权利要求3所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一输入端口50欧姆微带线导带(11)与第二输入端口50欧姆微带线导带(13)的长度和宽度分别相同，第一输出端口50欧姆微带线导带(21)和第二输出端口50欧姆微带线导带(23)的长度和宽度分别相同，第一二分之一波长主传输线(12)与第二二分之一波长主传输线(22)的长度和宽度分别相同。

5.根据权利要求1所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一交叉型多模谐振器(3)包括L型的第一四分之一波长谐振器(31)、L型的第二四分之一波长谐振器(32)、直线型的第一对称面枝节加载单元(33)和直线型的第二对称面枝节加载单元(34)，所述第一对称面枝节加载单元(33)和第二对称面枝节加载单元(34)沿介质基板(6)窄边中垂线首尾相连，所述第一四分之一波长谐振器(31)、第二四分之一波长谐振器(32)对称分布在第二对称面枝节加载单元(34)的两侧，二者一臂与第二对称面枝节加载单元(34)平行，另一臂与第二对称面枝节加载单元(34)垂直，且二者端头相交于第一对称面枝节加载单元(33)与第二对称面枝节加载单元(34)的交点，在所述第一对称面枝节加载单元(33)上还设有第一金属通孔(35)，所述第一金属通孔(35)一端与第一对称面枝节加载单元(33)相连，另一端穿过介质基板(6)与金属接地板(5)相连。

6.根据权利要求5所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第二交叉型多模谐振器(4)包括L型的第三四分之一波长谐振器(41)、L型的第四四分之一波长谐振器(42)、直线型的第三对称面枝节加载单元(43)和直线型的第四对称面枝节加载单元(44)，所述第三对称面枝节加载单元(43)和第四对称面枝节加载单元(44)沿介质基板(6)长度方向中线首尾相连，所述第三四分之一波长谐振器(41)、第四四分之一波长谐振器(42)对称分布在第四对称面枝节加载单元(44)的两侧，二者一臂与第四对称面枝节加载单元(44)平行，另一臂与第四对称面枝节加载单元(44)垂直，且二者端头相交于第三对称面枝节加载单元(43)与第四对称面枝节加载单元(44)的交点，在所述第三对称面枝节加载单元(43)上还设有第二金属通孔(45)，所述第二金属通孔(45)一端与第三对称面枝节加载单元(43)相连，另一端穿过介质基板(6)与金属接地板(5)相连。

7.根据权利要求6所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一对称面枝节加载单元(33)的自由端远离介质基板(6)的宽边中垂线。

8.根据权利要求7所述的平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一二分之一波长主传输线(12)与第一四分之一波长谐振器(31)之间的耦合距离等于第二二分之一波长主传输线(22)与第二四分之一波长谐振器(32)之间的耦合距离。