CN105514549A - 基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器 - Google Patents

基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，包括对称设置的两个嵌入型四分之一波长谐振器、两个开口环谐振器、两个0°抽头馈电线，以及设置在两个嵌入型四分之一波长谐振器之间的金属化通孔V。本发明通过磁耦合与电耦合之间的相互抵消效应，采用0°抽头馈电线结构，极大地提高了滤波器的选择性和通带间隔离度，本发明具有重量轻、体积小、可靠性高、性能优异、温度稳定性好、大批量生产成本低等优点，适用于不同工作环境的多频段多业务的无线通信系统。

Description

基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种滤波器，特别是一种基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器。
背景技术
近年来，多频段多业务无线通信系统飞速发展，作为无线通信系统射频前端电路中的关键器件，满足应用需要的多频段滤波器的设计成为研究热点。小型化、多通带、高选择性、高隔离度的滤波器有着极为迫切的需求。
文献1(Advancedtriple‐bandbandpassfilterusingtri‐sectionSIR,IETElectron.Lett.vol.44,no.4,pp.295‐296,Feb.2008)公开了一种用三节阶梯阻抗线来实现三频带通的滤波器，该滤波器的结构简单，尺寸较小，但是它的各个谐振频率相互影响，各通带不可以独立控制，而且各通带选择性较差，通带间隔离度不高；文献2(Compactdual‐modetriple‐bandbandpassfiltersusingthreepairsofdegeneratemodesinaringresonator,IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.59,no.5,pp.1222‐1229,May2011)公开了一种利用一个环形谐振器的消逝模实现三频带通的滤波器，该滤波器结构简单，只用一个环形谐振器实现三个通带，但是该滤波器的各通带不能单独控制，而且各通带带内频率响应与带外选择性较差，通带间隔离度不高，阻带有陷波特性导致阻带抑制不高；文献3(Compacttri‐bandbandpassfilterbasedonresonatorswithU‐foldedcoupled‐line,IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett.,vol.23,no.5,pp.258‐260,May2013)公开了一种多组谐振器级联的三频带通滤波器，每一组谐振器产生一个通带，该滤波器的各通带可以通过调节各级联谐振器来独立控制，但是体积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电路尺寸小、可靠性高的基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，包括第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器之间的金属化通孔V、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线；
所述第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称，所述第一开口环谐振器和第二开口环谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称；所述第一开口环谐振器为弯折成环状的阶梯阻抗线，设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器的外侧并且在金属化通孔V一侧留有开口，第一开口环谐振器和第二开口环谐振器之间留有间隙；第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线分别设置在第一开口环谐振器和第二开口环谐振器的两端，关于金属化通孔V对称；所述第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均设置在同一平面上；金属化通孔V接地。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明采用嵌入型四分之一波长谐振器和开口环谐振器级联的结构，各个通带的中心频率可以通过改变相对应的谐振器来独立控制，应用范围广；(2)本发明通过磁耦合与电耦合之间的相互抵消效应，以及采用0°抽头线馈电结构，产生了七个传输零点，极大地提高了滤波器的选择性和通带间隔离度；(3)本发明采用微带线结构，电路体积小，重量轻，易于加工；(4)本发明利用微带线加工工艺的大批量生产的一致性，可实现高成品率和低成本。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器的结构图。
图2是本发明实施例的带尺寸的结构示意图。
图3是本发明实施例的各通带外部品质因数Qe随50欧姆馈电线抽头位置lt以及金属化通孔V的直径D的变化曲线。
图4是本发明实施例的各通带耦合系数K随耦合间距g1以及金属化通孔V的直径D的变化曲线。
图5是本发明实施例的仿真与实测S参数曲线图。
具体实施方式
结合图1，一种基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，包括第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器之间的金属化通孔V、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线；
所述第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称，所述第一开口环谐振器和第二开口环谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称；所述第一开口环谐振器为弯折成环状的阶梯阻抗线，设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器的外侧并且在金属化通孔V一侧留有开口，第一开口环谐振器和第二开口环谐振器之间留有间隙；第一0°抽头馈电线20和第二0°抽头馈电线分别设置在第一开口环谐振器和第二开口环谐振器的两端，关于金属化通孔V对称；所述第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均设置在同一平面上；金属化通孔V接地。
所述第一嵌入型四分之一波长谐振器21包括主传输线和嵌入型开口环阶梯阻抗线，所述主传输线的一端与嵌入型开口环阶梯阻抗线相连，另一端与金属化通孔V相连；所述主传输线包括依次相连的第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7，所述嵌入型开口环阶梯阻抗线包括第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13和第十四微带线14；所述第一微带线1与金属化通孔V相连，第一微带线1、第三微带线3、第五微带线5和第七微带线7相互平行，且分别与第二微带线2、第四微带线4和第六微带线6相互垂直，第七微带线7垂直设置在第八微带线8的中心位置；第八微带线8的一端与第九微带线9、第十一微带线11、第十三微带线13依次连接构成矩形，且第十三微带线13与第八微带线8之间留有开口；第八微带线8的另一端与第十微带线10、第十二微带线12、第十四微带线14依次连接构成矩形，且第十四微带线14与第八微带线8之间留有开口；所述第十一微带线11和第十二微带线12相互平行且留有间隙。
所述第一开口环谐振器22包括第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18和第十九微带线19，第十五微带线15与第十一微带线11和第十二微带线12相互平行设置，第十八微带线18、第十七微带线17、第十五微带线15、第十六微带线16和第十九微带线19依次相连构成矩形，且第十八微带线18和第十九微带线19之间留有开口，所述开口宽度略大于金属化通孔V的直径。
所述第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均为特性阻抗50欧姆的微带线。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1、图2，基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器及相关尺寸。所使用的介质基板为RO4003，厚度为0.508mm，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均为特性阻抗50欧姆的微带线。将嵌入型四分之一波长谐振器的主传输线部分进行弯折，并且将通过金属化通孔V磁耦合的两个嵌入型四分之一波长谐振器嵌入到两个电耦合的开口环谐振器内部，可以极大地减小滤波器的尺寸。滤波器各微带线的尺寸参数如图2所示，其中，w1、l1分别为第一嵌入型四分之一波长谐振器21的主传输线的宽度和长度，w2、l2分别为嵌入型开口环阶梯阻抗线高阻抗线下半部分的宽度和长度，w3、l3分别为第十三微带线13的宽度和长度，w4、l6分别为第十八微带线18的宽度和长度，w5、l4分别为第十五微带线15的宽度和长度，l5为第十六微带线16的长度，lt为0°抽头馈电线的馈电位置，g1为两个开口环谐振器之间的间隙大小，g2为两个嵌入型四分之一波长谐振器与两个开口环谐振器的间隙大小，g3为第二微带线2与第十九微带线19之间的间隙大小，g4为第十三微带线13与第十四微带线14之间的间隙大小。各参数值具体如下：w1＝0.3mm，w2＝0.5mm，w3＝0.9mm，w4＝0.2mm，w5＝0.5mm，l1＝9.9mm，l2＝8.05mm，l3＝2.4mm，l4＝7.2mm，l5＝6.2mm，l6＝2.08mm，lt＝1.98mm，g1＝0.2mm，g2＝0.1mm，g3＝0.2mm，g4＝0.2mm，D＝0.3mm。50欧姆0°抽头馈电线的宽度为1.11mm，滤波器的整体面积为7.2×12.6mm2，对应的导波长尺寸为0.08λg×0.144λg，其中λg为第一通带中心频率对应的导波波长。选择以上微带线的长度和宽度，以获得最优的通带内传输特性、通带外衰减特性、通带选择性和通带间隔离度。
图3是各通带外部品质因数Qe随50欧姆0°抽头馈电线馈电位置lt以及金属化通孔V的直径D的变化曲线。第1‐7微带线的总长度决定第一通带的中心频率，第8‐14微带线的总长度决定第二通带的中心频率，第15‐19微带线的总长度决定第三通带的中心频率。图中实线是D＝0.3mm的情况下提取的Qe随lt的变化曲线，虚线是D＝0.5mm的情况下提取的Qe随lt的变化曲线。从图中可以看出，第一通带的Qe随lt的增大缓慢减小，而不受D的影响；第二通带的Qe同时受lt和D的影响，并且随lt的增大而增大，随D的增大先减小后增大；第三通带的Qe只受lt的影响，并且随着lt的增大而增大。
图4是各通带耦合系数K随耦合间距g1以及金属化通孔V的直径D的变化曲线。图中实线是D＝0.3mm的情况下提取的K随g1的变化曲线，虚线是D＝0.5mm的情况下提取的K随g1的变化曲线。从图中可以看出，第一通带的K随g1的增大缓慢减小，并且随D的增大而减小；第二通带的K随g1的增大显著减小，而几乎不受D的影响；第三通带的K只受g1的影响，并且随g1的增大显著减小。因此，通过改变lt、g1和D的大小，可以控制各通带的外部品质因数Qe和耦合系数K。
图5是本实施例中的基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器的仿真和测试结果曲线图。其中，虚线为仿真结果，实线为测试结果，S11表示回波损耗，S21表示插入损耗。从图中可以看出，三个通带的中心频率分别为2.1GHz、3.48GHz以及5.25GHz，各通带的插入损耗分别为1.57dB、1.66dB以及1.28dB，各通带的回波损耗分别为14.3dB、12.8dB以及14.6dB，各通带的3dB相对带宽分别为5.8％、4.03％以及10.2％。图中可以观察到七个传输零点，分别位于0GHz、1.84GHz、2.31GHz、3.25GHz、3.66GHz、4.65GHz以及6.03GHz，这些零点抑制了直流信号，同时极大地提高了滤波器的通带选择性和通带之间的隔离度。从以上指标来看，本实施例的仿真结果与测试结果基本一致。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，其特征在于：包括第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器之间的金属化通孔V、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线；
所述第一嵌入型四分之一波长谐振器和第二嵌入型四分之一波长谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称，所述第一开口环谐振器和第二开口环谐振器结构相同且关于三频带通滤波器中心线对称；所述第一开口环谐振器为弯折成环状的阶梯阻抗线，设置在第一嵌入型四分之一波长谐振器的外侧并且在金属化通孔V一侧留有开口，第一开口环谐振器和第二开口环谐振器之间留有间隙；第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线分别设置在第一开口环谐振器和第二开口环谐振器的两端，关于金属化通孔V对称；所述第一嵌入型四分之一波长谐振器、第二嵌入型四分之一波长谐振器、第一开口环谐振器、第二开口环谐振器、第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均设置在同一平面上；金属化通孔V接地。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，其特征在于：所述第一嵌入型四分之一波长谐振器(21)包括主传输线和嵌入型开口环阶梯阻抗线，所述主传输线的一端与嵌入型开口环阶梯阻抗线相连，另一端与金属化通孔V相连；所述主传输线包括依次相连的第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第六微带线(6)和第七微带线(7)，所述嵌入型开口环阶梯阻抗线包括第八微带线(8)、第九微带线(9)、第十微带线(10)、第十一微带线(11)、第十二微带线(12)、第十三微带线(13)和第十四微带线(14)；所述第一微带线(1)与金属化通孔V相连，第一微带线(1)、第三微带线(3)、第五微带线(5)和第七微带线(7)相互平行，且分别与第二微带线(2)、第四微带线(4)和第六微带线(6)相互垂直，第七微带线(7)垂直设置在第八微带线(8)的中心位置；第八微带线(8)的一端与第九微带线(9)、第十一微带线(11)、第十三微带线(13)依次连接构成矩形，且第十三微带线(13)与第八微带线(8)之间留有开口；第八微带线(8)的另一端与第十微带线(10)、第十二微带线(12)、第十四微带线(14)依次连接构成矩形，且第十四微带线(14)与第八微带线(8)之间留有开口；所述第十一微带线(11)和第十二微带线(12)相互平行且留有间隙。
3.根据权利要求1或2所述的基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，其特征在于：所述第一开口环谐振器(22)包括第十五微带线(15)、第十六微带线(16)、第十七微带线(17)、第十八微带线(18)和第十九微带线(19)，第十五微带线(15)与第十一微带线(11)和第十二微带线(12)相互平行设置，第十八微带线(18)、第十七微带线(17)、第十五微带线(15)、第十六微带线(16)和第十九微带线(19)依次相连构成矩形，且第十八微带线(18)和第十九微带线(19)之间留有开口，所述开口宽度略大于金属化通孔V的直径。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入型四分之一波长谐振器的小型化三频带通滤波器，其特征在于：所述第一0°抽头馈电线和第二0°抽头馈电线均为特性阻抗50欧姆的微带线。
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