CN105514544A

CN105514544A - 平面紧凑螺旋型三模滤波器

Info

Publication number: CN105514544A
Application number: CN201610032911.1A
Authority: CN
Inventors: 徐开达; 柏叶成; 刘颜回; 柳清伙
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Shenzhen Research Institute of Xiamen University
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2036-01-19
Also published as: CN105514544B

Abstract

平面紧凑螺旋型三模滤波器，涉及微波滤波器。设有介质基板、两个端点接地的螺旋型谐振器、接地过孔、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线、耦合线、馈线和接地板；两个端点接地的螺旋型谐振器、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线、耦合线、馈线设在介质基板上表面，介质基板的下表面紧贴接地板，接地板完全覆盖介质基板的下表面，两个端点接地的螺旋型谐振器的两个端点通过接地过孔与接地板连接，接地板外接同轴线外导体，馈线的一端接耦合线的端点，馈线的另一端外接同轴线内导体。设计简单，结构紧凑，中心频率及其通带都可调，易于制作和推广。

Description

平面紧凑螺旋型三模滤波器

技术领域

本发明涉及微波滤波器，尤其是涉及一种基于双T型枝节中心加载两端接地的平面紧凑螺旋型三模滤波器。

背景技术

近年来，随着无线通信系统和微波网络技术的迅猛发展，现代通信技术对高质量信号传输和集成化小型化电路设计提出了越来越高的要求。滤波器作为射频前端的重要滤波元件，对不同频率微波信号的选择特性和抑制特性直接决定了通信系统的优劣。电磁波的频谱是有限的，需要按照实际应用加以分配；而滤波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又可防止接收机受到工作频带以外的影响。因此如何设计一个具有高性能的滤波器，对微波电路系统具有十分重要的意义。微带电路具有体积小、重量轻、频带宽、易于设计和制造等诸多有点，在微波电路系统应用广泛，其中微带滤波器是其主要应用之一。

近年来，为了在满足高性能设计的基础上适应电路更加小型化的发展趋势，许多学者做出了大量的研究工作，并在许多领域取得重要成果。一种行之有效的方法就是改进传统的谐振器使其在物理空间基本不变的情况下能够产生多模谐振，从而大大地节约了物理空间。在这个理论基础上设计出的双模或多模滤波器也是滤波器实现小型化的重要方式。在小型化的过程中产生了诸如中间加载枝节型滤波器、环形以及多边形滤波器、阶跃阻抗滤波器、螺旋型滤波器以及在单个谐振器中通过加入一些微扰来改变原正交简并模的电场分布的滤波器等。但是由于高次模的存在，使得三模以及多模滤波器的设计和小型化尤为困难，滤波器的低插损，高品质因数，通带平坦度，以及阻带的抑制性能成为巨大挑战。

中国专利CN104269588A公开一种基于中心枝节加载的小型化六边形三模滤波器，该滤波器包括谐振部分、介质基板、接地板、耦合线和馈线；所述谐振部分包括环状六边形谐振器金属贴片，所述环状六边形中任意不相邻三边为曲折式交指线结构，剩下的另外三边为直线型结构，且分别从直线型结构三边的各自中点引出中心枝节交汇于六边形中心，并继续延伸，且分别端接相同尺寸的圆形金属贴片；所述介质基板的上表面紧贴环状六边谐振器金属贴片、耦合线、馈线；环状六边谐振器金属贴片位于介质基板的上表面中心；耦合线位于曲折式交指线结构的任意两边，与环形六边形谐振器贴片存在间隙，顺着六边形的结构分别延展出长为L1、L2的枝节；馈线一端接耦合线，与耦合线相连为T型结构，另一端接同轴线缆内导体；介质基板下表面紧贴与基板表面积相等的接地板，接地板完全覆盖介质基板，接地板接同轴线缆外导体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于2.4GHz无线技术的基于双T型枝节中心加载两端接地的平面紧凑螺旋型三模滤波器。

本发明设有介质基板、两个端点接地的螺旋型谐振器、接地过孔、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线、耦合线、馈线和接地板；

两个端点接地的螺旋型谐振器、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线、耦合线、馈线设在介质基板上表面，介质基板的下表面紧贴接地板，接地板完全覆盖介质基板的下表面，两个端点接地的螺旋型谐振器的两个端点通过接地过孔与接地板连接，接地板外接同轴线外导体，馈线的一端接耦合线的端点，馈线的另一端外接同轴线内导体。

所述谐振器包括末端接金属化过孔螺旋型谐振器和中心加载的上下两个T型枝节微带线；所述末端接金属化过孔螺旋型谐振器两端分别由金属化过孔接地，上下两个T型加载枝节分别从螺旋谐振器的对称中心引出，分别接不同尺寸的T型枝节微带线。

所述介质基板的上表面紧贴中心加载的上下两个T型枝节微带线、耦合线、馈线；谐振器的对称面与介质基板的一个对称面重合；耦合线位于谐振器螺旋结构的两边，与螺旋型谐振器微带线之间存在间隙，顺着螺旋型谐振器的结构延长；馈线一端接耦合线的端点，另一端接同轴线缆内导体；介质基板下表面紧贴与基板表面积相等的接地板，接地板完全覆盖介质基板，接地板接同轴线缆外导体。

所述末端接过孔螺旋型谐振器微带传输线，螺旋的线长度L1为28～32mm，线宽W1为0.4～0.6mm，螺旋型谐振器的螺旋间距G为0.9～1.3mm。

所述接地过孔位于螺旋型谐振器的末端，过孔直径d为0.6mm，过孔中心位于一边长a为1mm的正方形且旁接在螺旋型谐振器的末端微带线的对称中心。

所述介质基板为长方体，该长方体的长边L为21～23mm，宽边W为14～16mm，高度H为1mm，材料为RogersTMM10，介质基板的相对介电常数为9.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0022。

所述位于谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度L2为1.9～2.1mm，宽度W2为0.8～1mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度L3为16.8～17.2mm，宽度W3为0.3～0.5mm。

所述位于谐振器中心向底部延伸的T型枝节传输线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度L4为6.3～6.7mm，宽度W4为0.8～1.2mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度L5为12.8～13.2mm，宽度W5为0.4～0.6mm。

所述耦合线宽度W6为0.2～0.4mm，与谐振器最近边的垂直距离g为0.1～0.3mm，耦合线沿螺旋型谐振器一直角顶点处外围纵向延伸成Γ型微带线，总长度L6为12～13mm。

所述馈线为50Ω微带馈线，馈线宽度W7由通带中心频率、基板参数、微带线厚度等通过计算得到，长度L7为3～5mm；所述接同轴线缆的内导体和同轴线缆的外导体均为50Ω。

本发明通过中心加载T型枝节，模式微扰，改进螺旋形谐振器结构等方法，在不增加谐振器个数的基础上，实现一种新型的可调节的紧凑型三模滤波器，极大的拓宽了滤波器相对带宽，完成了2.4GHz无线技术标准的设计。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于中心加载双T型枝节另外端点接地的螺旋型三模滤波器符合2.4GHz无线技术标准设计要求，具有明显的工程使用价值，本发明通过螺旋型结构和T型枝节的应用，有效的减少了该滤波器的物理尺寸。该滤波器通过中心加载两个不同尺寸的T型枝节，使谐振器的偶模谐振频率点分裂成两个不同的谐振点。通过改变螺旋谐振器微带线的长度来调节奇模谐振频率作为滤波器的中心频率点，同时调节两个T型枝节的尺寸来调节两个分裂的谐振点分别位于中心频率点的两侧一定距离，来完成三模滤波器的设计，极有效地拓展了通带带宽。除此之外，本发明还具有设计简单，结构紧凑，中心频率及其通带都可调，易于制作和推广的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于中心加载双T型枝节另外端点接地的螺旋型三模滤波器结构示意图；

图2为本发明一种基于中心加载双T型枝节另外端点接地的螺旋型三模滤波器俯视图；

图3为仿真得到的本发明S11和S21参数随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面实施例将结合附图对本发明进行详细的描述。

参见图1和2，本发明实施例设有介质基板1、两个端点接地的螺旋型谐振器2、接地过孔3、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线4、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线5、耦合线6、馈线7和接地板；两个端点接地的螺旋型谐振器2、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线4、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线5、耦合线6、馈线7设在介质基板1上表面，介质基板1的下表面紧贴接地板，接地板完全覆盖介质基板1的下表面，两个端点接地的螺旋型谐振器2的两个端点通过接地过孔3与接地板连接，接地板外接同轴线外导体，馈线7的一端接耦合线6的端点，馈线7的另一端外接同轴线内导体。

谐振器包括终端接过孔螺旋型谐振器和中心加载的上下两个T型枝节微带传输线。所述终端接过孔螺旋型谐振器两端分别有过孔接地，结构呈中心对称的螺旋型微带线。两个T型加载枝节分别从螺旋谐振器的对称中心引出，分别接不同尺寸的T型微带线。

介质基板的上表面紧贴中间加载双T型螺旋型另外端点过孔接地的微带线、耦合线、馈线；谐振器微带线的对称面与介质基板的一个对称面重合；耦合线位于谐振器螺旋结构的两边，与螺旋型谐振器微带线之间存在间隙，顺着螺旋型谐振器的结构延长；馈线一端接耦合线的端点，另一端接50Ω同轴线缆内导体；介质基板下表面紧贴与基板表面积相等的接地板，接地板完全覆盖介质基板，接地板接同轴线缆外导体。

终端接过孔螺旋型结构微带线，螺旋的线长度L1为28～32mm，线宽W1为0.4～0.6mm，螺旋型谐振器的螺旋间距G为0.9～1.3mm。接地过孔位于螺旋型结构的终端，即螺旋型微带线的最中心处末端，过孔直径d为0.6mm，过孔中心位于一边长a为1mm的正方形且旁接在螺旋型结构的终端的微带线的对称中心。在不加载任何枝节的情况下，该螺旋型结构是一个谐振器。由于该谐振器的谐振频率与螺旋型结构的线长度直接相关，设计中将该谐振器的奇模激励下的谐振频率作为中心频率点设计，所以本发明将改变螺旋间距来保证周长不变的情况下，实现滤波器的紧凑型结构。

位于谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度L2为1.9～2.1mm，宽度W2为0.8～1mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度L3为16.8～17.2mm，宽度W3为0.3～0.5mm。该部分T型枝节增加了偶模激励下的谐振频率的电长度，从而使偶模频率点从原来的位置向左移动到中心频率右侧附近；位于谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度L4为6.3～6.7mm，宽度W4为0.8～1.2mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度L5为12.8～13.2mm，宽度W5为0.4～0.6mm。该部分T型枝节增加了偶模激励下的谐振频率的电长度，从而使偶模频率点从原来的位置向左移动到中心频率左侧附近。两个不同尺寸的T型枝节可以使偶模频率点分裂成两个频率点且分布在中心频率的两侧。调节两个T型枝节的L2、L3和L4、L5长度可以分别调整两个谐振点的谐振点位置，所以具有很大的灵活性。

耦合线与谐振器之间存在间隙，耦合线宽度W6为0.2～0.4mm，与谐振器最近边的垂直距离g为0.1～0.3mm，耦合线沿螺旋型谐振器一直角顶点处外围纵向延伸成Γ型微带线，耦合线总长度L6为12～13mm。适当调节耦合线的总长度L6以及宽度W6可以使三个模式在相邻频点具有良好的耦合度，确保滤波器在整个频段内具有良好的通带平坦度。

馈线为50Ω微带馈线，馈线宽度W7为1mm，长度L7为3～5mm；介质基板为长方体，该长方体的长为21～23mm，宽为14～16mm，高为1mm，材料为RogersTMM10，介质基板的相对介电常数为9.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0022。

介质基板1为长方体，该长方体的长边L为21～23mm，宽边W为14～16mm，高度H为1mm，材料为RogersTMM10，介质基板的相对介电常数为9.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0022。介质基板上下两表面设置的铜的接地板、微带线、金属馈线的厚度相同。

两个端点接地的螺旋型谐振器2、接地过孔3、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线4、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线5构成谐振器部分，部分2的螺旋的线长度L1为28～32mm，线宽W1为0.4～0.6mm，螺旋型谐振器的螺旋间距G为0.9～1.3mm。部分3的过孔直径d为0.6mm，过孔中心位于一边长a为1mm的正方形且旁接在螺旋型结构的终端的微带线的对称中心。部分4的纵向延伸部分长度L2为1.9～2.1mm，宽度W2为0.8～1mm；横向延伸部分长度L3为16.8～17.2mm，宽度W3为0.3～0.5mm。部分5的纵向延伸部分长度L4为6.3～6.7mm，宽度W4为0.8～1.2mm；横向延伸部分长度L5为12.8～13.2mm，宽度W5为0.4～0.6mm。

耦合线6宽度W6为0.2～0.4mm，与谐振器最近边的垂直距离g为0.1～0.3mm，总长度L6为12～13mm。

馈线7为50Ω微带馈线，馈线宽度W7为1mm，长度L7为3～5mm。

本发明各参数最佳尺寸参见表1。

表1

参数	尺寸(mm)	参数	尺寸(mm)
				L1	30.8	W6	0.3
W1	0.5	L7	3.6
				L2	2	W7	1
W2	0.9	G	1.1
				L3	8.5	g	0.2
W3	0.4	a	1
				L4	6.5	L	22.2
W4	0.5	W	14.9
				L5	6.5	H	1
W5	1	h	0.018
				L6	12.4	R	0.3

表1中：h不仅代表微带线的厚度，还代表了接地板的厚度。

依照上述参数，使用HFSS对所设计的三模滤波器的各项特性参数进行S参数仿真分析。

图3所示为本发明S11和S21参数仿真曲线图。如图3所示，在S21>-3dB条件下，通带覆盖范围为2.219GHz～2.641GHz，中心频率为2.40GHz，带内回波损耗S11<-21.4dB，滤波器的相对带宽为17.58％，完全覆盖了802.11b标准的要求的WLAN频段(2.4GHz-2.4825GHz)，并在通带左右各有一个传输零点，使滤波器具有非常好的阻带衰减特性。

本发明在利用螺旋型谐振器作为基本的滤波器结构的基础上，对螺旋结构的两个端点进行了过孔接地处理，改变了奇偶模传输特性；并利用中心加载T型枝节在谐振器中心加载改变偶模激励下的谐振频率点位置，通过调节两个T型枝节尺寸的大小可以快速实现对该偶模谐振点分裂成的两个谐振频率点的调节，通过调节两个中心加载T型枝节的宽度可以产生和调节传输零点靠近传输极点，从而获得较好的阻带衰减特性。考虑到螺旋型谐振器中由于平行传输线之间相互耦合造成频点漂移的影响，需要调节螺旋间距以较好地浮动中心频率的位置，从而在滤波器中能获得良好的通带。调节耦合线长度、宽度，以及与谐振器的距离大小可以实现三个工作模之间的良好的耦合，通过以上几个方面的调谐，从而达到滤波器的结构深度紧凑化和工作带宽的大幅度扩展。基于该优点，可以在实现结构紧凑化和宽频带的情况下对同一个滤波器的螺旋型谐振器的线长、中心加载的两个不同尺寸T型枝节的尺寸等进行参数调谐，实现所需频段的滤波要求，无需重新设计新的滤波器，缩短了滤波器的设计时间，使得该滤波器在实际工程设计中具有普适性。

Claims

1.平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于设有介质基板、两个端点接地的螺旋型谐振器、接地过孔、谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线、谐振器中心向底部延伸的T型枝节微带线、耦合线、馈线和接地板；

2.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述谐振器包括末端接金属化过孔螺旋型谐振器和中心加载的上下两个T型枝节微带线；所述末端接金属化过孔螺旋型谐振器两端分别由金属化过孔接地，上下两个T型加载枝节分别从螺旋谐振器的对称中心引出，分别接不同尺寸的T型枝节微带线。

3.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述介质基板的上表面紧贴中心加载的上下两个T型枝节微带线、耦合线、馈线；谐振器的对称面与介质基板的一个对称面重合；耦合线位于谐振器螺旋结构的两边，与螺旋型谐振器微带线之间存在间隙，顺着螺旋型谐振器的结构延长；馈线一端接耦合线的端点，另一端接同轴线缆内导体；介质基板下表面紧贴与基板表面积相等的接地板，接地板完全覆盖介质基板，接地板接同轴线缆外导体。

4.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述末端接过孔螺旋型谐振器微带传输线，螺旋的线长度为28～32mm，线宽为0.4～0.6mm，螺旋型谐振器的螺旋间距为0.9～1.3mm。

5.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述接地过孔位于螺旋型谐振器的末端，过孔直径为0.6mm，过孔中心位于一边长为1mm的正方形且旁接在螺旋型谐振器的末端微带线的对称中心。

6.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述介质基板为长方体，该长方体的长边为21～23mm，宽边为14～16mm，高度为1mm，材料为RogersTMM10，介质基板的相对介电常数为9.2，相对磁导率为1，损耗正切角为0.0022。

7.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述位于谐振器中心向顶部延伸的T型枝节微带线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度为1.9～2.1mm，宽度为0.8～1mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度为16.8～17.2mm，宽度为0.3～0.5mm。

8.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述位于谐振器中心向底部延伸的T型枝节传输线，T型枝节中与螺旋谐振器相连接的纵向延伸部分长度为6.3～6.7mm，宽度为0.8～1.2mm；T型枝节中与螺旋谐振器不相连接的横向延伸部分长度为12.8～13.2mm，宽度为0.4～0.6mm。

9.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述耦合线宽度为0.2～0.4mm，与谐振器最近边的垂直距离为0.1～0.3mm，耦合线沿螺旋型谐振器一直角顶点处外围纵向延伸成Γ型微带线，总长度为12～13mm。

10.如权利要求1所述平面紧凑螺旋型三模滤波器，其特征在于所述馈线为50Ω微带馈线，馈线宽度由通带中心频率、基板参数、微带线厚度等通过计算得到，长度为3～5mm；所述接同轴线缆的内导体和同轴线缆的外导体均为50Ω。