CN105720334A - 一种基于多枝节加载环形谐振器的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

超宽带滤波器是超宽带通信系统中的关键器件，它决定了系统的整体性能。本发明涉及一种微带超宽带带通滤波器，它基于一种新型多枝节加载环形谐振器，其特征为：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52。另外，通过源/负载直接耦合来产生传输零点，进而改善滤波器的频率选择性。研究表明，本发明所述超宽带带通滤波器具有优良的频率特性等优点。

Description

一种基于多枝节加载环形谐振器的带通滤波器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于多枝节加载环形谐振器的微带超宽带带通滤波器。

背景技术

在2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1GHz～10.6GHz之间的频段开放为通信领域的应用。因为其高传输速率和低传输损耗等优点，超宽带通信受到了广泛的重视并得到了迅猛的发展。作为超宽带通信系统中的关键器件，超宽带带通滤波器的性能决定了系统的整体性能。然而，设计小型化、高性能和低成本的滤波器仍是一大挑战。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有超宽带带通滤波器的不足，提供了一种基于多枝节加载环形谐振器的微带超宽带带通滤波器。该滤波器具有良好的频率选择性且尺寸较小。

典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的微带超宽带带通滤波器的结构如图2所示,其正面如图3(a)所示，背面如图3(b)所示。为了实现本发明所述的微带超宽带带通滤波器，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(即第I层)内刻蚀如图3(a)所示的图案。其特征在于：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52，构成本发明所述的多枝节加载环形谐振器。馈线11连接到弯折传输线节12，再通过终端开路传输线节13和终端开路传输线节14，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。馈线21连接到弯折传输线节22，再通过终端开路传输线节23和终端开路传输线节24，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。在微带线的金属下覆层(即第III层)刻蚀如图3(b)所示的图案。其特征在于：正对微带线的金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节13、终端开路传输线节14和终端开路传输线节41的位置，在金属下覆层(即第III层)分别刻蚀矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62和矩形缺陷地结构63；正对微带线的金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节23、终端开路传输线节24和终端开路传输线节51的位置，在金属下覆层(即第III层)分别刻蚀矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73。

本发明的有益效果是：本发明所述的多枝节加载环形谐振器是一个多模谐振器。基于多枝节加载环形谐振器所得到的超宽带带通滤波器，由于引入源/负载直接耦合，在通带两边形成传输零点，有效得改善了频率选择性。

附图说明

图1本发明用于加工滤波器的微带结构。

图2本发明所述超宽带带通滤波器的结构示意图。

图3(a)本发明所述超宽带带通滤波器的正面视图。

图3(b)本发明所述超宽带带通滤波器的背面视图。

图4本发明所述的多枝节加载环形谐振器的结构示意图。

图5(a)本发明所述的多枝节加载环形谐振器的偶模等效电路。

图5(b)本发明所述的多枝节加载环形谐振器的奇模等效电路。

图6本发明所述的多枝节加载环形谐振器的结构尺寸标注。

图7改变多枝节加载环形谐振器的结构参数l₂对于其谐振特性的影响。

图8改变多枝节加载环形谐振器的结构参数l₄对于其谐振特性的影响。

图9本发明所述微带超宽带带通滤波器的结构尺寸标注。

图10针对本发明实施例的S参数仿真和测试结果。

图11针对本发明实施例的群时延仿真和测试结果。

附图标记说明：金属上覆层I，介质基片II，金属下覆层III、馈线11、弯折传输线节12、终端开路传输线节13、终端开路传输线节14、馈线21、弯折传输线节22、终端开路传输线节23、终端开路传输线节24、传输线节31、金属化过孔32、终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、传输线节43、终端开路传输线节51、终端开路传输线节52、传输线节53、矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62、矩形缺陷地结构63、矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例的正面如图3(a)所示，在微带的金属上覆层(即第I层)包括如下图案：传输线节31、金属化过孔32、终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、传输线节43、终端开路传输线节51、终端开路传输线节52、传输线节53、馈线11、弯折传输线节12、终端开路传输线节13、终端开路传输线节14、馈线21、弯折传输线节22、终端开路传输线节23和终端开路传输线节24。其特征在于：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52，构成本发明所述的多枝节加载环形谐振器。馈线11连接到弯折传输线节12，再通过终端开路传输线节13和终端开路传输线节14，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。馈线21连接到弯折传输线节22，再通过终端开路传输线节23和终端开路传输线节24，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。实施例的背面如图3(b)所示，在微带的金属下覆层(即第III层)内包括如下图案：矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62、矩形缺陷地结构63、矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73。其特征在于：矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62和矩形缺陷地结构63位于金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节13、终端开路传输线节14和终端开路传输线节41的下方，矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73位于金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节23、终端开路传输线节24和终端开路传输线节51的下方，用于增强能量耦合强度。

为了进一步的证明本发明结构的非显而易见性，下面针对实施例进行深入分析。本发明所述的多枝节加载环形谐振器，如图4所示。其特征在于：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52。由于这个谐振器的结构是关于中心平面呈左右对称的，故可以采用奇偶模分析方法来分析它的谐振特性。

在偶模激励下，该谐振器的偶模等效电路如图5(a)所示，设Y₁是电长度为θ₁的传输线节的特征导纳，Y₂是电长度为θ₂的传输线节的特征导纳，Y₃是电长度为θ₃的传输线节的特征导纳，Y₄是电长度为θ₄的传输线节的特征导纳，以及Y₅是电长度为θ₅的传输线节的特征导纳。Y_ine1、Y_ine2、Y_ine3、Y_ine4、Y_ine5和Y_ine是如图所示的各个位置对应的输入导纳，j为虚数单位。由传输线理论，可以依次导出这些输入导纳的表达式。例如

$Y_{ine}=Y_1\frac{Y_{ine1}+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+{\mathrm{jY}}_{ine1}{\mathrm{tan\θ}}_1}---\left(1\right)$

其中

Y_ine1＝Y_ine2+Y_ine3+Y_ine4(2)

Y_ine2＝jY₂tanθ₂(3)

Y_ine3＝-jY₃cotθ₃(4)

$Y_{ine4}=Y_4\frac{Y_{ine5}+{\mathrm{jY}}_4{\mathrm{tan\θ}}_4}{Y_4+{\mathrm{jY}}_{ine5}{\mathrm{tan\θ}}_4}---\left(5\right)$

Y_ine5＝jY₅tanθ₅(6)

令Y_ine＝0，即可确定偶模谐振特性。

在奇模激励下，该谐振器的奇模等效电路如图5(b)所示，其中Y_ino1、Y_ino2、Y_ino3、Y_ino4、Y_ino5和Y_ino是如图所示的各个位置对应的输入导纳。奇模输入导纳Y_ino为

$Y_{ino}=Y_1\frac{Y_{ino1}+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+{\mathrm{jY}}_{ino1}{\mathrm{tan\θ}}_1}---\left(7\right)$

其中

Y_ino1＝Y_ino2+Y_ino3+Y_ino4(8)

Y_ino2＝jY₂tanθ₂(9)

Y_ino3＝-jY₃cotθ₃(10)

$Y_{ino4}=Y_4\frac{Y_{ino5}+{\mathrm{jY}}_4{\mathrm{tan\θ}}_4}{Y_4+{\mathrm{jY}}_{ino5}{\mathrm{tan\θ}}_4}---\left(11\right)$

Y_ino5＝-jY₅cotθ₅(12)

令Y_ino＝0，即可确定奇模谐振特性。

为了结合实例深入了解该谐振器的谐振特性，采用基片RogersRT/duroid5880(相对介电常数为2.2,基片厚度为0.508mm)设计了一个实例，如图6所示，结构参数(单位：mm)取为：l₁＝8,l₂＝3.3,l₃＝4.3,l₄＝2.3,l₅＝4.75,w₁＝0.2,w₂＝0.8,w₃＝0.3,w₄＝0.2,w₅＝0.7和d＝0.9,r＝0.25。对此谐振器实例进行本征模式仿真，并与前面的奇偶模分析结果进行对比，谐振器的几个主要谐振频率的仿真值与计算值列于下表，两者吻合很好。从中可以看到，此谐振器在所关心的频率范围内有五个谐振频率，其中三个为偶模频率，以f_e1、f_e2和f_e3来表示；还有两个为奇模频率，以f_o1和f_o2来表示。因此，本发明所述的多枝节加载环形谐振器是一个具有五个主要谐振模式的多模谐振器。

单位(GHz)	fe1	fo1	fe2	fo2	fe3
						仿真值	3.20	4.39	6.20	8.35	10.34
计算值	3.14	4.70	6.83	9.14	10.45

为了进一步了解本发明所述的谐振器的结构参数与其谐振频率之间的关系，对一些关键结构参数选择了不同的值进行了电磁仿真。在图7中，描绘了长度l₂对多枝节加载环形谐振器的谐振特性的影响。随着长度l₂增加，谐振频率f_e1、f_o1和f_e2略微减小，而f_o2和f_e3明显减小。在图8中，描绘了长度l₄对多枝节加载环形谐振器的谐振特性的影响。随着长度l₄的增大会导致f_e2和f_e3的剧烈减小，而f_e1、f_o1和f_o2几乎不变。通过调整这些关键结构参数，可以灵活得控制多枝节加载环形谐振器的谐振特性。

基于此多枝节加载环形谐振器，可以构造超宽带带通滤波器。因此，引入输入和输出馈线对该谐振器进行能量耦合，如图3(a)所示。馈线11连接到弯折传输线节12，再通过终端开路传输线节13和终端开路传输线节14，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。馈线21连接到弯折传输线节22，再通过终端开路传输线节23和终端开路传输线节24，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。为了增强耦合强度，对应金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节13、终端开路传输线节14和终端开路传输线节41的下方，在金属下覆层(即第III层)中刻蚀矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62和矩形缺陷地结构63；对应金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节23、终端开路传输线节24和终端开路传输线节51的下方，在金属下覆层(即第III层)中刻蚀矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73，如图3(b)所示。另外，源/负载直接耦合由弯折传输线节12和弯折传输线节22之间的耦合来实现，从而可以在通带两侧产生传输零点来改善滤波器的频率选择性。

为了验证上述分析，基于Rogers5880基片设计了一个超宽带带通滤波器。上述针对谐振器的谐振特性分析，可以用于确定滤波器尺寸的初始值。如图9所示，最终尺寸(单位：mm)为:l＝8.1、l₁＝8、l₂＝3.3、l₃＝4.3、l₄＝2.3、w＝1、w₁＝0.2、w₂＝0.8、w₃＝0.3、w₄＝0.2、w₅＝0.7、c₁＝1.2、c₂＝0.9、c₃＝0.7、c₄＝0.3、d＝0.9和r＝0.25。对此滤波器进行了加工测试。整个滤波器尺寸约为0.55λ_g×0.51λ_g，其中λ_g为中心频率对应的波导波长。在图10中，给出了S参数的仿真和测试结果。测试结果表明，滤波器的3dB相对带宽约为120％，通带内的回波损耗低于-12.9dB。通带两侧传输零点的存在使得其具有较高的频率选择性，矩形系数高达0.838。滤波器群时延的仿真和测试结果如图10所示，整个通带内群时延在0.4ns-0.8ns之间变化，相对平坦。这充分说明了本发明所述滤波器具有良好的频率特性

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.本发明提供一种新型的多枝节加载环形谐振器，其特征在于：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52，构成本发明所述的多枝节加载环形谐振器。由于这个谐振器的结构是关于中心平面呈左右对称的，故可以采用奇偶模分析方法来分析它的谐振特性。

在偶模激励下，偶模输入导纳为

$Y_{ine}=Y_1\frac{Y_{ine1}+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+{\mathrm{jY}}_{ine1}{\mathrm{tan\θ}}_1}---\left(1\right)$

其中

Y_ine1＝Y_ine2+Y_ine3+Y_ine4(2)

Y_ine2＝jY₂tanθ₂(3)

Y_ine3＝-jY₃cotθ₃(4)

$Y_{ine4}=Y_4\frac{Y_{ine5}+{\mathrm{jY}}_4{\mathrm{tan\θ}}_4}{Y_4+{\mathrm{jY}}_{ine5}{\mathrm{tan\θ}}_4}---\left(5\right)$

Y_ine5＝jY₅tanθ₅(6)

令Y_ine＝0，即可确定偶模谐振特性。

在奇模激励下，奇模输入导纳Y_ino为

$Y_{ino}=Y_1\frac{Y_{ino1}+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+{\mathrm{jY}}_{ino1}{\mathrm{tan\θ}}_1}---\left(7\right)$

其中

Y_ino1＝Y_ino2+Y_ino3+Y_ino4(8)

Y_ino2＝jY₂tanθ₂(9)

Y_ino3＝-jY₃cotθ₃(10)

$Y_{ino4}=Y_4\frac{Y_{ino5}+{\mathrm{jY}}_4{\mathrm{tan\θ}}_4}{Y_4+{\mathrm{jY}}_{ino5}{\mathrm{tan\θ}}_4}---\left(11\right)$

Y_ino5＝-jY₅cotθ₅(12)

令Y_ino＝0，即可确定奇模谐振特性。

研究表明：此谐振器在所关心的频率范围内有五个谐振频率，其中三个为偶模频率，以f_e1、f_e2和f_e3来表示；还有两个为奇模频率，以f_o1和f_o2来表示。

2.根据权利要求1，可以调整一些关键结构参数来控制谐振器的谐振特性。例如，调整长度l₂，可以控制f_o2和f_e3。调整长度l₄主要控制f_e2和f_e3。

3.根据权利要求1，可构造一个微带超宽带滤波器。其正面如图3(a)所示，其特征在于：传输线节31、传输线节43、传输线节53以及金属化过孔32构成一个环形结构，同时加载终端开路传输线节41、终端开路传输线节42、终端开路传输线节51和终端开路传输线节52，构成本发明所述的多枝节加载环形谐振器。馈线11连接到弯折传输线节12，再通过终端开路传输线节13和终端开路传输线节14，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。馈线21连接到弯折传输线节22，再通过终端开路传输线节23和终端开路传输线节24，与多枝节加载环形谐振器进行能量耦合。源/负载直接耦合由弯折传输线节12和弯折传输线节22之间的耦合来实现，从而可以在通带两侧产生传输零点来改善滤波器的频率选择性。滤波器的背面如图3(b)所示，其特征在于：矩形缺陷地结构61、矩形缺陷地结构62和矩形缺陷地结构63位于金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节13、终端开路传输线节14和终端开路传输线节41的下方，矩形缺陷地结构71、矩形缺陷地结构72和矩形缺陷地结构73位于金属上覆层(即第I层)中的终端开路传输线节23、终端开路传输线节24和终端开路传输线节51的下方，用于增强能量耦合强度。