CN105762471B - 基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型工字形拓扑结构，即基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器。该滤波器的特征在于：所述滤波器外形为工字型谐振结构,新型滤波器结构关于中间对称面A‑A'对称互补,保证了该滤波器为差分带通滤波器；该新型滤波器结构加载四分之一波长短路枝节，用于改善共模信号抑制，使该滤波器为共模带阻滤波器；所设计滤波器采用互补对称的馈线方式，信号输入端口和信号输出端口分别设置在工字形谐振结构的左右两侧，并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。本发明提供了一种新型的滤波器谐振结构，该滤波器采用弯折结构，结构更加紧凑，性能优于其他外形的差分带通滤波器。

Description

基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，尤其涉及一种结构新颖、制作简单，并可用于微波电路进行滤波的差分带通滤波器。

背景技术：

在现代无线通信和微波集成电路的不断发展过程中，滤波器在微波集成电路中扮演着至关重要的角色，滤波器作为射频发射和接收系统必不可少的一部分，在无线通信领域面临着巨大的机遇和挑战。传统无线通信系统中，滤波器都是采用单入单出型的输入输出端口，其传输非平衡信号，但随着片上系统的发展，单端口滤波器并不能满足平衡信号的传输的需求，差分滤波器因其兼有平衡信号转换和滤波功能，在无线通信领域中得到迅速发展。

在现代无线通信和雷达系统中，差分平衡电路发挥着重要作用。实际应用中，集成电路向小型化方向不断发展，低损耗电路的设计面临着强电磁干扰、无线电频率干扰、元部件耦合串扰等严峻的挑战，差分平衡电路以其有效抑制噪声、减少电磁耦合干扰的优势得以广泛应用，差分滤波器作为平衡电路的重要器件，其研究也不断得到深入和发展。差分滤波器要求在差模激励时具有良好的滤波特性，相当于带通滤波器，同时在共模激励时能够有效抑制共模，相当于带阻滤波器。我们可以把单端口滤波器和巴伦组合成差分滤波器，但其面积过大，不符合小型化需求。因此，把差分滤波器作为单一器件来设计，是一个急需研究的重要问题。目前，差分滤波器的实现方法可以分为以下几种:采用枝节加载结构的差分滤波器；采用两路径传输理论模型的差分滤波器；采用多模谐振器结构的差分滤波器。

信号干扰理论有两种类型：横向型、递归型，由于递归型滤波器实现起来比较困难，所以，目前基于信号干扰理论设计的滤波器都是基于横向型。为了满足小型化要求和降低滤波器设计的复杂性，一般选取两路径传输模型。输入端口与输出端口之间有两条传输路径，信号经两不同路径传输后，叠加到输出端口，导致信号在某些频率处幅度增强，在另外一些频率处幅度则会减弱，从而使滤波器在差模激励时满足通带特性，在共模激励时满足阻带特性，因次，采用信号干扰理论可以使滤波器具有高选择性和良好的共模抑制特性。

发明内容

为了满足现代通信发展的需求，本发明的主要目的是，提供一种新型工字形差分带通滤波器。

为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器，该滤波器设置有输入信号和输出信号端口；该滤波器的外形为工字形差分带通滤波器，该滤波器的结构关于中间对称面互补对称，且任意一对输入、输出端口之间有两条电长度不同传输路径，信号可从输入端经两路径传输到输出端。

该滤波器的结构采用工字形谐振结构作为基本谐振单元，利用两路径信号同相叠加反相抑制的原理实现差分平衡滤波器特性。

该工字形谐振结构由两条横向微带线和两条竖向弯折型微带线组成，竖向弯折型微带线采用竖立向的Ω形弯折结构。

该滤波器的结构通过加载四分之一波长短路枝节，改善共模抑制水平；并且该四分之一波长短路枝节采用通孔的方式实现短路。

该滤波器结构采用平行对称的馈线方式，两对信号输入端口和两对信号输出端口分别设置在该工字形谐振结构的左右两侧；输入信号端口Ⅰ设置在上方的横向微带线的左端，输入信号端口Ⅲ设置在下方的横向微带线的右端，输出信号端口Ⅱ设置在右方的竖向微带线的上端，输出信号端口Ⅳ设置在左方的竖向微带线的下端，采用直接馈电的方式与该工字形谐振结构内部相连。与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。

在本发明的具体实施例子中，所述工字形形谐振结构和馈线材质均为铜箔。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的滤波器拓扑结构，即基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器，该结构简单紧凑，易于加工，仅采用两层结构，并且实现小型化需求。对所加工处的实物进行测量表明：该差分带通滤波器，其性能优于其他外形的差分带通滤波器。

附图说明

图1是基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器

图2是本新型差分滤波器的电路图

具体实施方式

下面结合具体附图，对本新型滤波器结构进一步地描述。

图1为本发明提供的基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：工字形谐振结构呈互补对称结构，由横向微带线2和竖向弯折型微带线3组成，其中竖向弯折型微带线3电长度为横向微带线2的3倍，根据两路径信号同相叠加反相抑制的原理，该新型滤波器在差模激励时表现为带通滤波器，在共模激励时表现为带阻滤波器；通过加载四分之一波长短截线4，改善共模抑制水平，短截线4采用正交型的弯折结构，由一段横向传输线和一段纵向传输线构成，另外，利用在纵向传输线末端刻蚀通孔实现短路结构；工字形谐振结构组成部分竖向微带线3和短截线4均采用弯折结构，实现滤波器结构小型化，其中竖向微带线3和短截线4分别采用竖向的Ω形弯折结构和正交型的弯折结构；采用平行互补的馈线1，并通过直接馈电的方式与谐振结构相连，可减小插入损耗，提高制作精度。

图2为本发明提供的差分带通滤波器的电路图，任意两输入、输出端口之间有两条不同电长度的传输路径，电长度分别为θ₁＝θ，θ₂＝3θ，当差模信号从输入端口Ⅰ、Ⅲ传输到输出端口Ⅱ、Ⅳ时，两路径信号的相位关系分别为θ_A＝θ_{Ⅰ Ⅱ}(f₀)＝90°，θ_B＝θ_{Ⅲ Ⅱ}(f₀)＝450°，满足差模响应相位特性θ_A＝θ_B±2nπ，(n＝0,1,2...)，因此该滤波器结构对差模信号来说，将会实现一个好的差模通带特性。对于共模信号来说，两路径信号的相位关系分别为θ_A＝θ_{Ⅰ Ⅱ}(f₀)＝90°，θ_B＝θ_{Ⅲ Ⅱ}(f₀)＝270°，满足共模相位特性θ_A＝θ_B±nπ，(n＝1,3...)，因此该滤波器结构对共模信号来说，将会实现一个好的阻带特性。

本发明提出一种新型工字形拓扑结构,分别采用差模激励和共模激励电路理论分析此拓扑结构，利用传输线理论对此结构进行说明。另外，在实际情况下，由于很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明此拓扑结构，只能采用数值方法来证明，学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是Ansoftv10.0对提出的拓扑结构进行优化。然后将优化的精确模型制成实物，应用矢量分析仪对实物测试，用实验的方法证实该滤波器拓扑结构。

所发明滤波器整体性能较好：仿真结果表明差模通带中心频率f₀为6GHz，3-dB相对带宽为65％(4.2GHz～7.8GHz)，通带内插入损耗最小可达0.18dB。在5.2GHz和6.6GHz处，产生了两个个传输零点。差模通带内，共模抑制最小-16.8GHz，共模抑制覆盖整个通带范围。

本发明是一种新型的基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器，在滤波器拓扑结构上不同于现有的差分带通滤波器，其结构紧凑，满足小型化需求。本发明的差分带通滤波器，其性能优于其他结构的差分带通滤波器。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器，该滤波器设置有输入信号和输出信号端口；其特征在于：该滤波器的外形为工字形差分带通滤波器，该滤波器结构关于中间对称面互补对称，且任意一对输入信号和输出信号端口之间有两条电长度不同传输路径，信号可从输入信号端经两路径传输到输出信号端；

该滤波器结构采用工字形谐振结构作为基本谐振单元，利用两路径信号同相叠加反相抑制的原理实现差分平衡滤波器特性；

该工字形谐振结构由两条横向微带线和两条竖向弯折型微带线组成，竖向弯折型微带线采用竖立向的Ω形弯折结构；

该滤波器结构通过加载四分之一波长短路枝节，改善共模抑制水平；并且该四分之一波长短路枝节采用通孔的方式实现短路；

该滤波器结构采用平行对称的馈线方式，两对信号输入端口和两对信号输出端口分别设置在该工字形谐振结构的左右两侧；输入信号端口Ⅰ设置在上方的横向微带线的左端，输入信号端口Ⅲ设置在下方的横向微带线的右端，输出信号端口Ⅱ设置在右方的竖向微带线的上端，输出信号端口Ⅳ设置在左方的竖向微带线的下端，采用直接馈电的方式与该工字形谐振结构内部相连。

2.根据权利要求1所述的基于横向滤波器理论的工字形差分带通滤波器，其特征在于：所述工字形谐振结构和馈线材质均为铜箔。