CN106848507A - 基于组合谐振器的双通带微带滤波器 - Google Patents

基于组合谐振器的双通带微带滤波器 Download PDF

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相征
陈云
任鹏
刘明辉
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    • H01P7/082—Microstripline resonators

Abstract

本发明公开了一种基于组合谐振器的双通带微带滤波器，主要解决现有技术通带性能较差、插入损耗较大的问题。该滤波器自下而上包括金属接地板(11)、介质基板(10)和微带贴片(12)，其中金属微带贴片(12)是由一组对角上加载有短路枝节线的奇偶双模方环谐振器(2)、中心加载有短路枝节线的奇偶双模半波开路谐振器(3)、平行耦合馈线和端口馈线组成，通过调节两种奇偶双模谐振器的短路枝节线长度，可以在保证各自的奇模谐振频率不变的情况下仅改变偶模的谐振频率。本发明具有插入损耗低，通带性能良好的优点，可用于无线通信系统。

Description

基于组合谐振器的双通带微带滤波器
技术领域
本发明属于电子元件技术领域，特别是一种双通带微带滤波器，可用于无线通信系统。
背景技术
近些年，随着微电子技术、微波集成电路的发展，无线通信技术和移动互联网的兴起，加速了人类信息化的进程，无线通信被广泛应用于天文、工业、军事、医疗、通信、海洋等诸多领域。无线通信技术的发展带来了频谱资源的紧张匮乏，而滤波器的主要作用就是选择有用信号，滤除其他无用信号，滤波器是无线通信系统中的基本元件，是实现高质量通信系统的保障。
传统的滤波器只能处理单一的频段，如需在多个频段上工作，就需要多个单频段的滤波器进行级联，这样的叠加不仅导致收发系统的体积、而且增加了设备成本，同时降低其传输性能。多模谐振器可以实现减小设备的尺寸，降低设备成本增加信息容量。
近几年来，关于多频滤波器的研究成果相当可观，出现了不少多频滤波器的新理论和新结构。
作者陈付昌在其发表的论文“新型平面多频带滤波器研究”(《华南理工大学》，2010年)中利用阶跃阻抗谐振器设计了工作于2.4GHz和5.2GHz的双通带滤波器。该滤波器两个通带中心频率处的插入损耗分别为2.4dB和1.3dB，回波损耗分别为5dB和27dB。该滤波器的第二通带性能良好，但是第一通带反射非常大，通带性能较差。
作者孙守家在其发表的论文“多模谐振器的研究及其在微波滤波器中的应用”(《西安电子科技大学》，2014年)提出了一个四模谐振器。该谐振器通过在方形谐振器中加载短路枝节线来实现，四个谐振频率可以灵活控制。根据该谐振器，作者设计了一个工作于2.4GHz和3.5GHz的双通带滤波器。该滤波器的两个通带中心频率处的插入损耗分别为1.34dB和0.97dB，回波损耗分别为20dB和18dB。该滤波器尺寸虽小，但插入损耗较大，导致传输的信号功率降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于组合谐振器的双通带微带滤波器，以提升通带性能，减小插入损耗，提高回波损耗。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理
多频段滤波器能工作在多个频段上，其作用等效为多个单频段滤波器的级联，并且由于器件的重复使用，可使得系统的功耗、设备成本大大降低。
谐振器是滤波器中的核心组成部件，其结构和尺寸对滤波器的性能产生巨大的影响。均匀阻抗谐振器的结构和设计比较简单，故而广泛地使用在滤波器中。然而，它也存在各种各样的缺陷，其中之一就是本振频率整数倍的杂散响应。另外，枝节线加载谐振器能改善均匀阻抗谐振器的这一缺陷，其谐振频率容易控制，通过调整枝节线的长度，可使奇模谐振频率保持不变的条件下仅改变偶模谐振频率。因此，设计具有两个谐振单元的组合谐振器，每个谐振单元各自的奇偶模谐振频率组合在一起可构成一个通带，在此基础上通过引入合适的外部耦合结构就可构成具有性能好、频率选择性高、带外抑制能力强且两个通带的中心频率和带宽独立可控的双频段滤波器。
本发明利用微带形式的短路枝节线加载双模方环谐振器和短路枝节线加载均匀半波长谐振器构成组合谐振器，组合谐振器中方环谐振器的两个模式形成滤波器的第一个通带，而均匀半波长谐振器的两个模式形成滤波器的第二个通带。该组合谐振器的两部分通过同一个接地柱与接地板相连接，在这种组合情况下，谐振器的谐振频率不会相互影响。由于该组合谐振器具有结构对称特性，可以利用奇偶膜理论分析其谐振特性。这样的设计方法给双通带滤波器的设计提供了相当的自由度。
二.实现结构
本发明基于组合谐振器的双通带微带滤波器,包括介质基板和分别位于该介质基板上、下表面的微带贴片和金属接地板，其特征在于：
微带贴片，包括组合谐振器、平行耦合馈线和端口馈线，该组合谐振器由方环谐振器和均匀半波长谐振器连接构成，该平行耦合馈线包括输入平行耦合馈线和输出平行耦合馈线，该端口馈线包括输入端口馈线和输出端口馈线。
进一步，所述方环谐振器的一组对角上加载有短路枝节线，形成奇偶双模谐振模式，该双模谐振模式对应的电路结构均为双端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/2型谐振器，调节其短路枝节线的长度仅对偶模的谐振频率产生影响，而保证奇模谐振频率不变。
进一步，所述半波长谐振器的中心加载有短路枝节线，形成奇偶双模谐振模式，该双模谐振模式对应的电路结构均为单端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/4型谐振器，调节其短路枝节线的长度仅对偶模的谐振频率产生影响，而保证奇模谐振频率不变。
本发明相对于现有的滤波器具有以下的特性和优点：
1)本发明由于采用由方环谐振器和半波长谐振器连接在一起的组合谐振器，避免了多个滤波器件的级联造成插入损耗增大和通带性能恶化，提高了滤波器的通带性能。
2)本发明由于在方环谐振器和半波长谐振器上添加短路枝节线，使得每个谐振器成为谐振频率灵活独立可控的双模谐振器，进一步降低了滤波器的插入损耗，并提高回波损耗。
3)本发明由于在方环谐振器和半波长谐振器中使用了平行耦合馈线馈电，可通过调节耦合馈线的长度和耦合缝隙宽度，进一步降低滤波器插入损耗的作用。
4)本发明由于端口馈线上添加刺线，在两个通带之间产生传输零点，并且传输零点的位置可通过改变刺线的电长度灵活可调，致使滤波器通带的隔离度提高，进一步提高了滤波器的传输性能。
仿真结果表明，本发明的双通带微带滤波器在中心频率为1.5GHz的插入损耗是0.5dB，回波损耗为18dB，在中心频率为2.4GHz处的插入损耗是0.6dB，回拨损耗是17dB。相比于现有技术本发明在保证滤波器小尺寸、多模式、频带和传输零点独立可控的条件下，减小了滤波器的插入损耗，提高滤波器的匹配性。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做更详细的描述：
参照图1和图2，本发明包括介质基板10、微带贴片12及金属接地板11。其中微带贴片12位于介质基板10的上方，接地板11位于介质基板10的下方。其中介质基板11采用介电常数εr为2.65的聚四氟乙烯材料，该介质基板的厚度h为1mm，介质基板下表面的接地板以及上表面的微带贴片均采用铜材料，厚度为0.1mm；微带贴片12包括组合谐振器、平行耦合馈线和端口馈线。
所述组合谐振器，由方环谐振器2和均匀半波长谐振器3连接构成，方环谐振器2的一组对角上加载有短路枝节线，形成第一奇偶双模谐振器，该谐振器的奇偶双模谐振模式对应的电路结构均为双端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/2型谐振器；半波长谐振器3的中心加载有短路枝节线，形成第二奇偶双模谐振器，该谐振器的奇偶双模谐振模式对应的电路结构均为单端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/4型谐振器。通过调节第一奇偶双模谐振器中枝节线长度，仅对其中偶模的谐振频率产生变化，而使其中的奇模谐振频率保持不变。通过调节第二奇偶双模谐振器中枝节线长度，仅对其中偶模的谐振频率产生变化，而保持其中奇模的谐振频率不变。方环谐振器2的一根短路枝节线与半波长谐振器3的短路枝节线段通过一个接地柱5连接在一起。
所述平行耦合馈线，包括输入平行耦合馈线1和输出平行耦合馈线7，输入平行耦合馈线1放置在方环谐振器(2)与半波长谐振器(3)相连接的接地柱5一侧的间隙处，输出平行耦合馈线7放置在接地柱5另一侧的间隙处，输入平行耦合馈线(1)和输出平行耦合馈线(7)同时为两个谐振器提供外部耦合，通过调节其耦合馈线的长度及其与每个谐振器的间隙实现对谐振器耦合强度的控制，使外部耦合的强度达到各自通带性能和插入损耗指标所需的要求。
所述端口馈线，包括特性阻抗均为50欧姆，即宽带w为2.86mm的输入端口馈线8和输出端口馈线9。输入端口馈线8与输入平行耦合馈线1连接，输出端口馈线9与输出平行耦合馈线7连接，输入端口馈线8和输出端口馈线9折叠放置并添加有同样的四分之一介质波导波长的刺线，用于增加滤波器的传输零点，调节刺线的长度可使传输零点的位置处于两通带的中间频点，提高滤波器的选择性，优化传输性能。
本发明的效果通过以下仿真结果进一步说明：
利用全波电磁仿真软件对本发明在1GHz-4GHz频率范围内进行扫频，仿真其插入损耗和回拨损耗，结果如图3。
从图3可见，本发明设计的双通带微带滤波器在第一通带中心频率为1.5GHz处的插入损耗S21为0.5dB，整个带内回拨损耗S11优于18dB，在第二通带中心频率为2.4GHz处的插入损耗S21为0.6dB，整个带内回拨损耗S11优于17dB。

Claims (8)

1.一种基于组合谐振器的双通带微带滤波器,包括介质基板(10)和分别位于该介质基板上、下表面的微带贴片(12)及金属接地板(11)，其特征在于：
微带贴片(12)，包括组合谐振器、平行耦合馈线和端口馈线，该组合谐振器由方环谐振器(2)和均匀半波长谐振器(3)连接构成，该平行耦合馈线包括输入平行耦合馈线(1)和输出平行耦合馈线(7)，该端口馈线包括输入端口馈线(8)和输出端口馈线(9)。
2.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：方环谐振器(2)的一组对角上加载有短路枝节线，形成奇偶双模谐振模式，该双模谐振模式对应的电路结构均为双端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/2型谐振器，调节其短路枝节线的长度仅对偶模的谐振频率产生影响，而保证奇模谐振频率不变。
3.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：半波长谐振器(3)的中心加载有短路枝节线，形成奇偶双模谐振模式，该双模谐振模式对应的电路结构均为单端短路均匀阻抗谐振器结构，即均为典型的λg/4型谐振器，调节其短路枝节线的长度仅对偶模的谐振频率产生影响，而保证奇模谐振频率不变。
4.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：输入平行耦合馈线(1)和输出平行耦合馈线(7)同时为两个谐振器提供外部耦合，通过调节其耦合馈线的长度及其与每个谐振器的间隙，实现对谐振器耦合强度的控制。
5.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：输入端口馈线(8)和输出端口馈线(9)折叠放，且加载有四分之一介质波导波长的刺线，用于在两个通带之间增加传输零点，提高滤波器的带外抑制。
6.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：组合谐振器中的方环谐振器(2)和半波长谐振器(3)之间通过一个接地柱(5)连接在一起。
7.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：输入平行耦合馈线(1)和输出平行耦合馈线(7)放置在方环谐振器(2)与半波长谐振器(3)之间的间隙处。
8.根据权利要求1所述的基于组合谐振器的双通带微带滤波器，其特征在于：输入端口馈线(8)与输入平行耦合馈线(1)连接，输出端口馈线(9)与输出平行耦合馈线(7)连接。
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