CN105680124A - 一种滤波器及滤波器的传输零点调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明的滤波器，包括滤波器主通路及以附加耦合方式接入输入、输出端的能量吸收耦合单元，能量吸收耦合单元由两个频率相同或相近且具有耦合的谐振器组成。本发明的滤波器可以通过一次附加耦合直接产生一对(两个)传输零点，甚至产生多对传输零点，由此可以大大减小滤波器的物理尺寸，同时也就解决了无交叉耦合但可以实现滤波器传输零点的关键问题。适当调整能量吸收耦合单元中各谐振器的频率，还可以实现传输零点的非对称分布，解决了传输零点任意分布的问题。同时，本发明的滤波器对谐振器结构已经没有了限制，因此所有谐振器均可采用同一种形状，也无需引入耦合交叉线，整个设计过程犹如传统的切比雪夫滤波器的设计过程一样，变得比较简单。

Description

一种滤波器及滤波器的传输零点调节方法

技术领域

本发明涉及滤波器件技术领域，具体涉及一种无交叉耦合但具有传输零点的滤波器设计以及此类滤波器的传输零点调节方法。

背景技术

强抗干扰能力已经成为当代通信系统极为重要的性能之一。无线通信系统中，干扰主要来源于各种频率与通带频率相近的电磁波，尤其是邻频信号。干扰会导致通信基站的覆盖范围缩小，通信容量急剧下降，信号质量大幅下降，干扰严重时甚至会致使通信系统陷于瘫痪。对于新一代数字通信系统，各种干扰带来的负面影响将更为严重，主要是因为高速宽带数据传输更容易受到干扰的破坏，例如和语音传送相比，图像数据传送能够承受的误码率至少应小4个数量级。为了尽可能地提高频率资源的利用率和更有效地抑制邻频信号的干扰，现代通信接收前端常采用具有椭圆函数(或准椭圆函数)特性的滤波器。

椭圆函数滤波器可以获得优异的带外抑制特性，有效避免邻频信号的干扰。为了尽可能减小器件体积，大多工程师已经放弃传统的双列滤波器拓扑结构，而采用耦合交叉线来实现非相邻谐振器之间的耦合，并以此实现具有陡峭带边截止特性的椭圆函数滤波器设计。但利用交叉线来实现非相邻谐振器之间的交叉耦合面临几个问题：

(1)利用交叉线实现的耦合大多属于电场耦合，为了实现滤波器的准椭圆函数特性，就要求主通路中与之配对的耦合必定为磁场耦合，这就使谐振器的结构选取会受到一定限制。

(2)为了避免交叉线在实现期望的交叉耦合的同时不与不相关的谐振器间产生不必要的附加耦合，往往需要对滤波器的拓扑进行优化调整，并采用一些结构非常特殊的谐振器和特殊的耦合结构，有时还不得不对谐振器进行错位排列，这就不利于滤波器的小型化设计。有时即便采用了一些特殊的结构，也很难完全避免这些寄生的附加耦合，使得滤波器的设计变得比较困难。

(3)对于作为滤波器优选特例的高温超导滤波器而言，电路整体平面尺寸规模也是影响电路性能及成本的关键因素，并且由于超导材料存在特殊的晶格特性，即便采用特殊的高精度光刻加工工艺，也要求电路线宽和线间缝隙宽度都不能太小，以尽可能减小加工误差对器件性能的影响。因此利用交叉线比较难以实现谐振器之间的强耦合，也就难于实现相对带宽较大的滤波器设计。尤其是工作频率比较低且要求器件小型化时，难度就更大。即使是设计窄带滤波器，由于加工工艺条件的限制，也使得带有耦合交叉线的滤波器加工成品率比较低，加工重复性也不理想。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明将提供一种无交叉耦合但具有传输零点的滤波器设计方案，以及所述滤波器的传输零点调节方法。

本发明的技术方案是这样实现的，一种滤波器，包括滤波器主通路，其特征在于，所述滤波器还包括以附加耦合方式接入主通路输入、输出端的能量吸收耦合单元，所述能量吸收耦合单元由两个频率相同或相近且具有能量耦合的谐振器组成。

优选方案，能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率均等于滤波器的中心频率。

优选方案，能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率为不同值。

优选方案，外部输入、输出端采用直接耦合的方式与滤波器主通路的谐振器进行能量耦合于直接耦合点，再利用离直接耦合点相距90°电长度的耦合点与能量吸收耦合单元以间接耦合的方式进行非接触式能量耦合。

优选方案，所述滤波器包含多组能量吸收耦合单元。

优选方案，所述滤波器的输入和输出端口分别附加耦合一组能量吸收耦合单元。

优选方案，所述滤波器为高温超导滤波器。

滤波器的传输零点调节方法，其特征在于，增强或减弱所述能量吸收耦合单元两个谐振器之间的耦合强度以增大或缩小两个传输零点的距离。

本发明的有益效果体现在：本发明的滤波器可以一次附加耦合直接产生一对(两个)传输零点，甚至产生多对传输零点，由此可以大大减小滤波器的物理尺寸，同时也就解决了无交叉耦合但可以实现传输零点的关键问题。通过调整各附加耦合所产生零点的位置以及附加谐振单元与输入、输出端之间的耦合强度，既可以实现标准的椭圆函数滤波器，也可以实现广义切比雪夫滤波器。适当调整附加单元中各谐振器的频率，还可以实现传输零点的非对称分布，甚至可以使所产生的两个传输零点同时分布在滤波器带外同一侧，以满足单边高抑制的特殊需求。也就是说，解决了传输零点任意分布的问题。同时，本发明的滤波器对谐振器结构已经没有了限制，因此所有谐振器均可采用同一种形状，也无需引入耦合交叉线，整个设计过程犹如传统的切比雪夫滤波器的设计过程一样，变得比较简单。

附图说明

图1为本发明优选实施例的一种输入、输出端与主通路的谐振器和附加能量吸收耦合单元的谐振器同时发生能量耦合的双耦合结构；

图2为本发明的优选实施例：一种6阶单对传输零点椭圆函数滤波器耦合结构；

图3为本发明优选实施例：中心频率为2500MHz,带宽为16MHz的6阶滤波器理论响应；

图4为本发明优选实施例：中心频率为2000MHz,带宽为5MHz的6阶滤波器理论响应；

图5为本发明优选实施例：12阶两对传输零点椭圆函数滤波器耦合结构；

图6为本发明优选实施例：中心频率为3000MHz,带宽为40MHz的12阶滤波器理论响应；

图7为本发明优选实施例：具有2对传输零点的8阶广义切比雪夫微带线滤波器平面电路；

图8为图7所述广义切比雪夫滤波器的全波分析频率响应；

图9为本发明优选实施例：中心频率为2500MHz,带宽为40MHz的8阶滤波器频响理论值与平面电路仿真值对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1-图9所示为本发明的不同形式的优选实施方式及其频率响应。

优选实施例：本实施例的滤波器，包括由谐振器3、4、5及谐振器6组成的滤波器主通路，所述滤波器还包括以附加耦合方式接入输入、输出端的能量吸收耦合单元，所述能量吸收耦合单元由两个频率相同或相近且具有能量耦合的谐振器1和谐振器2组成。作为进一步的优选方案，能量吸收耦合单元中两个谐振器的谐振频率可以等于滤波器的中心频率，也可以是不同值。使能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率等于滤波器中心频率可以使获得的两个传输零点对称分布于滤波器通带的两侧，就构建出了椭圆函数滤波器；而将其设为不同值，则可以实现传输零点的非对称分布。如果进一步将两个谐振器的谐振频率都调节至带外同一侧(高频端或者低频端)，则可以实现将两个传输零点同时设置在带外的同一侧，以满足单边高抑制的特殊需求。

在图2所示的优选实施例中，每一个小黑圆点代表一个谐振器，数字代表谐振器编号，S和L分别代表输入和输出端口。与之对应的某自拟的归一化耦合矩阵参数见表1。

表1自拟6阶单对传输零点准椭圆函数滤波器归一化耦合矩阵参数表

本发明实施例还以两个不同中心频率，不同相对带宽的滤波器为例来做归一化耦合矩阵的可行性验证。分别列举中心频率为2500MHz，带宽为16MHz(相对带宽0.64％)和中心频率为2000MHz，带宽为5MHz(相对带宽0.25％)的滤波器理想频率响应，如图3和图4所示。

优选实施例：如图1所示，外部输入、输出端采用直接耦合的方式与滤波器主通路的②号谐振器进行能量耦合于直接耦合点A，再利用离直接耦合点A相距90°电长度的耦合点B与能量吸收耦合单元的①号谐振器以间接耦合的方式进行非接触式能量耦合。这种双耦合结构的优势在于：a)采用一个直接耦合，一个间接耦合的方式，无需在外部传输线与各谐振器之间增加任何匹配网络。其中①号谐振器与外部传输线之间采用的是非接触式的间接能量耦合，巧妙地满足了90°相移的要求。b)直接耦合端和间接耦合端的耦合量和相位可以单独调节,互不干扰,使得外部耦合调节非常灵活。c)①号谐振器和②号谐振器之间此时属于混合耦合，而且此时他们之间的物理距离较大使得他们之间的能量耦合强度极小，就有效地避免了他们之间不必要的交叉耦合。显然，本实施例中所例举的耦合方式仅仅是一种优选特例，并不作为本发明的保护范围边界构成对本发明的限制。本领域的普通技术人员可以根据本发明的方案原理，将其中的直接耦合方式替换为合理的间接耦合方式，也可以将其中的间接耦合方式替换为合理的直接耦合方式。而其中耦合点的选取是否考虑90°电长度则根据选择的具体耦合方式确定，属于本领域的公知常识。

优选实施例：所述滤波器可以包含多组能量吸收耦合单元。如图5所示为在滤波器的输入和输出端口分别设置了一组能量吸收耦合单元的12阶两对传输零点椭圆函数滤波器耦合结构。与之对应的某自拟归一化耦合矩阵参数如表2所示：

表2自拟12阶两对传输零点准椭圆函数滤波器归一化耦合矩阵参数表

进一步的，以中心频率为3000MHz，带宽为40MHz的滤波器为例来做归一化耦合矩阵的可行性验证。滤波器理想频率响应如图6所示。

特别地，通过仿真分析已证明，对于两对传输零点的滤波器，既可以实现电路的非对称设计，也可以实现电路的对称设计(此时两对传输零点重合)。通过仿真分析还证明，通过调节传输零点的位置，既可以实现椭圆函数滤波器的设计，还可以实现广义切比雪夫函数滤波器的设计。

本发明进一步提供了上述滤波器的传输零点调整方法实施例：方法一，增强或减弱所述能量吸收耦合单元两个谐振器之间的耦合强度以增大或缩小两个传输零点的距离。方法二，调节所述能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率为不同值以使滤波器的传输零点相对于滤波器非对称分布。

优选实施例，所述滤波器为高温超导滤波器。为了在有限的超导膜片上放置尽可能多的超导电路以节约成本，或提高滤波器的阶数以增强滤波器的带外抑制特性，同时也尽可能减小滤波器的尺寸以减小制冷机的制冷压力，超导滤波器的小型化已经成为一个必然的趋势。为了实现小型化，通常都采用多曲折线、螺旋线或者一些特殊的谐振器来实现谐振器单元。本实施例的滤波器可以有效解决滤波器小型化的问题。需要说明的是，本发明的滤波器设计方案应用于高温超导滤波器由于解决了电路小型化的问题，相对于传统滤波器带来了专利法意义上的“意想不到的技术效果”，属于优选实施例形式，而并非将本发明的保护范围限制为高温超导滤波器这种特殊形式。

与此同时，本发明的优选实施例方案还解决了以下问题：

(1)解决一次附加耦合引入一对传输零点的问题：当前为了在滤波器带外引入附加的传输零点，通常采用的方法是在滤波器输入端或者输出端引入一个吸收式谐振单元，此单元通常包括90°相移支线和一个谐振器。但这种结构本身就决定了这种方式只可能一次产生一个传输零点。而利用本发明实施例的方案，则可以一次附加耦合直接产生一对(两个)传输零点，甚至产生多对传输零点，由此可以大大减小滤波器的物理尺寸，同时也就解决了无交叉耦合但可以实现椭圆函数的关键问题。(2)解决传输零点任意分布问题：通过调整各附加耦合所产生零点的位置以及附加谐振单元与输入、输出端之间的耦合强度，既可以实现标准的椭圆函数滤波器，也可以实现广义切比雪夫滤波器。适当调整附加单元中各谐振器的频率，还可以实现传输零点的非对称分布，甚至可以使所产生的两个传输零点同时分布在滤波器带外同一侧，以满足单边高抑制的特殊需求。也就是说，解决了传输零点任意分布的问题。(3)解决小型化高温超导椭圆函数滤波器设计难的问题：小型化高温超导椭圆函数滤波器之所以设计困难，主要是由于超导滤波器属于平面电路，在小型化过程中，为了能获得带边的传输零点但又需要避免不希望出现的寄生交叉耦合，不得不采用一些特殊结构的谐振器和特殊的电路形式，有时在同一个电路中还不得不采用多种形状的谐振器。如果采用本课题研究的模型，则可以很好地解决滤波器结构设计困难的问题。在该模型中，谐振器结构已经没有了限制，因此所有谐振器均可采用同一种形状，也无需引入耦合交叉线，整个设计过程犹如传统的切比雪夫滤波器的设计过程一样，变得比较简单。

对于窄带滤波器，可以采用间接耦合的方式以实现附加能量吸收谐振单元与输入、输出端的耦合来解决90°相移问题。对于宽带滤波器，在理想模型中，相移与波长无关，而对于实际电路，各频点同为90°的相移将对应不同的传输线长度。由于加工工艺客观条件的限制，在耦合缝隙宽度和传输线线宽都必须大于某尺寸时，采用间接耦合的方式常难获得谐振器与外部输入、输出端的强耦合，也就难于实现宽带滤波器的设计。可以采用直接耦合的方式来实现能量吸收谐振单元与外部输入、输出端的强耦合，再利用双工器和多工器所采用的在输入端增加匹配电路的设计思想来解决90°相移的问题。

为了不和前面的例子重复，这里根据自行综合的一组具有2对传输零点的8阶广义切比雪夫滤波器矩阵参数，采用图1所示平面双耦合结构进行滤波器的设计，微带线平面电路如图7所示。利用全波分析仿真软件获得如图8及图9所示的幅频特性。从图9中可以看出，实际平面滤波器的幅频特性与理想幅频特性基本一致，也就是说自行综合出来的滤波器耦合矩阵完全是可以用实际电路实现的。

以上结合附图详细说明了本发明的工作原理，但是本领域的技术人员应该意识到，具体实施方式仅是用于示范地说明本发明，说明书仅是用于解释权利要求书，本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种滤波器，包括滤波器主通路，其特征在于，所述滤波器还包括以附加耦合方式接入主通路输入、输出端的能量吸收耦合单元，所述能量吸收耦合单元由两个频率相同或相近且具有能量耦合的谐振器组成。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率均等于滤波器的中心频率。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，能量吸收耦合单元两个谐振器的谐振频率为不同值。

4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的滤波器，其特征在于，外部输入、输出端采用直接耦合的方式与滤波器主通路的谐振器进行能量耦合于直接耦合点，再利用离直接耦合点相距90°电长度的耦合点以间接耦合的方式与能量吸收耦合单元进行能量耦合。

5.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的滤波器，其特征在于，外部输入、输出端采用间接耦合的方式与滤波器主通路的谐振器进行能量耦合，再以间接耦合的方式与能量吸收耦合单元进行能量耦合。

6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器包含多组能量吸收耦合单元。

7.根据权利要求1或6所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器的输入和输出端口分别附加耦合一组能量吸收耦合单元。

8.根据权利要求1-7之任一项权利要求所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器为高温超导滤波器。

9.滤波器的传输零点调节方法，其特征在于，增强或减弱所述能量吸收耦合单元两个谐振器之间的耦合强度以增大或缩小两个传输零点之间的距离。