CN105977585B - 基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板(1)、设于介质基板(1)底面的接地板(2)以及设于介质基板(1)表面的金属微带线(3)，还包括：设于介质基板(1)的接地金属(4)；所述的金属微带线(3)形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属(4)分别与接地板(2)及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线(3)的中点连接。本发明中所提出的新的差分滤波器结构，设计过程简单，可以在差模性能中实现对高次谐波的抑制；同时在共模抑制(在微带线中间通过接地方式(即设置接地金属)实现共模抑制)方面也可以实现较宽频带的抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种差分带通滤波器，尤其涉及一种基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器。
背景技术
平行耦合线结构由于其简单的设计流程，容易加工等优点，广泛地应用到滤波器设计中。在平行耦合线带通滤波器的基础上,引伸和发展了多种变型结构：发夹型带通滤波器、抽头线型带通滤波器、分裂环谐振器式带通滤波器等。在这些耦合滤波器中，耦合线分为全部耦合和部分耦合。全部耦合包括终端开路的平行耦合线、终端短路的平行耦合线。部分耦合，一般耦合部分为两端，中间部分没有耦合。崔冬暖通过不同电长度和不同特征阻抗的并联微带线设计了宽带带阻滤波器；祝雷等人通过终端开路的耦合阶梯阻抗谐振器设计了双通带滤波器。
差分滤波器由于能够减小系统中的电磁干扰、噪声等，而广泛地应用到微波系统中。毛金荣提出了部分对称平行耦合阶梯阻抗谐振器，耦合部分是阶梯阻抗谐振器的两端，中间没有耦合，并基于该结构设计了一个差分滤波器；邓宏伟提出了微带馈电线和接地缝隙的耦合结构，并基于该结构设计了宽带差分滤波器；王辉基于终端短路的耦合环形结构设计了差分带通滤波器，同时通过相同电长度，不同特征阻抗的并联微带线设计了差分宽带带通滤波器；王晓华将四分之一波长耦合微带线应用到差分滤波器设计中，通过简单的结构实现了宽带差分滤波器的设计。
现有的简单结构滤波器，易于设计和实现，但是其不能实现对高次谐波的抑制，因而仍需继续进行研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，该滤波器的结构不仅简单，而且还可以实现对高次谐波的抑制，以及同时实现较好的共模抑制。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板、设于介质基板底面的接地板以及设于介质基板表面的金属微带线，还包括：设于介质基板的接地金属；所述的金属微带线形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属分别与接地板及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线的中点连接。
优选的，所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线、B微带线、D微带线、E微带线，另一侧包括H微带线、I微带线、K微带线、L微带线；所述的耦合微带线结构包括C微带线和J微带线，所述的C微带线和J微带线平行，B微带线的两端分别与A微带线和C微带线的上端连接，D微带线的两端分别与E微带线和C微带线的下端连接，所述的A微带线、E微带线分别与C微带线平行，B微带线与D微带线平行并且B微带线分别与A微带线和C微带线垂直，D微带线分别与E微带线和C微带线垂直；所述的I微带线的两端分别与H微带线和J微带线的上端连接，K微带线的两端分别与L微带线和J微带线的下端连接，所述的H微带线、L微带线分别与J微带线平行，I微带线与K微带线平行，并且I微带线分别与H微带线和J微带线垂直，K微带线分别与J微带线和L微带线垂直，通过采用该结构的差分滤波器，从而可以更精确的实现共模抑制，同时实现对高次谐波的抑制。
更优选的，所述的A微带线、E微带线、H微带线、L微带线、B微带线、D微带线、I微带线、K微带线、C微带线和J微带线的线宽均相等，并且所述的A微带线、E微带线、H微带线和L微带线的长度相等；所述的B微带线、D微带线、I微带线和K微带线的长度相等；所述的C微带线和J微带线长度相等，从而可以使得形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线的总长度的四分之一为四分之一波长，并且利用该条件所制备得到的差分滤波器的高次谐波的抑制效果和共模抑制效果比较好；另外，所述的线宽取不同数值时，第一次谐波出现的位置也不一样。
前述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器中，还包括：F微带线、G微带线、M微带线和N微带线，所述的F微带线和G微带线的右端与C微带线连接，设于接地金属的两侧并且均与C微带线垂直；M微带线和N微带线的左端与J微带线连接，设于J微带线中点的两侧并且均与J微带线垂直；所述的F微带线、G微带线、M微带线、和N微带线长度及线宽相等；所述的F微带线和G微带线之间的距离与M微带线和N微带线之间的距离相等，并且F微带线与M微带线处于同一水平面上，G微带线与N微带线处于同一水平面上，通过设置滤波器的馈电端，从而可以方便滤波器与其他元件进行连接。
优选的，所述的G微带线与C微带线的连接处到接地金属之间的微带线的电长度、G微带线与C微带线的连接处到B微带线与C微带线的连接处之间的微带线的电长度及A微带线与B微带线的微带线之和的电长度成倍数关系，根据三角函数倍角公式，可以使得设计参数减小，实现利用简单的设计方法验证了本发明的差分滤波器的高次谐波抑制效果及共模抑制效果。
上述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器中，形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线的总长度的四分之一为四分之一波长，从而可以使得参数少一些，便于设计相应的差分滤波器。
优选的，本发明中所述的差分滤波器的差模通带带宽通过C微带线和J微带线之间的缝隙宽度g实现调控。
本发明中，所述差分带通滤波器的差模谐振中心频率
其中，f为差模谐振中心频率，θ为微带线的电长度，v为电磁波的传播速度，l为微带线的物理长度，由于在设计滤波器的时候中心频率是其中的一个设计指标，根据以上公式，从而可以根据中心频率得到微带线的电长度，进而由电长度确定微带线的实际长度。
优选的，所述的介质基板的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板的厚度为0.508mm，金属微带线的厚度为0.018mm；D微带线到F微带线的垂直距离为21mm，F微带线到G微带线的垂直距离为14mm，J微带线的宽度为1mm，H微带线的长度为11mm，C微带线与J微带线的之间的垂直距离为0.6mm，C微带线与A微带线之间的垂直距离为3mm，N微带线的宽度为1.54mm，利用上述参数获得的差分滤波器的差模滤波性能较好(即具有较好的高次谐波抑制效果，该滤波器的中心频率f0为1.345GHz，在2f0、3f0、4f0、5f0的谐波都得到了抑制)，3dB带宽为0.21GHz，从1.24GHz到1.45Ghz，在0～6.5GHz实现了较好的共模抑制。
或者优选的，所述的介质基板的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板的厚度为0.508mm，金属微带线厚度为0.018mm；D微带线到F微带线的垂直距离为21mm，F微带线到G微带线的垂直距离为14mm，J微带线的宽度为1mm，H微带线的长度为18mm，C微带线与J微带线之间的垂直距离为0.8mm，C微带线与A微带线之间的垂直距离为3mm，N微带线的宽度为1.54mm，利用上述参数获得的差分滤波器的差模滤波性能较好(即具有较好的高次谐波抑制效果，该滤波器的中心频率f0为1.155GHz，在2f0、3f0、4f0、5f0的谐波都得到了抑制)，3dB带宽为0.15GHz，从1.08GHz到1.23Ghz，在0～6GHz实现了较好的共模抑制。
本发明中，所述的接地金属可为一个半径为0.3mm的导体圆柱，从而可以形成一个非对称结构，实现差分滤波器较好的共模抑制效果，且共模抑制的带宽更宽。如果是对称结构，则共模S参数的结果就会在差模的2f0(f0为中心频率)处形成通带，使得共模抑制的带宽较小。
优选的，当中心频率和带宽保持不变时，通过开路枝节结构的阻抗值Z1调节差分滤波器的差模性能；具体的，Z1从小到大取值，根据相应的差分滤波器差模的反射系数和传输系数，确定最优的Z1，从而使得差分滤波器的差模性能最优，从而可以指导实际滤波器设计。
与现有技术相比，本发明中提出的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板、设于介质基板底面的接地板以及设于介质基板表面的金属微带线，还包括：设于介质基板的接地金属；所述的金属微带线形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属分别与接地板及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线的中点连接。本发明中所提出的新的差分滤波器结构(一端和中间耦合，另一端没有耦合)，设计原理简单，结构也非常简单，而且尺寸较小，但是它却可以实现良好的差模滤波性能，实现对高次谐波的抑制；同时通过在微带线中间加载接地金属，形成一个非对称结构，从而可以实现差分滤波器较好的共模抑制效果，且共模抑制的带宽更宽(如果是对称结构，则共模S参数的结果就会在差模的2f0(f0为中心频率)处形成通带，使得共模抑制的带宽较小)。此外，所述的介质基板的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板的厚度为0.508mm，金属微带线的厚度为0.018mm；D微带线到F微带线的垂直距离为21mm，F微带线到G微带线的垂直距离为14mm，J微带线的宽度为1mm，H微带线的长度为11mm，C微带线与J微带线的之间的垂直距离为0.6mm，C微带线与A微带线之间的垂直距离为3mm，N微带线的宽度为1.54mm，利用上述参数获得的差分滤波器的差模滤波性能较好(即具有较好的高次谐波抑制效果，该滤波器的中心频率f0为1.345GHz，在2f0、3f0、4f0、5f0的谐波都得到了抑制)，3dB带宽为0.21GHz，从1.24GHz到1.45Ghz，在0～6.5GHz实现了较好的共模抑制。或者，所述的介质基板的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板的厚度为0.508mm，金属微带线厚度为0.018mm；D微带线到F微带线的垂直距离为21mm，F微带线到G微带线的垂直距离为14mm，J微带线的宽度为1mm，H微带线的长度为18mm，C微带线与J微带线之间的垂直距离为0.8mm，C微带线与A微带线之间的垂直距离为3mm，N微带线的宽度为1.54mm，利用上述参数获得的差分滤波器的差模滤波性能较好(即具有较好的高次谐波抑制效果，该滤波器的中心频率f0为1.155GHz，在2f0、3f0、4f0、5f0的谐波都得到了抑制)，3dB带宽为0.15GHz，从1.08GHz到1.23Ghz，在0～6GHz实现了较好的共模抑制。最后，发明人还进行了HFSS仿真和实际测试，仿真结果和测试结果基本上一致，验证了上述效果的真实性。
附图说明
图1是本发明的差分滤波器的整体结构示意图；
图2是本发明中所述的金属微带线形成的耦合微带线结构与开路枝节结构示意图；
图3为基于平行耦合线的差分带通滤波器的理想电路图；
图4为图3的差模等效电路图；
图5为图3的共模等效电路图；
图6为Zeo随着不同的Z1和theta的变化示意图；
图7为不同的Z1值对应的差分带通滤波器的Sdd11理论计算结果示意图；
图8为不同的Z1值对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图9为不同θe-θo对应的差分带通滤波器的Sdd11理论计算结果示意图；
图10为不同θe-θo对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图11为不同θ0对应的差分带通滤波器的Sdd11理论计算结果示意图；
图12为不同θ0对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图13为Zeo随着不同的Z1和theta的变化示意图；
图14为不同的Z1对应的差分带通滤波器的差模Sdd11理论计算结果示意图；
图15为不同的Z1对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图16为不同θe-θo对应的差分带通滤波器的差模Sdd11理论计算结果示意图；
图17为不同θe-θo对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图18为不同θ0对应的差分带通滤波器的Sdd11理论计算结果示意图；
图19为不同θ0对应的差分带通滤波器的Sdd21理论计算结果示意图；
图20是Filter2差分带通滤的波器的结构图；
图21是Filter7差分带通滤的波器的结构图；
图22为Filter 2的不同缝隙g1对应的两个滤波器的谐振特性仿真结果示意图；
图23为Filter 7的不同缝隙g2对应的两个滤波器的谐振特性仿真结果示意图；
图24为Filter2的差模谐振特性的仿真和测试结果示意图；
图25为Filter2的共模谐振特性的仿真和测试结果示意图；
图26为Filter7的差模谐振特性的仿真和测试结果示意图；
图27为Filter7的共模谐振特性的仿真和测试结果示意图；
图28为介质基板与接地板的设置结构示意图。
附图标记：1-介质基板，2-接地板，3-金属微带线，4-接地金属，101-A微带线、102-B微带线、103-C微带线、104-D微带线、105-E微带线、106-F微带线、107-G微带线，201-H微带线、202-I微带线、203-J微带线、204-K微带线、205-L微带线、206-M微带线、207-N微带线。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，如图1、图2、图28所示，包括介质基板1、设于介质基板1底面的接地板2以及设于介质基板1表面的金属微带线3，还包括：设于介质基板1的接地金属4；所述的金属微带线3形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属4分别与接地板2及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线3的中点连接。所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线101、B微带线102、D微带线104、E微带线105，另一侧包括H微带线201、I微带线202、K微带线204、L微带线205；所述的耦合微带线结构包括C微带线103和J微带线203，所述的C微带线103和J微带线203平行，B微带线102的两端分别与A微带线101和C微带线103的上端连接，D微带线104的两端分别与E微带线105和C微带线103的下端连接，所述的A微带线101、E微带线105分别与C微带线103平行，B微带线102与D微带线104平行并且B微带线102分别与A微带线101和C微带线103垂直，D微带线104分别与E微带线105和C微带线103垂直；所述的I微带线202的两端分别与H微带线201和J微带线203的上端连接，K微带线204的两端分别与L微带线205和J微带线203的下端连接，所述的H微带线201、L微带线205分别与J微带线203平行，I微带线202与K微带线204平行，并且I微带线202分别与H微带线201和J微带线203垂直，K微带线204分别与J微带线203和L微带线205垂直。所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201、L微带线205、B微带线102、D微带线104、I微带线202、K微带线204、C微带线103和J微带线203的线宽均相等，并且所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201和L微带线205的长度相等；所述的B微带线102、D微带线104、I微带线202和K微带线204的长度相等；所述的C微带线103和J微带线203长度相等。还包括：F微带线106、G微带线107、M微带线206和N微带线207，所述的F微带线106和G微带线107的右端与C微带线103连接，设于接地金属4的两侧并且均与C微带线103垂直；M微带线206和N微带线207的左端与J微带线203连接，设于J微带线203中点的两侧并且均与J微带线203垂直；所述的F微带线106、G微带线107、M微带线206、和N微带线207长度及线宽相等；所述的F微带线106和G微带线107之间的距离与M微带线206和N微带线207之间的距离相等，并且F微带线106与M微带线206处于同一水平面上，G微带线107与N微带线207处于同一水平面上。所述的G微带线107与C微带线103的连接处到接地金属4之间的微带线的电长度、G微带线107与C微带线103的连接处到B微带线102与C微带线103的连接处之间的微带线的电长度及A微带线101与B微带线102的微带线之和的电长度成倍数关系。形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一为四分之一波长(也即(A微带线101+B微带线102+C微带线103+D微带线104+E微带线105+H微带线201+I微带线202+J微带线203+K微带线204+L微带线205)/4)。所述的差分滤波器的差模通带带宽通过C微带线103和J微带线203之间的缝隙宽度g实现调控。所述差分带通滤波器的差模谐振中心频率
其中，f为差模谐振中心频率，θ为微带线的电长度，v为电磁波的传播速度，l为微带线的物理长度。所述的介质基板1的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板1的厚度为0.508mm，金属微带线3的厚度为0.018mm；D微带线104到F微带线106的垂直距离为21mm，F微带线106到G微带线107的垂直距离为14mm，J微带线203的宽度为1mm，H微带线201的长度为11mm，C微带线103与J微带线203的之间的垂直距离为0.6mm，C微带线103与A微带线101之间的垂直距离为3mm，N微带线207的宽度为1.54mm。所述的接地金属4为一个半径为0.3mm的导体圆柱。当中心频率和带宽保持不变时，通过开路枝节结构的阻抗值Z1调节差分滤波器的差模性能；具体的，Z1从小到大取值，根据相应的差分滤波器差模的反射系数和传输系数，确定最优的Z1，从而使得差分滤波器的差模性能最优。
实施例2：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板1、设于介质基板1底面的接地板2以及设于介质基板1表面的金属微带线3，还包括：设于介质基板1的接地金属4；所述的金属微带线3形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属4分别与接地板2及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线3的中点连接。所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线101、B微带线102、D微带线104、E微带线105，另一侧包括H微带线201、I微带线202、K微带线204、L微带线205；所述的耦合微带线结构包括C微带线103和J微带线203，所述的C微带线103和J微带线203平行，B微带线102的两端分别与A微带线101和C微带线103的上端连接，D微带线104的两端分别与E微带线105和C微带线103的下端连接，所述的A微带线101、E微带线105分别与C微带线103平行，B微带线102与D微带线104平行并且B微带线102分别与A微带线101和C微带线103垂直，D微带线104分别与E微带线105和C微带线103垂直；所述的I微带线202的两端分别与H微带线201和J微带线203的上端连接，K微带线204的两端分别与L微带线205和J微带线203的下端连接，所述的H微带线201、L微带线205分别与J微带线203平行，I微带线202与K微带线204平行，并且I微带线202分别与H微带线201和J微带线203垂直，K微带线204分别与J微带线203和L微带线205垂直。所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201、L微带线205、B微带线102、D微带线104、I微带线202、K微带线204、C微带线103和J微带线203的线宽均相等，并且所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201和L微带线205的长度相等；所述的B微带线102、D微带线104、I微带线202和K微带线204的长度相等；所述的C微带线103和J微带线203长度相等。还包括：F微带线106、G微带线107、M微带线206和N微带线207，所述的F微带线106和G微带线107的右端与C微带线103连接，设于接地金属4的两侧并且均与C微带线103垂直；M微带线206和N微带线207的左端与J微带线203连接，设于J微带线203中点的两侧并且均与J微带线203垂直；所述的F微带线106、G微带线107、M微带线206、和N微带线207长度及线宽相等；所述的F微带线106和G微带线107之间的距离与M微带线206和N微带线207之间的距离相等，并且F微带线106与M微带线206处于同一水平面上，G微带线107与N微带线207处于同一水平面上。形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一为四分之一波长。所述的差分滤波器的差模通带带宽通过C微带线103和J微带线203之间的缝隙宽度g实现调控。所述的介质基板1的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板1的厚度为0.508mm，金属微带线3厚度为0.018mm；D微带线104到F微带线106的垂直距离为21mm，F微带线106到G微带线107的垂直距离为14mm，J微带线203的宽度为1mm，H微带线201的长度为18mm，C微带线103与J微带线203之间的垂直距离为0.8mm，C微带线103与A微带线101之间的垂直距离为3mm，N微带线207的宽度为1.54mm。所述的接地金属4为一个半径为0.3mm的导体圆柱。
实施例3：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板1、设于介质基板1底面的接地板2以及设于介质基板1表面的金属微带线3，还包括：设于介质基板1的接地金属4；所述的金属微带线3形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属4分别与接地板2及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线3的中点连接。所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线101、B微带线102、D微带线104、E微带线105，另一侧包括H微带线201、I微带线202、K微带线204、L微带线205；所述的耦合微带线结构包括C微带线103和J微带线203，所述的C微带线103和J微带线203平行，B微带线102的两端分别与A微带线101和C微带线103的上端连接，D微带线104的两端分别与E微带线105和C微带线103的下端连接，所述的A微带线101、E微带线105分别与C微带线103平行，B微带线102与D微带线104平行并且B微带线102分别与A微带线101和C微带线103垂直，D微带线104分别与E微带线105和C微带线103垂直；所述的I微带线202的两端分别与H微带线201和J微带线203的上端连接，K微带线204的两端分别与L微带线205和J微带线203的下端连接，所述的H微带线201、L微带线205分别与J微带线203平行，I微带线202与K微带线204平行，并且I微带线202分别与H微带线201和J微带线203垂直，K微带线204分别与J微带线203和L微带线205垂直。所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201、L微带线205、B微带线102、D微带线104、I微带线202、K微带线204、C微带线103和J微带线203的线宽均相等，并且所述的A微带线101、E微带线105、H微带线201和L微带线205的长度相等；所述的B微带线102、D微带线104、I微带线202和K微带线204的长度相等；所述的C微带线103和J微带线203长度相等。形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一为四分之一波长。所述的差分滤波器的差模通带带宽通过C微带线103和J微带线203之间的缝隙宽度g实现调控。
实施例4：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，如图1、图2、图28所示，包括介质基板1、设于介质基板1底面的接地板2以及设于介质基板1表面的金属微带线3，还包括：设于介质基板1的接地金属4；所述的金属微带线3形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属4分别与接地板2及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线3的中点连接。所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线101、B微带线102、D微带线104、E微带线105，另一侧包括H微带线201、I微带线202、K微带线204、L微带线205；所述的耦合微带线结构包括C微带线103和J微带线203，所述的C微带线103和J微带线203平行，B微带线102的两端分别与A微带线101和C微带线103的上端连接，D微带线104的两端分别与E微带线105和C微带线103的下端连接，所述的A微带线101、E微带线105分别与C微带线103平行，B微带线102与D微带线104平行并且B微带线102分别与A微带线101和C微带线103垂直，D微带线104分别与E微带线105和C微带线103垂直；所述的I微带线202的两端分别与H微带线201和J微带线203的上端连接，K微带线204的两端分别与L微带线205和J微带线203的下端连接，所述的H微带线201、L微带线205分别与J微带线203平行，I微带线202与K微带线204平行，并且I微带线202分别与H微带线201和J微带线203垂直，K微带线204分别与J微带线203和L微带线205垂直。
实施例5：基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板1、设于介质基板1底面的接地板2以及设于介质基板1表面的金属微带线3，还包括：设于介质基板1的接地金属4；所述的金属微带线3形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属4分别与接地板2及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线3的中点连接。
实验例1：
本发明的差分带通滤波器的电路结构分析：
图3为本发明差分滤波器的基本电路结构，差分滤波器由耦合线和开路枝节组成；图4是滤波器差模的等效电路，图5是滤波器共模的等效电路。在图中，矩形框及圆形部分是微带线，黑色交叉线表示耦合；a1、a2、a3是每一节微带线的电长度，Ze和Zo是耦合微带线的偶模阻抗和奇模阻抗，Z1是开路枝节的阻抗值。由于滤波器差模的等效电路具有对称特性，故采用奇偶模原理进行分析。这里假设奇模相速度和偶模相速度是一样的。滤波器的设计方程如公式(1)所示：
其中，奇模输入阻抗表达式和偶模输入阻抗表达式形式是一样的，但是对应的阻抗值不同。当奇模输入阻抗和偶模输入阻抗为无穷大的时候，对应的就是奇模谐振频率和偶模谐振频率。
假设第一个差分滤波器：a1＝θ，a2＝3θ，a3＝2θ；
当表达式(2)的分母等于零，对应的就是奇模谐振频率和偶模谐振频率。
-Z1tan6θ+(8Ze(o)+7Z1)tan4θ-(8Ze(o)+7Z1)tan2θ+Z1＝0 (3)
如果本发明中的是四分之一波长谐振器差分滤波器，故a1+a2+a3＝90°，也就是说若为132结构，那么θ＝15°。
将公式θ＝15°代入方程(3)得到：Z1＝Ze(o)，那么滤波器的奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的θ应该一个大于θ＝15°，一个小于θ＝15°。图6为奇模(或者偶模)谐振频率对应的θ随奇偶模阻抗和Z1变化的示意图，如果把、Z1作为自变量，Ze(o)作为因变量，则当Z1保持不变时，Ze(o)会随着θ增加而减小；当θ保持不变时，Ze(o)会随着Z1增加而增加。
本发明中的差分滤波器的差模谐振频率由θ决定，滤波器的其他性能参数取决于Z1、Ze、Zo。假定偶模谐振频率对应的theta为14.5度，奇模谐振频率对应的theta为15.5度，表1给出了3组Z1、Ze、Zo，基于这3组数据，从理论上得到3个滤波器的S参数理论结果，如图7、图8所示。
表1 滤波器的参数值(θ0＝15°，θe＝14.5°，θo＝15.5°)
| Z<sub>1</sub> | Z<sub>e</sub> | Z<sub>o</sub> | |
| Filter 1 | 1.1 | 1.24 | 0.97 |
| Filter 2 | 1.3 | 1.47 | 1.15 |
| Filter 3 | 1.5 | 1.69 | 1.33 |
其中，Sdd11是差模的反射系数；Sdd21是差模的传输系数。
基于上述参数，差分滤波器的差模谐振特性如图7、图8所示。在图7、图8中，当Z1取较小值时，本发明的耦合线滤波器的性能较好；当θe-θo的值不变时(相对带宽保持不变)，可以通过调节Z1的值来实现调节滤波器性能(因为在图6中，Z1是自变量，而且在具体工程实现的过程中Z1比较好调节)。具体的，如图7、图8所示，随着Z1的减小，滤波器的差模通带性能也会改善，具体的说，如图7中，随着Z1的减小Sdd11值变的越来越小，图8中，随着Z1的减小Sdd21值在通带内越接近于零。同时，在阻带内，Sdd11和Sdd21保持不变。图7、图8的结果显示本发明的差分滤波器差模通带性能随着Z1的减小得到改善。当然，当Z1减小到某一个特定值时，滤波器的差模通带性能将变差。而且在图8中，两个传输零点的位置不随着Z1的变化而变化(图7、图8显示的是中心频率保持不变、带宽保持不变的情况下，差分滤波器的差模性能随Z1的变化情况。可以根据要求选择合适的Z1，使得滤波器性能最优。在具体实践中，通过简单的优化就可以得到，比如Z1从小到大取值，同时查看相应的差分滤波器的差模S参数结果，从而即可确定最优的Z1)。
与此同时，固定阻抗Z1的值，分析不同奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的不同相对带宽时的奇模阻抗和偶模阻抗的值，如表2所示。
表2 滤波器的参数值(Z1＝1.3)
| θ<sub>e</sub>(deg) | θ<sub>o</sub>(deg) | Z<sub>e</sub>(Ω) | Z<sub>o</sub>(Ω) | |
| Filter 4 | 14.25 | 15.75 | 1.55 | 1.08 |
| Filter 2 | 14.5 | 15.5 | 1.47 | 1.15 |
| Filter 5 | 14.75 | 15.25 | 1.38 | 1.22 |
基于上述参数，当Z1取值不变的时候，通过改变θe-θo的值，例如1.5deg、1deg、0.5deg时，给出相应的S参数结果。差分滤波器的差模谐振特性如图9、图10所示。具体的，如图9、图10所示，随着θe-θo的增加，滤波器的差模通带性能也会改善，如图9中，随着θe-θo的减小，Sdd11的值变的越来越小，图10中随着θe-θo的减小，Sdd21在通带内越接近于零，滤波器的性能越好。图9、图10的结果显示：本发明中的差分滤波器的差模通带性能随着θe-θo的增加得到改善。当然，当θe-θo增加到某一个特定值时，滤波器的差模通带性能将变差。而且在图10中，两个传输零点的位置基本上不随着θe-θo的变化而变化(图9、图10显示的是中心频率保持不变、开路枝节阻抗Z1不变，但是带宽发生改变的情况下，滤波器性能随θe-θo的变化的情况)。
当(θe-θo)/θ0(相对带宽)和Z1固定时，针对不同的θ0，对差分滤波器的差模性能进行研究。表3给出了电长度和归一化阻抗参数值。图11、图12为相应的差分滤波器的差模S参数的计算结果示意图。
表3 差分滤波器的归一化阻抗和电长度参数(Z1＝1.3,(θe-θo)/θ0＝0.1)
由图11、图12可知：随着θ0的增加，差分滤波器的差模性能得到了改进。同样，当θ0增加到某一个值的时候，差分滤波器的差模性能将变差。另外，随着θ0的增加，第一个传输零点的位置向高频移动，第二个传输零点的位置保持不变。当然如果θ0发生改变，这个时候滤波器差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半不再是四分之一波长了。Filter6的差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半小于四分之一波长，Filter 7的差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半大于四分之一波长。
为了抑制共模信号，本发明在滤波器中加载了接地结构，其为一小圆柱，连接微带线和地结构。通过加载小圆柱，使得滤波器共模等效电路为非对称结构，进而在较宽的频率范围内实现了共模抑制。
实验例2：假设第二个差分滤波器：a1＝θ，a2＝3θ，a3＝3θ；
当表达式(6)的分母等于零，对应的就是奇模谐振频率和偶模谐振频率。
(4Ze(o)+3Z1)tan6θ-(16Ze(o)+19Z1)tan4θ+(12Ze(o)+9Z1)tan2θ-Z1＝0 (7)
如果本发明中的是四分之一波长谐振器差分滤波器，故在本发明中a1+a2+a3＝90°，也就是说如果是133结构，那么θ≈12.86°。将θ≈12.86°代入(7)得到：Ze(o)＝Z1。那么滤波器的奇模谐振频率和偶模谐振频率对应的θ应该一个大于θ≈12.86°，一个小于θ≈12.86°。对应的奇模阻抗应该小于Z1，偶模阻抗应该大于Z1。图13给出了奇模(或者偶模)谐振频率对应的θ随奇偶模阻抗和Z1变化的结果。如果把θ，Z1作为自变量，Ze(o)作为因变量的话，当Z1保持不变的时候，Ze(o)会随着θ增加而减小。当θ保持不变的时候，Ze(o)会随着Z1增加而增加。
本发明中的差分滤波器的差模谐振频率由θ决定，滤波器的其他性能参数取决于Z1、Ze、Zo。假定偶模谐振频率对应的θ为12.46度，奇模谐振频率对应的θ为13.26度，表4给出了3组Z1、Ze、Zo。基于这3组数据，从理论上得到3个滤波器的S参数理论结果，如图14、图15所示。
表4 滤波器的参数值(θ0＝12.86°，θe＝12.46°，θo＝13.26°)
| Z<sub>1</sub>(Ω) | Z<sub>e</sub>(Ω) | Z<sub>o</sub>(Ω) | |
| Filter 6 | 1.1 | 1.22 | 0.99 |
| Filter 7 | 1.3 | 1.44 | 1.17 |
| Filter 8 | 1.5 | 1.66 | 1.36 |
基于上述参数，差分滤波器的差模谐振特性如图14、图15所示。在图14、图15中，当Z1取较小值的时候，其滤波器的差模性能较好。如图14、图15所示，通带内，Sdd11随着Z1的减小而变好，Sdd21同样是随着Z1的减小接近于零(等效于差分滤波器的差模性能随着Z1的减小而变好)。当然，当Z1减小到某一个值的时候，滤波器的性能会再次变差。在图15中，传输零点的位置不随Z1的变化而变化(图14、图15描述的是中心频率和带宽保持不变的情况下，差分滤波器的差模性能随Z1的变化情况。可以根据要求选择合适的Z1，使得滤波器性能最优。在具体实践中，通过简单的优化就可以得到，比如Z1从小往大选取，然后根据差分滤波器的差模S参数结果选择最优的Z1)。
同时保持Z1的值和滤波器的中心频率对应的θ不变，分析不同的θe-θo值，例如θe-θo为1.2deg、0.8deg、0.4deg时，如表5所示。基于表5的参数值，可以得到相应的S参数结果，如图16、图17所示。在图16、图17中，随着θe-θo减小(相对带宽变窄)，所设计的耦合线滤波器的滤波性能会改变。因此，可以根据所设计的滤波器指标需求选择合适的Z1值。在图16、图17中，随着θe-θo的增加，滤波器差模通带性能会改善，如图16中，随着θe-θo减小，Sdd11的值变的越来越小，图17中，随着θe-θo的减小，Sdd21在通带内越接近于零。图16、图17的结果显示滤波器差模通带性能随着θe-θo的增加得到改善。当然由图16、图17也可得知，当θe-θo增加到某一个特定值时，滤波器的差模通带性能将变差。而且在图17中，两个传输零点的位置基本上不随着θe-θo的变化而变化(图16、图17说的是中心频率保持不变，开路枝节阻抗Z1不变，但是带宽发生改变的情况下，滤波器性能随θe-θo的变化情况)。
表5 滤波器的参数值(Z1＝1.3)
| θ<sub>e</sub>(deg) | θ<sub>o</sub>(deg) | Z<sub>e</sub>(Ω) | Z<sub>o</sub>(Ω) | |
| Filter 9 | 12.26 | 13.46 | 1.51 | 1.12 |
| Filter7 | 12.46 | 13.26 | 1.44 | 1.17 |
| Filter 10 | 12.66 | 13.06 | 1.37 | 1.24 |
当(θe-θo)/θ0(相对带宽)和Z1固定时，针对不同的θ0，对差分滤波器的差模性能进行研究。表6给出了电长度和归一化阻抗参数值。图18、图19给出了差分滤波器的差模S参数的计算结果。
表6 差分滤波器的归一化阻抗和电长度参数(Z1＝1.3,(θe-θo)/θ0＝0.1)
随着θ0的增加，差分滤波器的差模性能得到了改进。同样，当θ0增加到某一个值的时候，差分滤波器的差模性能将变差。随着θ0的增加，两个传输零点的位置向低频移动。当然如果θ0发生改变，这个时候滤波器差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半不再是四分之一波长了。Filter 13的差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半小于四分之一波长，Filter 14的差模等效电路的耦合线和开路枝节的总长度的一半大于四分之一波长。
同第一个滤波器一样，为了抑制共模信号，本发明在滤波器中加载了接地结构，其为一小圆柱，连接微带线和地结构。通过加载小圆柱，使得滤波器共模等效电路为非对称结构，进而在较宽的频率范围内实现了共模抑制。
为了验证本发明实验例1和实验例2中上述内容的正确性，发明人基于理论结果设计并且分别制作了两个滤波器Filter2和Filter7。图20、图21给出了两个差分带通滤波器的结构图，弯曲开路枝节是为了减小滤波器的大小。在图20、图21中，黑色点状物部分是接地金属(其他部分为金属微带线)，其为一个半径为0.3mm的导体圆柱，连接微带线和地结构。加入接地金属以后可以使得差分滤波器共模等效电路形成非对称结构，实现共模抑制。在仿真中介质的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质板的厚度为0.508毫米，金属微带线厚度为0.018毫米。基于上面所给出的阻抗值和θ值，通过ADS LineCalc tool可以获得滤波器初步的物理尺寸。然后基于hfss仿真软件进行优化仿真，考虑到弯曲、开路端等影响，得到优化后的Filter2物理尺寸为a1＝7mm,b1＝1mm,c1＝1mm,d1＝11mm,g1＝0.6mm,t1＝3mm,w＝1.54mm。Filter7的物理尺寸为a2＝7mm,b2＝1mm,c2＝1mm,d2＝18mm,g2＝0.8mm,t2＝3mm,w＝1.54mm。
通过HFSS 14.0仿真可以得到差分带通滤波器的差模谐振特性仿真结果，仿真结果如图22(图22中，折线是g1＝0.5mm，直线是g1＝0.6mm，点线是g1＝0.7mm)、图23(图23中，折线是g2＝0.7mm，直线是g2＝0.8mm，点线是g3＝0.9mm)所示。由图22、图23可知，差分滤波器的差模通带带宽可以通过调节缝隙宽度g实现调控，并且差模阻带越宽，高次谐波的抑制效果越好。图22、图23显示的滤波器差模性能比较好。为了证明滤波器设计理论，基于Rogers RT/duroid 5880(tm)制作了差分带通滤波器实物。
图24～图27为发明人所制作的差分带通滤波器实物Filter2和Filter7的仿真结果和测试结果。由图24、图25(其中，实线是测试结果，虚线是仿真结果)可知，Filter2的差模滤波性能较好，3dB带宽为0.21GHz，从1.24GHz到1.45GHz；在0～7GHz实现了较好的共模抑制；具体的说，由图24可知，该滤波器的中心频率f0为1.345GHz，仿真结果和测试结果都说明其可以抑制2f0、3f0、4f0、5f0的谐波，因此具有较好的高次谐波抑制效果；由图25可知，该滤波器的共模抑制效果较好，即在差模情况下是通带的时候，对应的共模是阻带，且共模的阻带范围远大于差模的通带范围。由图26、图27(其中，实线是测试结果，虚线是仿真结果)可知，Filter7的差模性能同样也很好，3dB带宽为0.15GHz，从1.08GHz到1.23GHz；在0～6GHz实现了较好的共模抑制；具体的说，由图26可知，该滤波器的中心频率f0为1.155GHz，仿真结果和测试结果都说明其可以抑制2f0、3f0、4f0、5f0的谐波，因此具有较好的高次谐波抑制效果；由图27可知，该滤波器的共模抑制效果较好，即在差模情况下是通带的时候，对应的共模是阻带，且共模的阻带大于差模的通带。由此可知，本发明的测试结果和仿真结果基本上一致，从而验证了本发明的差分滤波器结构设计的合理性和正确性。至于仿真结果和测试结果的微小差别来源于制作工艺误差、介质板损耗、sma连接器、焊接等。另外，测试结果与理论结果在中心频率上存在误差，误差的来源还由于理论计算时候没有考虑开路枝节开路端的影响和弯曲的影响。可以通过优化，调节枝节线和耦合线的长度实现滤波器设计要求中的中心频率。
结论：本发明中提出了一端和中间耦合、另外一端没有耦合的结构，同时给出了该结构的传输线模型，且形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线的总长度的四分之一为四分之一波长。基于该结构，发明人设计了两个差分滤波器，给出了滤波器差模响应和共模响应的等效电路，通过奇偶模原理给出了差分滤波器的设计方程和谐振频率求解方法，并且分析了差模谐振频率和滤波器中微带线电长度之间的关系，同时也分析了相对带宽和阻抗之间的关系。通过仿真和测试验证了理论的正确性。仿真结果和测试结果显示本发明中的差分滤波器具有良好的差模滤波性能(可以实现对高次谐波的抑制)，同时可以实现较宽频带的共模抑制。
本发明如何根据实际需求设计得到相应尺寸的差分滤波器产品呢？
首先，根据滤波器的设计指标，中心频率、带宽要求，选择相应的θ值，若形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一为四分之一波长，且采用132结构时，则θ＝15°，然后根据相对带宽得到θe和θo；其次，选择一个Z1值，通过选择的Z1值计算得到Ze和Zo，通过公式(2)、公式(4)和公式(5)计算得到滤波器的Sdd11和Sdd21值，通过对Z1值的优化，获得较好的滤波性能。根据较好的滤波器性能对应的电长度和阻抗值，选择介质板，基于ADS LineCalc tool工具得到对应的物理尺寸，考虑到弯曲效应和开路端的影响，然后基于hfss仿真和优化得到仿真结果，满足设计指标要求。同时制作实物进行测试，验证仿真结果。
若形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一为四分之一波长，且采用采用133结构时，则θ≈12.86°，然后根据相对带宽得到θe和θo；然后选择一个Z1值，通过选择的Z1值计算得到Ze和Zo，通过公式(2)、公式(4)和公式(5)计算得到滤波器的Sdd11和Sdd21值，通过对Z1值的优化，获得较好的滤波性能。根据较好的滤波器性能对应的电长度和阻抗值，选择介质板，基于ADS LineCalc tool工具得到对应的物理尺寸，考虑到弯曲效应和开路端的影响，然后基于hfss仿真和优化得到仿真结果，满足设计指标要求。同时制作实物进行测试，验证仿真结果。
若形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线3的总长度的四分之一不是四分之一波长，采用132结构时，则θ可以选取比15度小的值，这样滤波器的尺寸会变小，但是也不能够选择特别小的值，当然也可以根据需要选取大于15度的值。总之，θ值的选取应该在15度左右，这样对应的阻抗才能够在物理上实现；采用133结构时，θ可以选取比12.86度小的值，这样滤波器的尺寸会变小，但是也不能够选择特别小的值，当然也可以根据需要选取大于12.86度的值。总之，θ值的选取应该在12.86度左右，这样对应的阻抗才能够在物理上实现。
Claims (6)
1.基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，包括介质基板(1)、设于介质基板(1)底面的接地板(2)以及设于介质基板(1)表面的金属微带线(3)，其特征在于，还包括：设于介质基板(1)的接地金属(4)；所述的金属微带线(3)形成耦合微带线结构与开路枝节结构，并且所述的开路枝节结构左右对称；所述的接地金属(4)分别与接地板(2)及耦合微带线结构的其中一侧的金属微带线(3)的中点连接；
所述的开路枝节结构的一侧包括A微带线(101)、B微带线(102)、D微带线(104)、E微带线(105)，另一侧包括H微带线(201)、I微带线(202)、K微带线(204)、L微带线(205)；所述的耦合微带线结构包括C微带线(103)和J微带线(203)，所述的C微带线(103)和J微带线(203)平行，B微带线(102)的两端分别与A微带线(101)和C微带线(103)的上端连接，D微带线(104)的两端分别与E微带线(105)和C微带线(103)的下端连接，所述的A微带线(101)、E微带线(105)分别与C微带线(103)平行，B微带线(102)与D微带线(104)平行并且B微带线(102)分别与A微带线(101)和C微带线(103)垂直，D微带线(104)分别与E微带线(105)和C微带线(103)垂直；所述的I微带线(202)的两端分别与H微带线(201)和J微带线(203)的上端连接，K微带线(204)的两端分别与L微带线(205)和J微带线(203)的下端连接，所述的H微带线(201)、L微带线(205)分别与J微带线(203)平行，I微带线(202)与K微带线(204)平行，并且I微带线(202)分别与H微带线(201)和J微带线(203)垂直，K微带线(204)分别与J微带线(203)和L微带线(205)垂直；
所述的A微带线(101)、E微带线(105)、H微带线(201)、L微带线(205)、B微带线(102)、D微带线(104)、I微带线(202)、K微带线(204)、C微带线(103)和J微带线(203)的线宽均相等，并且所述的A微带线(101)、E微带线(105)、H微带线(201)和L微带线(205)的长度相等；所述的B微带线(102)、D微带线(104)、I微带线(202)和K微带线(204)的长度相等；所述的C微带线(103)和J微带线(203)长度相等；
还包括：F微带线(106)、G微带线(107)、M微带线(206)和N微带线(207)，所述的F微带线(106)和G微带线(107)的右端与C微带线(103)连接，设于接地金属(4)的两侧并且均与C微带线(103)垂直；M微带线(206)和N微带线(207)的左端与J微带线(203)连接，设于J微带线(203)中点的两侧并且均与J微带线(203)垂直；所述的F微带线(106)、G微带线(107)、M微带线(206)、和N微带线(207)长度及线宽相等；
所述的F微带线(106)和G微带线(107)之间的距离与M微带线(206)和N微带线(207)之间的距离相等，并且F微带线(106)与M微带线(206)处于同一水平面上，G微带线(107)与N微带线(207)处于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，其特征在于，形成耦合微带线结构与开路枝节结构的金属微带线(3)的总长度的四分之一为四分之一波长。
3.根据权利要求2所述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，其特征在于，所述的差分滤波器的差模通带带宽通过C微带线(103)和J微带线(203)之间的缝隙宽度g实现调控。
4.根据权利要求1所述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，其特征在于，所述的介质基板(1)的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板(1)的厚度为0.508mm，金属微带线(3)的厚度为0.018mm；D微带线(104)到F微带线(106)的垂直距离为21mm，F微带线(106)到G微带线(107)的垂直距离为14mm，J微带线(203)的宽度为1mm，H微带线(201)的长度为11mm，C微带线(103)与J微带线(203)的之间的垂直距离为0.6mm，C微带线(103)与A微带线(101)之间的垂直距离为3mm，N微带线(207)的宽度为1.54mm。
5.根据权利要求1所述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，其特征在于，所述的介质基板(1)的介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009，介质基板(1)的厚度为0.508mm，金属微带线(3)厚度为0.018mm；D微带线(104)到F微带线(106)的垂直距离为21mm，F微带线(106)到G微带线(107)的垂直距离为14mm，J微带线(203)的宽度为1mm，H微带线(201)的长度为18mm，C微带线(103)与J微带线(203)之间的垂直距离为0.8mm，C微带线(103)与A微带线(101)之间的垂直距离为3mm，N微带线(207)的宽度为1.54mm。
6.根据权利要求1所述的基于平行耦合线和开路枝节的差分滤波器，其特征在于，当中心频率和带宽保持不变时，通过开路枝节结构的阻抗值Z1调节差分滤波器的差模性能；具体的，Z1从小到大取值，根据相应的差分滤波器差模的反射系数和传输系数，确定最优的Z1，从而使得差分滤波器的差模性能最优。
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