CN106549201B - 一种由具有插指端口的h型微带谐振器组成的滤波器 - Google Patents

一种由具有插指端口的h型微带谐振器组成的滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了种由具有插指端口的H型微带谐振器组成的滤波器，谐振器的主体部分为优化尺寸的H型谐振器，两端开路部分向外延伸出插指结构，包括水平插指结构和竖直插指结构；通过端口插指交错实现谐振器之间的耦合。插指的交错大大增加了两个谐振器之间的等效互容，使耦合增强；水平插指结构中插指之间的电场方向与插指垂直，为竖向，即与谐振器之间的电场方向垂直。插指之间的耦合被增强的同时，插指之间的竖向耦合同样被增强，会在带外产生干扰，为此在既增强耦合、又不产生其他影响的情况下，本发明的竖直插指的谐振器，使插指之间的耦合方向为水平，与主耦合的耦合方向保持一致，避免出现干扰的谐振模式。

Description

一种由具有插指端口的H型微带谐振器组成的滤波器
技术领域
本发明属于微波通讯设备技术领域，具体涉及一种由具有插指端口的H型微带谐振器组成的滤波器。
背景技术
在微波频段，超导微带谐振器用来组成平面超导微波滤波器。滤波器的功能是对信号进行频率选择，实现信号的提取、分离或者抑制。高温超导滤波器是用高温超导薄膜材料制成的一种平面微波器件，利用高温超导薄膜材料极低的微波表面电阻，可以实现滤波器同时具有极低的带内损耗、高的带边陡峭度和高的带外抑制度。目前高温超导滤波器的研究和应用主要集中于10GHz以下的频段，随着微波系统在各个应用领域的迅猛发展频谱资源的日益紧张，微波系统的工作频段不断向超高频段(＞10GHz)发展。超高频滤波器系统具有以下几个方面的特点：1)超高频系统信息容量大，在相同的相对带宽的情况下，更高的频率可以实现更大的带宽；2)超高频段波长短，具有更好的分辨率；3)超高频系统小型化优势明显。
根据λ0是真空中频率为f的电磁波的波长，c为真空中的光速，λg为在相对介电常数为εre的介质中频率为f的电磁波的波长，约等于此种介质中的相应频率谐振器的长度，εre与介质本身的介电常数εr，介质厚度以及电磁波波长有关。例如，f＝15GHz,0.51mm厚的介质MgO(εr＝9.7)，εre＝6.59，λg＝2.6mm，可见谐振器尺寸是非常小的，因此在超高频段(>10GHz)，可供选择的谐振器结构比较简单。
又根据相关理论指出，谐振器之间的耦合系数应满足以下关系：
Mij是第i个谐振器和第j个谐振器之间的耦合系数；FBW是相对带宽，定义为绝对带宽与中心频率的比值；g是归一化电容；J是特性导纳。这一公式表明耦合系数与相对带宽成正比。在滤波器中两个相邻谐振器产生的耦合叫做相邻耦合，相邻耦合的强度在滤波器设计中是非常重要的参数。由公式(1)也可以看出，滤波器的相对带宽FBW越大，谐振器间所需要的耦合系数越大。当滤波器的相对带宽超过20％甚至更大的时候，所需要的谐振器之间的耦合系数也是非常大的，大多数常规的谐振器都很难达到如此大的耦合强度。
矩形谐振器是超高频段下常用的基本的谐振器结构，具有结构简单，无载Q值较高等优点。但是矩形谐振器相邻耦合系数较小，主要适用于窄带滤波器的设计。相比于矩形谐振器，H型谐振器具有以下优点：
H型谐振器不仅保证了较高的无载Q值，同时利用阶跃阻抗结构，显著缩短了谐振器的长度。当中心频率为16GHz时，相对于矩形谐振器，H型谐振器的长度缩短了19％，因此在采用H型谐振器设计滤波器时，可以极大的减小滤波器的尺寸，不仅节约了超导薄膜，而且降低了在制作工艺过程中由于超导薄膜基片过于狭长而产生的损坏风险；
H型谐振器增大了谐振器之间的耦合系数，使其耦合强度能够设计相对带宽大于10％的滤波器，是超高频情况下设计宽带滤波器的较好的选择。
但是由于H型谐振器纵向寄生模式的影响，进一步增强H型谐振器之间的耦合受到限制。利用H型谐振器进行超高频宽带滤波器的设计，需要在H型谐振器的基础上进行进一步的改进和变形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种由具有插指端口的H型微带谐振器组成的滤波器，能够在不增加H型谐振器纵向尺寸的前提下，使相邻谐振器之间实现强耦合，以满足宽带滤波器，尤其是相对带宽大于20％的超高频段的滤波器的需要。
一种滤波器，包括至少两节H型的微带谐振器，所述微带谐振器的两端口分别设置有插指，相邻两个微带谐振器的插指互相交错耦合。
较佳的，所述微带谐振器的插指方向沿着滤波器中微带谐振器排列的方向。
较佳的，所述微带谐振器的一侧端口的插指方向沿着滤波器中微带谐振器排列的方向，另一侧端口的插指方向与滤波器中微带谐振器排列方向垂直。
较佳的，滤波器中相邻微带谐振器的插指形成插指耦合结构，滤波器中包含的所有插指耦合结构为左右对称结构，互相对称的两个插指耦合结构的结构和尺寸相同。
较佳的，包含的插指耦合结构中插指方向沿着滤波器中微带谐振器排列方向和/或与滤波器中微带谐振器排列方向垂直。
较佳的，滤波器包括六节微带谐振器，各微带谐振器的插指根数均为三根，插指方向沿着微带谐振器的排列方向；第一节和第二节微带谐振器之间以及第五节和第六节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.07mm和0.72mm，第二节和第三节微带谐振器之间以及第四节和第五节微带谐振器之间的间距和插指长度分别是0.17mm和0.45mm，第三节和第四节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.13mm和0.35mm。
较佳的，滤波器包括六节微带谐振器，第一节和第六节插指方向与微带谐振器的排列方向垂直；第三节和第四节微带谐振器的插指方向沿着微带谐振器的排列方向；第二节和第五节微带谐振器的插指方向：一侧与微带谐振器的排列方向垂直，另一侧沿着微带谐振器的排列方向；
第一节和第二节微带谐振器之间以及第五节和第六节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.06mm和0.61mm，第二节和第三节微带谐振器之间以及第四节和第五节微带谐振器之间的间距和插指长度分别是0.2mm和0.45mm，第三节和第四节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.16mm和0.35mm。
较佳的，所述微带谐振器的插指方向与滤波器的多个微带谐振器的排列方向互相垂直。
较佳的，所述微带谐振器的插指个数为一根。
较佳的，所述微带谐振器的插指个数为两根或三根。
较佳的，所述微带谐振器一侧端口的插指个数为一根，另一侧端口的插指个数为两根，相邻的两个微带谐振器中，具有一根插指的端口与另一个微带谐振器具有两根插指的端口交错耦合。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种微带滤波器，谐振器的主体部分为优化尺寸的H型谐振器，两端开路部分向外延伸出插指结构，包括水平插指结构和竖直插指结构；通过端口插指交错实现谐振器之间的耦合。在谐振器的基频谐振模式下，电荷主要集中在两端的插指结构上，相邻谐振器之间的耦合为电耦合，插指的交错大大增加了两个谐振器之间的等效互容，使耦合增强；水平插指结构中插指之间的电场方向与插指垂直，为竖向，即与谐振器之间的电场方向垂直。插指之间的耦合被增强的同时，插指之间的竖向耦合同样被增强，会在带外产生干扰，为此在既增强耦合、又不产生其他影响的情况下，本发明的竖直插指的谐振器，使插指之间的耦合方向为水平，与主耦合的耦合方向保持一致，避免出现干扰的谐振模式；本发明提供的微带谐振器的优点是可以提供较强的耦合，特别适合在超高频段(>10GHz)制作相对带宽超过20％的高温超导宽带滤波器。
附图说明
图1是微带线的截面图；
图2是本发明中带有水平插指的平面微带谐振器的一种几何结构；
图3是图2中两个平面微带谐振器形成的一种耦合结构；
图4是本发明中带有水平插指的平面微带谐振器的另一种几何结构；
图5是图4中两个平面微带谐振器的耦合示意图；
图6是本发明中带有竖直插指的平面微带谐振器的一种几何结构；
图7是图6中两个平面微带谐振器的耦合示意图；
图8是本发明中带有竖直插指的平面微带谐振器的另一种几何结构；
图9是图8中两个平面微带谐振器的耦合示意图；
图10是图3的耦合响应；
图11是利用本发明提供的第一个具体实施例的拓扑图；
图12是图11滤波器的电磁仿真响应曲线；
图13是图7的耦合响应；
图14是利用本发明提供的第二个具体实施例的拓扑图；
图15是图14中滤波器的电磁仿真响应曲线。
其中，1-接地层，2-介质层，3-导体带。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明中，对现有的H型谐振器进行改进，以方便实现相邻谐振器之间的强耦合。
本发明所提供的平面超导微带谐振器包括：如图1所示，由上、下两层超导薄膜(接地层1和导体带3)和位于两层超导薄膜之间的介质层2组成的微带谐振器；所述微带谐振器由传统的H型谐振器演化而来，在H型谐振器两端加上插指结构，一种为插指方向沿着滤波器的多个谐振器的排列方向，即为水平插指，另一种为插指方向垂直谐振器的排列方向，即为竖直插指，如图2和3所示，插指具有3根，为水平插指，如图4和5所示，插指具有2根，为水平插指。如图6和7所示，插指具有一根，为竖直插指。如图8和9所示，插指均为竖直插指，一侧端口插指为1根，另一侧为2根。
在上述的技术方案中，所述微带谐振器两端的插指指头越多，指头长度越长，谐振器之间距离越近，耦合越强。
在上述的技术方案中，所述微带谐振器应能实现相邻之间插指的交错耦合。
利用本发明提出的具有插指端口的H型谐振器组成超高频高温超导宽带滤波器的方法结合附图及实施例详细说明如下：
一个中心频率为15GHz，-3dB相对带宽为30％的超导带通滤波器。采用双面钇钡铜氧(YBCO)超导薄膜，基片材料为MgO，厚度为0.51mm。采用单一水平插指耦合及水平插指、竖直插指耦合混合的办法各设计了一个滤波器。
首先通过电磁仿真软件Sonnet设置仿真参数如下：中间介质层采用MgO材料，介电常数设置为9.7，厚度为0.51mm；上下层的导体层采用理想导体近似；仿真cell大小设置为0.01mm×0.01mm。
实施示例一：利用图2中的谐振器，谐振器间强耦合宽频响应如图10，可见在24.5GHz处出现干扰谐振模式，即插指之间竖向耦合过强导致。根据指标要求的各相邻耦合强度，对带有水平插指端口的H型谐振器的插指长度和间距进行优化，得出滤波器的拓扑如图11。滤波器整体左右对称，互相对称的两个插指耦合结构的结构和尺寸相同；滤波器包括六节谐振器，各谐振器的插指根数均为三根，插指方向沿着谐振器的排列方向；谐振器的主体宽度为0.88mm，第一、二节之间(同五、六节之间)的谐振器间距和插指长度分别是0.07mm和0.72mm，第二、三节之间(同四、五节之间)的谐振器间距和插指长度分别是0.17mm和0.45mm，第三四节之间的谐振器间距和插指长度分别是0.13mm和0.35mm。滤波器的仿真结果如图12。可见在24.5GHz处出现了干扰峰，与谐振器的宽频响应图相一致。
实施示例二：利用图2和图8的谐振器，进行滤波器设计，针对实施示例一中的结构，仅对第一、二节，第五、六节之间的耦合方式进行改变。滤波器包括六节谐振器，第一节和第六节插指方向与谐振器的排列方向垂直；第三节和第四节谐振器的插指方向沿着谐振器的排列方向；第二节和第五节谐振器的插指方向：一侧与谐振器的排列方向垂直，另一侧沿着谐振器的排列方向；
谐振器间强耦合的宽频响应如图13，可见原来出现在图10的干扰峰消失。此例中的滤波器拓扑如图14，整体依旧左右对称，谐振器的主体宽度为0.88mm，第一、二节之间(同五、六节之间)的谐振器间距和竖直插指的长度分别是0.06mm和0.61mm，第二、三节之间(同四、五节之间)的谐振器间距和插指长度分别是0.2mm和0.45mm，第三、四节之间的谐振器间距和插指长度分别是0.16mm和0.35mm。滤波器的仿真结果如图15。在24GHz左右无干扰峰。可见将谐振器的插指方向由水平变为竖直，确实可以达到既增强耦合，又不干扰带外性能的作用。
上述实施例只是举例对本发明进行说明，但是本发明并不局限于此，可以在此基础上进行多种变形，谐振器间的耦合方式可以根据设计的需要，将水平插指耦合与竖直插指耦合混合使用，尽可能的提高滤波器性能，同时也便于增加设计的灵活性。这些耦合形式的多样性也应属于本发明的同一设计构思，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种滤波器，其特征在于，包括至少两节H型的微带谐振器，所述微带谐振器的两端口分别设置有插指，相邻两个微带谐振器的插指互相交错耦合；
所述微带谐振器的插指方向沿着滤波器中微带谐振器排列的方向；滤波器中相邻微带谐振器的插指形成插指耦合结构，滤波器中包含的所有插指耦合结构为左右对称结构，互相对称的两个插指耦合结构的结构和尺寸相同；滤波器包括六节微带谐振器，各微带谐振器的插指根数均为三根，插指方向沿着微带谐振器的排列方向；第一节和第二节微带谐振器之间以及第五节和第六节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.07mm和0.72mm，第二节和第三节微带谐振器之间以及第四节和第五节微带谐振器之间的间距和插指长度分别是0.17mm和0.45mm，第三节和第四节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.13mm和0.35mm。
2.一种滤波器，其特征在于，包括至少两节H型的微带谐振器，所述微带谐振器的两端口分别设置有插指，相邻两个微带谐振器的插指互相交错耦合；
所述滤波器包括六节微带谐振器，第一节和第六节插指方向与微带谐振器的排列方向垂直；第三节和第四节微带谐振器的插指方向沿着微带谐振器的排列方向；第二节和第五节微带谐振器的插指方向：一侧与微带谐振器的排列方向垂直，另一侧沿着微带谐振器的排列方向；
第一节和第二节微带谐振器之间以及第五节和第六节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.06mm和0.61mm，第二节和第三节微带谐振器之间以及第四节和第五节微带谐振器之间的间距和插指长度分别是0.2mm和0.45mm，第三节和第四节之间的微带谐振器间距和插指长度分别是0.16mm和0.35mm。
3.如权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述微带谐振器的插指个数为一根。
4.如权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述微带谐振器的插指个数为两根或三根。
5.如权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述微带谐振器一侧端口的插指个数为一根，另一侧端口的插指个数为两根，相邻的两个微带谐振器中，具有一根插指的端口与另一个微带谐振器具有两根插指的端口交错耦合。
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