CN105356020B - 基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器及设计方法 - Google Patents

基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器及设计方法，带通滤波器包括上金属层、下金属层以及位于中间的介质层，上金属层包括输入微带线、输出微带线、谐振器结构以及馈线结构，谐振器结构由五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构交错排列而成；馈线结构包括输入馈线和输出馈线，输入馈线和输入馈线均为折弯线。本发明滤波器结构，可有效地抑制射频微波电路中可能存在的高次谐波，不仅适用于10GHz以下的微波频段，在10~20GHz频段仍具有较好的性能，同时具有结构紧凑、加工简单、低插入损耗、低成本等优点。

Description

基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器及设计方法
技术领域
本发明涉及电子、通讯等领域，尤其涉及一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器(SIR)的带通滤波器结构。
背景技术
滤波器是射频微波电路设计中常用的关键元件，滤波器性能的好坏将对整个电路的性能产生重要的影响。目前，滤波器具有多样的形式，有集总参数形式的，也有分布参数形式；一般情况下，在1GHz以下的频段，由集总元件设计的滤波器在能够满足相关性能的情况下具有更为紧凑的结构，所以，此时多采用集总元件来设计；在1GHz以上尤其是频率更高的微波频段，集总元件的大小相对于传输的电磁信号的波长而言已不能够忽略，此时一般采用分布参数形式的滤波器。基于微带线形式的滤波器一般具有较为紧凑的结构，同时易于与平面电路集成，在射频微波电路设计中得到了广泛的运用。
基片集成波导作为一种近十几年发展起来新型的传输线结构，在射频微波电路的设计中得到越来越广泛的应用，尤其是在频率更高的毫米波频段更是具有低损耗、高功率容量、易于平面集成等优势，而微带线结构在频率较高的毫米波频段会存在较大的辐射损耗，基于基片集成波导技术设计滤波器已引起大量学者和工程师的兴趣，许多性能良好的基片集成波导滤波器结构被提出来，在工程中也得到了广泛运用。
一般情况下，微带线结构的滤波器随着频率的升高，插入损耗会变大，所以在频率较高的情况下，很少在用微带结构的滤波器，改用基片集成波导类等具有较小损耗的滤波器形式。然而，在频率不是特别高的情况下(比如低于10GHz)，基片集成波导类的滤波器一般占用较大的制版面积，而性能上相比于微带滤波器也没能体现出过多的优势，此时更多的还是使用微带滤波器。对于处于10～20GHz频率的应用，更多时候需要在滤波器性能和尺寸之间做出必要的权衡。所以，设计出在10～20GHz频段具有良好的性能同时具有紧凑的结构的滤波器具有很重要的工程意义和实用价值。
具有阶跃阻抗结构的传输线谐振器(SIR：Stepped-Impedance Resonator)作为一种非常有用的谐振器结构已久为人知，一般而言，阶跃阻抗谐振器(SIR)可以分为λg，λg/2，λg/4等结构，基于这些结构而设计的相关滤波器结构已大量见诸于报道，该种结构的滤波器一般具有较为紧凑的结构，进过相关设计能够具有较好的抑制谐波的特性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种新型四分之一波长SIR滤波器结构及设计方法，该滤波器结构具有较好谐波抑制功能，紧凑的结构，同时在10～20GHz也能获得较好性能。
为达到上述目的，本发明技术方案是这样实现的：
一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，包括上金属层、下金属层以及位于中间的介质层，其特征在于：所述上金属层包括输入微带线、输出微带线、谐振器结构以及馈线结构，所述谐振器结构由五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构交错排列而成，在位于输入微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设置有第一馈电点，在位于输出微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设置有第二馈电点；所述馈线结构包括输入馈线和输出馈线，所述输入馈线和输入馈线均为折弯线，所述输入馈线的折弯线包括与所述输入微带线连接的第一折线，与所述第一折线连接的第二折线以及与所述第二折线连接的第三折线，所述第一折线和第三折线位于所述第二折线的同侧且平行；所述输出馈线的折弯线包括与所述输出微带线连接的第四折线，与所述第四折线连接的第五折线以及与所述第五折线连接的第六折线，所述第四折线和第六折线位于所述第五折线的同侧且平行；所述输入馈线中的第二折线与输出馈线中的第五折线分别等距位于中间阶跃阻抗谐振器两侧且两者平行，所述第三折线的末端与所述第一馈电点连接，所述第六折线的末端与所述第二馈电点连接。
在所述输入微带线与第一折线之间还设置有渐变微带线，在所述输出微带线与第四折线之间也设置有渐变微带线。
五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构平行布置，包括居于中间的一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和对称布置在两侧的各两个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构，居于中间的四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和一侧的两个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构之间形成两个不等距的耦合距离。
一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据工作频率、使用的板材性能参数以及谐波抑制要求等确定四分之一波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸；
步骤二、将确定好初步尺寸的各个四分之一波长阶跃阻抗谐振单元按交错的方式放置排布，再根据工作带宽的要求调节不同的四分之一波长SIR单元之间的距离的大小；
步骤三、通过调节优化输入输出馈线的宽度、位置、长短，渐变微带线的尺寸以提高滤波性能。
所述四分之一波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸为：
其中：Rz为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线之间的阻抗比，Z1、Z2分别为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的特征阻抗值，θ1、θ2分别为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的电长度，fSA为第一杂散频率，f0为中心频率，W为微带线的宽度，h介质基片的厚度，εr为使用的介质板材的相对介电常数，Z0为所计算的微带线的特征阻抗，A、B为两个中间变量。
进一步地，根据要滤除的高次谐波的要求(如需要滤除二次谐波，三次谐波等)，可以得到对于阶跃阻抗谐振器(SIR)高低阻抗线之间的阻抗比Rz的范围要求，由此为基础，再结合谐振条件以及所使用的板材的介电常数等可以得到SIR低阻抗线和高阻抗线分别对应的特征阻抗值Z1、Z2和电长度θ1、θ2，至此，各谐振单元的初始尺寸便可以确定。
进一步地，SIR阻抗比的定义公式、第一杂散频率与SIR阻抗比之间的关系、谐振条件等由下面相关公式给出。
其中，Zin是从图1中标注的14方向看进去的输入阻抗，Z1，Z2分别为SIR低阻抗线和高阻抗线对应的特征阻抗值，θ1，θ2分别为其对应的电长度，fSA为第一杂散频率，f0为中心频率。一般，要使SIR滤波器具有谐波抑制功能，fSA要大于谐波频率。式(1)给出了输入阻抗与SIR高低阻抗线参数之间的关系式，式(2)是SIR阻抗比的定义式，产生并联谐振的条件是Yin＝1/Zin＝0，所以，有上述等式可以很容易获得(3)式，式(4)是第一杂散频率与SIR阻抗比Rz之间的关系式。
进一步地，微带线的特征阻抗Z0与其宽度W、基片厚度h、基片介电常数等关系有下列算式给出，相关参数的含义如图2所示
进一步地，根据带宽等参数要求调节各个SIR单元之间的距离至合适的值。
最后通过调节优化输入输出馈线的位置、长短等参数可以获得优良的滤波性能。
另外，本发明还采用了紧凑的馈线结构，原理上，这种结构还能够引入多个信号传输路径(包括源和负载的耦合)，使得频率响应的上下边带都引入了传输零点，这样可以有效地减小过渡带的带宽，提高滤波器的选择性。其特征在于，所述输入输出馈线均是向中间弯折的折线结构(见图1)；除此之外，为了能够获得良好的匹配，在馈线和50欧姆输入输出微带线间均加入了一段微带渐变线。
本发明滤波器采用五个SIR单元交错排列的方式，在获得良好滤波性能的同时，具有紧凑的结构。
本发明滤波器SIR单元交错排列还能够为采用源和负载耦合的馈线结构提供足够的空间位置。采用结构紧凑的馈线形式，能够在滤波器频率响应的上下边带均引入传输零点，有效减小了过渡带的带宽，提高了滤波器的选择性。
本发明滤波器在馈线和50欧姆微带线之间加入了一段渐变微带线，可以改善匹配性能。
与现有技术相比，使用本发明所提出的四分之一波长SIR带通滤波器结构，不仅在10GHz以下的微波频段具有良好的性能，在10～20GHz相对较高的频段仍具有较好的性能，同时具有紧凑的结构，能有效抑制谐波，加工简单，成本低等优势。
附图说明
图1为本发明基于四分之一波长SIR的滤波器结构示意图；
图2为本发明基于四分之一波长SIR的新型滤波器分层结构示意图；
图3为本发明四分之一波长SIR单元结构示意图；
图4微带线结构示意图；
图5用于验证设计的滤波器实物仿真和测试结果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细描述：
如图1、图2所示，本发明基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，包括上金属层8、下金属层10以及位于中间的介质层9。其中，上金属层包括输入微带线6、输出微带线7、谐振器结构以及馈线结构4，谐振器结构由五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构(四分之一SIR单元)交错平行排列而成。四分之一SIR单元的基本结构如图3所示，该结构由一段低阻抗微带线11、一段高阻抗微带线12以及一个用于接地的金属化金属通孔13组成。中间一个四分之一SIR单元的金属通孔靠近输入微带线6，其他四个四分之一SIR单元对称对分布在中间四分之一SIR单元两侧，因为成交错排列，所以居于两端的两个四分之一SIR单元的金属化通孔13与中间一个SIR单元的金属化通孔在同一侧，从而在两端两个四分之一SIR单元的低阻抗微带线11上分别形成第一馈电点2和第二馈电点3。
馈线结构4包括输入馈线和输出馈线，输入馈线和输入馈线均为折弯线。输入馈线的折弯线包括与输入微带线6连接的第一折线，与第一折线连接的第二折线以及与第二折线连接的第三折线，第一折线和第三折线位于第二折线的同侧且平行。输出馈线的折弯线包括与输出微带线7连接的第四折线，与第四折线连接的第五折线以及与第五折线连接的第六折线，第四折线和第六折线位于第五折线的同侧且平行。输入馈线中的第二折线与输出馈线中的第五折线分别等距位于中间四分之一SIR单元两侧且两者平行，第三折线的末端与第一馈电点连接，第六折线的末端与第二馈电点连接。
在输入微带线6与第一折线之间以及输出微带线7与第四折线之间还分别设置有渐变微带线5。
设计该基于四分之一波长SIR的新型滤波器结构的方法，具体有如下步骤：一、确定SIR单元的大致尺寸。
我们采用的四分之一SIR单元的基本结构图如图3所示，该结构由一段低阻抗微带线11、一段高阻抗微带线12以及一个金属化金属通孔13组成，从14方向看进去为其输入阻抗。
一般根据滤波器的中心工作频率，要滤除的高次谐波的要求(如需要滤除二次谐波，三次谐波等)，将SIR的第一杂散频率fSA控制在远离高次谐波的位置，即fSA＞nf0,n≥2,一般要抑制n次谐波，可以选择fSA≥(n+1)f0,n≥2，这样能比较好的保证n次以及比其更低次的谐波得到更好的抑制，由此，根据上面的式(4)可以得到对于阶跃阻抗谐振器(SIR)高低阻抗线之间的阻抗比Rz的范围要求，以此为基础，再结合谐振条件(式(3))以及所使用的板材的介电常数等可以得到SIR低阻抗线和高阻抗线分别对应的特征阻抗值Z1、Z2和电长度θ1、θ2，至此，各谐振单元的初始尺寸便可以确定。
二、将各个SIR单元按照图1的方式交错排列，根据滤波器带宽、回波损耗等指标要求，调整各个SIR单元之间的距离，使得滤波器带宽能够满足指标要求。
不同的SIR单元之间的耦合的强弱与各单元之间的距离有关，故调整不同SIR单元之间的距离可以改变滤波器的工作带宽、回波损耗等参数，因此综合考虑各指标的变化，得到各个SIR单元之间合适的距离取值。
三、调整馈线的宽度、位置，渐变微带线的尺寸，源和负载耦合部分的馈线尺寸等参数，使得输入输出能够获得良好的匹配，回波损耗、插入损耗等性能能够满足相关指标的要求。
馈电点位于不同的位置会使得滤波器的输入输出阻抗产生变化，另外，馈线的宽度、渐变微带线的尺寸，折弯的馈线尺寸亦会对输入输出匹配产生影响，综合调整这些参数，以获得良好的输入输出匹配效果。此外，由于存在多个信号传输路径，会在滤波器的频率响应的上下边带引入传输零点，故调整馈线的距离可以调节传输零点的位置，具体的操作方法为，使输入馈线和输出馈线靠的越近则两者与正中间的SIR单元之间以及两者之间的耦合的强度越大，使输入馈线和输出馈线靠的越远则两者与正中间的SIR单元之间以及两者之间的耦合的强度越小，可以根据实际情况进行调节。
四、进一步的优化相关参数，得到更优的滤波性能，然后可以绘制滤波器的印制电路板(PCB)版图，制作滤波器实物。
总体来说，通过以上方法步骤，即可实现基于四分之一波长SIR的新型带通滤波器的设计，该滤波器的总体结构如图1所示，分层结构如图2所示。该滤波器不仅在10GHz以下的微波频段具有良好的性能，在10～20GHz相对较高的频段仍具有较好的性能，同时具有紧凑的结构，能有效抑制谐波，加工简单，成本低等优势。
为了验证该发明提供的滤波器的性能，我们基于该方法和结构设计并加工了用于验证的滤波器实物，使用相关高频夹具以及Agilent E8363B矢量网络分析仪对滤波器实物进行了测试，附图5给出了仿真和测试结果，从图5看出，测试和仿真的结果基本一致。滤波器实物测试结果显示，设计的滤波器中心工作频率为13.15GHz，通带频率范围为12.6GHz～13.7GHz，带宽为1.1GHz，滤波器带内最小插入损耗测试结果为2dB(包含夹具的损耗)，回波损耗小于-13.5dB，二次谐波的抑制优于29dB，滤波器的上下边带均有传输零点，滤波器的尺寸为7.275mm×3.8mm(不包含输入输出微带线)，即0.483λg×0.247λg(λg为导波波长)。该用于验证的实物滤波器的测量及测试结果验证了该发明中所述的该种结构滤波器在尺寸和性能上的优势。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，包括上金属层、下金属层以及位于中间的介质层，其特征在于：所述上金属层包括输入微带线、输出微带线、谐振器结构以及馈线结构，所述谐振器结构由五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构交错排列而成，在位于输入微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设置有第一馈电点，在位于输出微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设置有第二馈电点；所述馈线结构包括输入馈线和输出馈线，所述输入馈线和输出馈线均为折弯线，所述输入馈线的折弯线包括与所述输入微带线连接的第一折线，与所述第一折线连接的第二折线以及与所述第二折线连接的第三折线，所述第一折线和第三折线位于所述第二折线的同侧且平行；所述输出馈线的折弯线包括与所述输出微带线连接的第四折线，与所述第四折线连接的第五折线以及与所述第五折线连接的第六折线，所述第四折线和第六折线位于所述第五折线的同侧且平行；所述输入馈线中的第二折线与输出馈线中的第五折线分别等距位于中间阶跃阻抗谐振器两侧且两者平行，所述第三折线的末端与所述第一馈电点连接，所述第六折线的末端与所述第二馈电点连接。
2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：在所述输入微带线与第一折线之间还设置有渐变微带线，在所述输出微带线与第四折线之间也设置有渐变微带线。
3.根据权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于：五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构平行布置，包括居于中间的一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和对称布置在两侧的各两个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构，居于中间的四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和一侧的两个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构之间形成两个不等距的耦合距离。
4.一种如权利要求1所述基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据工作频率、使用的板材性能参数以及谐波抑制要求确定四分之一波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸；
步骤二、将确定好初步尺寸的各个四分之一波长阶跃阻抗谐振单元按交错的方式放置排布，再根据工作带宽的要求调节不同的四分之一波长SIR单元之间的距离的大小；
步骤三、通过调节优化输入输出馈线的宽度、位置、长短，渐变微带线的尺寸以提高滤波性能。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述四分之一波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸为：
其中：Rz为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线之间的阻抗比，Z1、Z2分别为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的特征阻抗值，θ1、θ2分别为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的电长度，fSA为第一杂散频率，f0为中心频率，W为微带线的宽度，h为介质基片的厚度，εr为使用的介质板材的相对介电常数，Z0为所计算的微带线的特征阻抗，A、B为两个中间变量。
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