CN106848506A - 微带滤波器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于集总参数等效网络的微带滤波器的设计方法。其特征在于以下主要步骤：根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器的设计方法，确定微带滤波器的集总参数等效网络中的各个元件值；由集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，计算出微带滤波器的电气参数；由所选用的微带参数，确定微带滤波器的结构参数；对微带滤波器的结构参数进行调整，优化微带滤波器的性能以满足技术指标要求。本发明提供的设计方法能够得揭示微带滤波器的物理机制，缩短其研制周期。

Description

微带滤波器设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种微带滤波器的设计方法。

背景技术

滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、通带内回波损耗、带外抑制、带内相位线性度及群时延等。按照频率响应的类型来划分，可以分为椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器、高斯滤波器、广义切比雪夫滤波器和逆广义切比雪夫滤波器等。对于模拟滤波器而言，分为集总参数模拟滤波器和分布参数模拟滤波器。在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。在这些频段内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带滤波器等传输线滤波器。

发明内容

到目前为止，人们已经研究出多种多样的传输线滤波器结构。然而，传输线滤波器具有分布参数效应，其设计远比集总参数滤波器的设计复杂得多。每一个传输线滤波器都可能具有不同的物理机制，需要具体进行分析。只有深入了解传输线滤波器的物理机制，才有可能更好得使用它们来实现所需要的频率响应。本发明叙述了一种微带滤波器的设计方法。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。本发明所述的微带滤波器结构如图2所示。在微带线的金属上覆层(I)中刻蚀如下金属图案：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、终端开路枝节(3)、终端开路枝节(4)、第二平行耦合线节(5)和输出馈线(6)。其特征在于：输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了终端开路枝节(3)和终端开路枝节(4)，再与第二平行耦合线节(5)左侧的一端相连，第二平行耦合线节(5)右侧的一端连接到输出馈线(6)的左端。滤波器结构关于中心平面对称的。微带滤波器的电气参数为：输入馈线(1)和输出馈线(6)的特征阻抗同为R_S；第一平行耦合线节(2)和第二平行耦合线节(5)的偶模阻抗同为Z_1e，奇模阻抗同为Z_1o，电长度同为θ₁；终端开路枝节(3)的特征阻抗为Z₂，电长度为θ₂；终端开路枝节(4)的特征阻抗为Z₃，电长度为θ₃。如图3所示，微带滤波器的结构参数为：输入馈线(1)和输出馈线(6)的线宽用w₀表示；第一平行耦合线节(2)和第二平行耦合线节(5)的线宽为w₁，缝隙宽度为s₁，长度为l₁；终端开路枝节(3)的线宽为w₂，长度为l₂；终端开路枝节(4)的线宽为w₃，长度为l₃。

在实际应用中，需要根据用户给出的技术指标来设计这个滤波器。换句话说，就是需要快速准确得确定滤波器的各个结构参数。为此，导出图2中的微带滤波器的集总参数等效网络，如图4所示。其中，V_S是激励源；源阻抗和负载阻抗同为R_S；L₁、L₂和L₃为电感；X₁、X₂和X₃为与频率无关的感抗；j是复数单位；K为阻抗倒置器。谐振频率ω_i＝-X_i/L_i(其中i＝1、2或3)。其特征在于：源阻抗R_S与第一个阻抗倒置器K级联，与电感L₁与感抗jX₁组成的串联谐振器进行串联，与电感L₂与感抗jX₂组成的串联谐振器进行并联，与电感L₃与感抗jX₃组成的串联谐振器进行并联，接着与电感L₁与感抗jX₁组成的串联谐振器进行串联，再通过第二个阻抗倒置器K进行级联，最终与负载阻抗R_S进行并联。集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式如下：

本发明所述微带滤波器的设计方法如下：根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器的设计方法，确定微带滤波器的集总参数等效网络中的各个元件值；由集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，计算出微带滤波器的电气参数；由所选用的微带参数，确定微带滤波器的结构参数；对微带滤波器的结构参数进行调整，优化微带滤波器的性能以满足技术指标要求。

本发明所述设计方法的有益效果是：它能揭示该微带滤波器的物理机制，从而可以更好得控制其性能；它能通过计算快速得到结构参数值，缩短研制周期。

附图说明

图1：微带线结构示意图；

图2：微带滤波器示意图；

图3：微带滤波器的结构参数标注示意图；

图4：微带滤波器的集总参数等效网络示意图；

图5：具有两个位于有限频率的传输零点的理想三阶带通频率响应图；

图6：使用计算结构参数值进行仿真所得到的频率响应图；

图7：优化之后的频率响应仿真结果和测试结果图；

图8：加载谐波抑制枝节后的微带滤波器示意图；

图9：加载谐波抑制枝节后的微带滤波器的结构参数标注示意图；

图10：加载谐波抑制枝节后的微带滤波器的频率响应仿真结果和测试结果图。

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。图4所示的集总参数等效网络揭示了图2中的微带滤波器的物理机制。该微带滤波器可以用于实现一个三阶的带通响应，并且具有两个位于有限频率处的传输零点以改善频率选择性。作为例证，不失一般性，用此微带滤波器来实现一个三阶带通频率响应，技术指标为：通带位于[1.85,2.15]GHz，第一个传输零点位于1.5GHz，第二个传输零点位于2.5GHz，第三个传输零点位于无穷远处。理想的三阶带通频率响应如图5所示。根据此技术指标，可以由集总参数滤波器的设计方法来确定图4所示集总参数等效网络中各个元件值。如果选取R_S＝50Ω，则其它元件值为：

K＝30Ω

L₁＝1.5113·10^-8H,X₁＝-189.9156Ω,

L₂＝3.4443·10^-9H,X₂＝-32.4618Ω

L₃＝3.4443·10^-9H,X₃＝-54.1029Ω

再利用前面导出的集总参数等效网络的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，可以计算得到微带滤波器的电气参数为：

Z_1e＝150.9031Ω，Z_1o＝90.9030Ω，θ₁＝π/2(相对于谐振频率ω₁＝1.2566·10¹⁰rad/s)

Z₂＝20.6655Ω，θ₂＝π/2(相对于谐振频率ω₂＝9.4248·10⁹rad/s)

Z₃＝34.4425Ω，θ₃＝π/2(相对于谐振频率ω₃＝1.5708·10¹⁰rad/s)

如果微带线的信息确定后，即可由上述电气参数来确定微带滤波器的结构参数。作为例证，不失一般性，这里选用一常用微带线来实现此滤波器，其介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。则可以计算得到微带滤波器的结构参数值为

w₀＝1.11mm

w₁＝0.15mm,s₁＝0.32mm,l₁＝23.32mm

w₂＝3.76mm，l₂＝27.61mm

w₃＝1.93mm，l₃＝17.00mm

这些由计算得到的结构参数值，称为计算结构参数值。

基于这些计算结构参数值建模，并进行电磁仿真，仿真结果如图6所示。可见，仿真结果大体上接近于如图5所示的理想频率响应。由于微带滤波器的集总参数等效网络只考虑了最主要的物理机制，并没有包括所有的不连续性效应。图6所示的频率响应还不能满足技术指标要求。借助于电磁仿真对微带滤波器的性能进行优化，在前面的计算结构参数值的基础之上，进行细微调整，最终确定微带滤波器的结构参数为：

w₀＝1.11mm

w₁＝0.15mm,s₁＝0.36mm,l₁＝22.82mm

w₂＝3.76mm，l₂＝28.11mm

w₃＝1.93mm，l₃＝16.81mm

这些经过优化之后得到的结构参数值，称之为优化结构参数值。这些优化结构参数值位于前面所得到的计算结构参数值的附近，说明计算结构参数值可以作为好初值，从而极大得减少优化时间。优化后的微带滤波器的性能能够满足技术指标，如图7所示。根据这些优化结构参数值，对此微带滤波器进行了加工测试，测试结果如图7所示。测试结果与仿真结果相当吻合。从中可以看到，|S₁₁|在通带内呈现三个反射零点，因此频率响应是一个三阶带通频率响应。在通带两侧，各有一个传输零点，用于改善通带的频率选择性。

由于微带是一种具有分布参数效应的传输线，微带滤波器的频率响应中会出现谐波。例如，在图7的频率响应中，距离通带最近的一个谐波位于3.5GHz，从而会影响微带滤波器的带外抑制性能。为了对谐波进行抑制，在图2所示的微带滤波器的基础上，引入了两个终端开路短截线，即图8中的第三终端开路枝节(7)和第四终端开路枝节(8)，它们简称为谐波抑制枝节。所引入的这两个谐波抑制枝节可以在指定的频率处产生传输零点，从而对相应的谐波进行抑制。它们的结构参数为：线宽w₄、缝隙宽度s₄和长度l₄。谐波抑制枝节的长度由下面的式子来确定：

其中，μ是微带介质基片的磁导率，ε是微带介质基片的介电常数，ω₄是所产生的传输零点对应的角频率。

为区别于图2中的微带滤波器，图8中的微带滤波器可以称之为加载谐波抑制枝节后的微带滤波器。谐波抑制枝节的加载不会影响滤波器的主要物理机制，因此图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器仍然可以用图4中的集总参数等效网络来描述其通带和传输零点的形成机制。在实际中，可以按照图2中的微带滤波器的设计过程来设计图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器。例如，要使用图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器来实现一个三阶带通频率响应，可以根据技术指标，首先计算图2中的微带滤波器的结构参数。图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器的部分结构参数(包括w₀、w₁、s₁、l₁、w₂、l₂、w₃和l₃)可以采用图2中的微带滤波器的计算结构值作为初值。

作为例证，使用图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器来实现前面所描述的三阶带通频率响应。部分结构参数(包括w₀、w₁、s₁、l₁、w₂、l₂、w₃和l₃)采用图2中的微带滤波器的计算结构参数值作为初值。为了抑制图7中位于3.5GHz的谐波，由前面的式子可以计算得到l₄＝12.66mm。至于结构参数s₄和w₄，其初值可以分别选择与s₁和w₁一致。借助于电磁仿真对微带滤波器的性能进行优化，在前面的计算结构参数值的基础之上，进行细微调整，最终确定图8中加载谐波抑制枝节后的微带滤波器的优化结构参数值为：

w₀＝1.11mm

w₁＝0.18mm,s₁＝0.30mm,l₁＝22.12mm

w₂＝3.76mm，l₂＝28.27mm

w₃＝1.93mm，l₃＝16.22mm

w₄＝0.12mm，s₄＝0.12mm,l₄＝11.90mm

根据这些优化结构参数值，对加载谐波抑制枝节后的微带滤波器进行了加工测试，测试结果如图10所示。可见，测试结果与仿真结果相当吻合。从中可以看到，|S₁₁|在通带内呈现三个反射零点，因此频率响应是一个三阶带通频率响应。除了位于通带两侧的传输零点，用于改善通带的频率选择性。另外，由于谐波抑制枝节的加载，在3.8GHz处还出现了第三个位于有限频率处的传输零点，从而使在3.5GHz的谐波抑制得到了显著的改善。

以上所列举的实施例充分说明，本发明所述的设计方法能够深入得揭示微带滤波器的物理机制，缩短其研制周期。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 (8)

1.一种微带滤波器，在微带线的金属上覆层(I)中包括：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、终端开路枝节(3)、终端开路枝节(4)、第二平行耦合线节(5)和输出馈线(6)；其中，输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了终端开路枝节(3)和终端开路枝节(4)，再与第二平行耦合线节(5)左侧的一端相连，第二平行耦合线节(5)右侧的一端连接到输出馈线(6)的左端。微带滤波器的电气参数为：输入馈线(1)和输出馈线(6)的特征阻抗同为R_S；第一平行耦合线节(2)和第二平行耦合线节(5)的偶模阻抗同为Z_1e，奇模阻抗同为Z_1o，电长度同为θ₁；终端开路枝节(3)的特征阻抗为Z₂，电长度为θ₂；终端开路枝节(4)的特征阻抗为Z₃，电长度为θ₃。微带滤波器可以用一集总参数等效网络来等效，集总参数等效网络的特征在于：源阻抗R_S与第一个阻抗倒置器K级联，与电感L₁与感抗jX₁(其中j是复数单位)组成的串联谐振器进行串联，与电感L₂与感抗jX₂组成的串联谐振器进行并联，与电感L₃与感抗jX₃组成的串联谐振器进行并联，接着与电感L₁与感抗jX₁组成的串联谐振器进行串联，再通过第二个阻抗倒置器K进行级联，最终与负载阻抗R_S进行并联。集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式如下：

$L_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}\frac{Z_{1e}+Z_{1o}}{{\mathrm{\ω}}_1},X_1=-\frac{\mathrm{\π}}{4}(Z_{1e}+Z_{1o}),K=\frac{Z_{1e}-Z_{1o}}{2}$

$L_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{Z_2}{{\mathrm{\ω}}_2},X_2=-\frac{\mathrm{\π}}{2}{Z}_2$

$L_3=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{Z_3}{{\mathrm{\ω}}_3},X_3=-\frac{\mathrm{\π}}{2}{Z}_3$

其中，谐振频率ω_i＝-X_i/L_i(其中i＝1、2或3)。

2.依据权利要求1所述的微带滤波器的集总参数等效网络，微带滤波器的设计方法如下：根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器的设计方法，确定微带滤波器的集总参数等效网络中的各个元件值；由集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，计算出微带滤波器的电气参数；由所选用的微带参数，确定微带滤波器的结构参数；对微带滤波器的结构参数进行调整，优化微带滤波器的性能以满足技术指标要求。

3.依据权利要求1所述的微带滤波器的集总参数等效网络，微带滤波器可以实现一个三阶带通频率响应，有两个传输零点位于有限频率处以改善频率选择性，这两个传输零点所在的频率分别由终端开路枝节(3)和终端开路枝节(4)的长度来决定。

4.依据权利要求1所述的微带滤波器的集总参数等效网络，可以引入谐波抑制枝节，用于改善微带滤波器的带外抑制性能。引入谐波抑制枝节之后的微带滤波器的特征在于：输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了终端开路枝节(3)和终端开路枝节(4)，再与第二平行耦合线节(5)左侧的一端相连，第二平行耦合线节(5)右侧的一端连接到输出馈线(6)的左端，在输入馈线(1)的右端连接第三终端开路枝节(7)，在输出馈线(6)的左端连接第四终端开路枝节(8)。

5.依据权利要求4所述的引入谐波抑制枝节的微带滤波器，可以由集总参数等效网络来描述其主要物理机制。集总参数等效网络的特征在于：源阻抗R_S与第一个阻抗倒置器K级联，与电感L₁与感抗jX₁组成的串联谐振器进行串联，与电感L₂与感抗jX₂组成的串联谐振器进行并联，与电感L₃与感抗jX₃组成的串联谐振器进行并联，接着与电感L₁与感抗jX₁(其中j是复数单位)组成的串联谐振器进行串联，再通过第二个阻抗倒置器K进行级联，最终与负载阻抗R_S进行并联。集总参数等效网络中的各个元件与引入谐波抑制枝节的微带滤波器的电气参数之间的等效关系式如下：

$L_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}\frac{Z_{1e}+Z_{1o}}{{\mathrm{\ω}}_1},X_1=-\frac{\mathrm{\π}}{4}(Z_{1e}+Z_{1o}),K=\frac{Z_{1e}-Z_{1o}}{2}$

$L_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{Z_2}{{\mathrm{\ω}}_2},X_2=-\frac{\mathrm{\π}}{2}{Z}_2$

$L_3=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{Z_3}{{\mathrm{\ω}}_3},X_3=-\frac{\mathrm{\π}}{2}{Z}_3$

其中，谐振频率ω_i＝-X_i/L_i(其中i＝1、2或3)；引入谐波抑制枝节的微带滤波器的输入馈线(1)和输出馈线(6)的特征阻抗同为R_S；第一平行耦合线节(2)和第二平行耦合线节(5)的偶模阻抗同为Z_1e，奇模阻抗同为Z_1o，电长度同为θ₁；终端开路枝节(3)的特征阻抗为Z₂，电长度为θ₂；终端开路枝节(4)的特征阻抗为Z₃，电长度为θ₃。

6.依据权利要求4所述的引入谐波抑制枝节的微带滤波器，其设计方法为：根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器的设计方法，确定微带滤波器的集总参数等效网络中的各个元件值；由集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，计算出微带滤波器的电气参数；由所选用的微带参数，确定微带滤波器的结构参数；对微带滤波器的结构参数进行调整，优化微带滤波器的性能以满足技术指标要求。

7.依据权利要求4所述的引入谐波抑制枝节的微带滤波器，引入了第三终端开路枝节(7)和第四终端开路枝节(8)在指定的频率处产生传输零点，从而对相应的谐波进行抑制。谐波抑制枝节的长度由下面的式子来确定：

$l_4=\frac{\mathrm{\π}}{2{\mathrm{\ω}}_4\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}}}$

其中，μ是微带介质基片的磁导率，ε是微带介质基片的介电常数，ω₄是所产生的传输零点对应的角频率。

8.依据权利要求4所述的引入谐波抑制枝节的微带滤波器，可以实现三阶带通频率响应，在有限频率处可以产生三个传输零点。