CN106972234A - 一种小型化高性能谐振器及射频带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化高性能谐振器，包括低阻抗段和高阻抗段；高阻抗段的一端连接低阻抗段，另一端接地；所述低阻抗段包括微带线，该微带线闭合成环形。本发明还公开了一种使用该小型化高性能谐振器的射频滤波器，包括谐振器、馈线和接地孔；所述馈线连接于谐振器的高阻抗段；所述谐振器的高阻抗段远离低阻抗段的一端连接接地孔。本发明通过在低阻抗段设置环形微带线，使得在相同的谐振频率下，本发明的尺寸小于传统谐振器，从而降低了整个通信系统的体积，降低系统的功耗和系统的制造成本，同时环形谐振器可以在设计和加工上更加灵活，因为低阻抗线中间是没有覆铜的，可以依次设计新颖的多级谐振级联结构。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频领域，具体涉及一种小型化高性能谐振器及射频带通滤波器。
背景技术
随着电子信息的迅猛发展，使日趋紧张的频谱资源更加凸显匮乏，为提高通信容量及降低相邻信道间信号串扰，对滤波器杂波抑制能力及选择性提出更高的要求。为提高滤波器带外抑制及频率选择性指标，传统巴特沃斯型和切比雪夫型滤波器主要通过增加谐振器数来实现，但这会导致电路损耗、体积及制作成本增加。椭圆函数滤波器虽然可通过在阻带引入对称的传输零点来实现高带外抑制及选择性，但在实际应用中椭圆函数滤波器实现难度较大。广义切比雪夫函数滤波器以其优异性能得到国内外滤波器研究学者的青睐，其带外传输零点个数及位置均可控，在滤波器阶数给定情况下，可通过调整滤波器带外传输零点个数及位置，对滤波器带外抑制及选择性进行改善，这凸显出传输零点在滤波器设计中的重要性，可使滤波器用较少的阶数实现较高的带外抑制及选择性。目前实现传输零点技术主要包括交叉耦合技术、源-负载耦合技术及混合电磁耦合技术。
高的频率选择性和小型化是滤波器设计的重点。现代无线通信系统向着高密度、高集成化的方向发展。滤波器是无线通信电路中的中心器件，减小滤波器的体积可以有效的缩小整个通信系统的体积，降低系统的功耗和系统的制造成本。现有的谐振器为了提高谐振频率需要采用增大尺寸的方式，然而增大谐振器尺寸会增加整个通信系统的体积，系统的功耗和系统的制造成本；同时，传统滤波器主要通过增加谐振器的个数来实现滤波器优良的带外抑制特性，这会增加系统的损耗、增大整个系统的体积，还有另外提高选择性的途径是引入多个传输零点，椭圆函数滤波器根据其零点分布特性可以知道滤波器在通带两侧较近的频段内具有较高的抑制，但其远端抑制却不理想，并且它的结构复杂、实现起来也不容易。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的谐振器为了提高谐振频率需要采用增大尺寸的方式，然而增大谐振器尺寸会增加整个通信系统的体积、系统的功耗和系统的制造成本；同时，传统滤波器也会增加系统的损耗、增大整个系统的体积，而采用椭圆函数滤波器则结构复杂，不易实现，目的在于提供一种小型化高性能谐振器及射频带通滤波器，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种小型化高性能谐振器，包括低阻抗段和高阻抗段；高阻抗段的一端连接低阻抗段，另一端接地；所述低阻抗段包括微带线，该微带线闭合成环形。
现有技术中，谐振器为了提高谐振频率需要采用增大尺寸的方式，然而增大谐振器尺寸会增加整个通信系统的体积，系统的功耗和系统的制造成本。
本发明应用时，闭合成环形的低阻抗段和高阻抗段构成闭合环谐振器，经过仿真实验，发明人发现当环微带线特性阻抗与短路枝节微带线特性阻抗相等时，闭合环谐振器的特性相当于阻抗比为1/2的传统谐振器的特性，从而在相同的外形尺寸下，闭合环谐振器的谐振频率比传统的要高，这意味着达到相同的谐振频率时，闭合环谐振器需要的尺寸就会比传统的要小，这也符合闭合环谐振器增大低阻抗线长度的原理，合理设计环形谐振器的尺寸，可以实现滤波器小型化，所以本发明谐振器具有宽带外抑制、小型化的优点，而且非常容易集成。本发明通过在低阻抗段设置环形微带线，使得在相同的谐振频率下，本发明的尺寸小于传统谐振器，从而降低了整个通信系统的体积，降低系统的功耗和系统的制造成本；同时闭合环谐振器可以在设计和加工上更加灵活，因为低阻抗线中间是没有覆铜的，可以依次设计新颖的多级谐振级联结构。
进一步的，所述闭合成环形的微带线长度为11～20mm，所述微带线闭合成的环形的内环最小间距采用0.05～0.2mm，所述闭合成环形的微带线的宽度采用0.2～0.7mm。
本发明应用时，闭合成环形的微带线长度根据波长和所需谐振器特性进行选取，采用11～20mm；微带线闭合成的环形的内环最小间距采用0.05～0.2mm，这种间距使得不需要在该环形内部设置任何附加结构既可实现；所述闭合成环形的微带线的宽度根据所需谐振器特性进行选取，采用0.2～0.7mm。我们还可以改变环形微带线的特性阻抗，如设特性阻抗为Zc，同理可得，环形框的导纳相当于特性阻抗为Zc/2，电长度为环形框长度1/2的开路微带线所形成的阻抗。这样通过改变环形微带线与短路枝节微带线的特性阻抗比，可以改变谐振器所组成滤波器的大小和产生杂散的位置。
进一步的，所述高阻抗段的长度采用14～20mm，所述高阻抗段的宽度采用0.05～0.2mm。
本发明闭合环谐振器结构的设计作为一种新的形式，不仅在尺寸上可以更加紧凑，使得耦合更加紧密，同时可以通过改变低阻抗线的宽度调整其阻值和调整环形低阻抗线之间的间隙来优化滤波器的插入损耗，谐振点等。这样相对于传统的谐振结构就多了一个调整的维度，使得设计更加灵活。由于此结构可以嵌入其他谐振结构中，可实现更多滤波器拓扑结构及减小滤波器尺寸。设计实践还可得出，环形谐振结构可以得到更优的矩形系数。
使用上文所述谐振器的射频带通滤波器，包括谐振器、馈线和接地孔；所述馈线连接于谐振器的高阻抗段；所述谐振器的高阻抗段远离低阻抗段的一端连接接地孔。
现有技术中，传统滤波器主要通过增加谐振器的个数来实现滤波器优良的带外抑制特性，这会增加系统的损耗、增大整个系统的体积，还有另外提高选择性的途径是引入多个传输零点，椭圆函数滤波器根据其零点分布特性可以知道滤波器在通带两侧较近的频段内具有较高的抑制，但其远端抑制却不理想，并且它的结构复杂、实现起来也不容易。
本发明应用时，由于使用了结构更加紧凑的谐振单元来减小滤波器体积。谐振单元作为滤波器的基本元件，对滤波器性能有着重要影响，由于谐振器的性能提升，从而本发明实现了平面微带小型化广义切比雪夫混合耦合滤波器的设计，进而缩小了滤波器尺寸，从而减小了系统的损耗和整个系统的体积。
进一步的，所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器包括第一低阻抗段和第一高阻抗段；所述第二谐振器包括第二低阻抗段和第二高阻抗段；所述馈线包括第一馈线和第二馈线；所述第一低阻抗段与第二低阻抗段相邻设置；所述第一高阻抗段远离第一低阻抗段的一端连接接地孔；所述第二高阻抗段远离第二低阻抗段的一端连接接地孔；所述第一馈线连接第一高阻抗段；所述第二馈线连接第二高阻抗段。
本发明应用时，第一谐振器和第二谐振器之间的耦合方式为混合电磁耦合。电耦合主要存在于第一低阻抗段与第二低阻抗段间；磁耦合主要存在于高阻抗线公用的接地孔处。本发明采用混合电磁耦合技术，通过谐振器之间的缝隙的电耦合以及接地孔的磁耦合产生更多的传输零点，以提高带外的抑制性能。
再进一步的，所述第一低阻抗段与第二低阻抗段之间的距离采用0.05～0.2mm。
本发明应用时，改变两谐振器环形线之间的间隙和接地孔的大小可以有效的改变电耦合和磁耦合系数，从而调节滤波器的零点位置。
进一步的，所述谐振器还包括第三谐振器；所述第三谐振器包括第三低阻抗段和第三高阻抗段；所述第一低阻抗段的一条边和第二低阻抗段的一条边相邻于第三低阻抗段的同一条边，且第三低阻抗段的该边弯曲设置，并与第一低阻抗段的另一条边相邻，且与第二低阻抗段的另一条边相邻。
本发明应用时，滤波器带外抑制特性和频率选择性是衡量滤波器性能好坏的重要标准。通过增加滤波器谐振器的个数，引入多个带外传输零点，调节传输零点的位置来提高滤波器的频率选择特性，优化了滤波器的带外抑制特性和矩形度，同时本发明滤波器的所有传输零点均可控。本发明滤波器引入四个传输零点，其中TZ1为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器之间的混合电磁耦合产生，TZ2、TZ4为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器各自的结构产生，TZ3为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器组成的三胞CT结构产生，即由交叉耦合产生，在TZ3所在频率处两条路径所产生的电流大小相等方向相反，在输出端口总电流为0，能量传输呈现为零点形式。零点TZ3和TZ4限制谐波的作用拓宽了谐振器阻带的范围，加强了带外抑制。本发明通过将第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器设置为上述结构，从而实现了增加零点，拓宽谐振器阻带范围并加强了带外抑制。
再进一步的，所述第三高阻抗段远离第三低阻抗段的一端连接接地孔。
再进一步的，所述第一低阻抗段和第二低阻抗段之间的距离采用0.05～0.25mm；所述第一低阻抗段的一条边和第二低阻抗段的一条边相邻于第三低阻抗段的同一条边，该相邻间距采用0.05～0.2mm；所述第三低阻抗段弯曲设置的边，与第一低阻抗段的另一条边相邻，且与第二低阻抗段的另一条边相邻，该相邻距离均采用0.1～0.35mm。
本发明应用时，其混合电磁耦合模式产生了四个传输零点，而通过调节述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之间的距离，可以有效的调节TZ3和TZ4的位置，从而有效的抑制谐波的大小，优化滤波器的带外抑制特性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种小型化高性能谐振器，通过在低阻抗段设置环形微带线，使得在相同的谐振频率下，本发明的尺寸小于传统谐振器，从而降低了整个通信系统的体积，降低系统的功耗和系统的制造成本，同时环形谐振器可以在设计和加工上更加灵活，因为低阻抗线中间是没有覆铜的，可以依次设计新颖的多级谐振级联结构；
2、本发明一种小型化高性能谐振器，通过改变环形微带线与短路枝节微带线的特性阻抗比，可以改变谐振器所组成滤波器的大小和产生杂散的位置；
3、本发明一种小型化高性能谐振器，相对于传统的谐振结构就多了一个调整的维度，使得设计更加灵活，并可实现更多滤波器拓扑结构及减小滤波器尺寸，同时环形谐振结构可以得到更优的矩形系数；
4、本发明射频带通滤波器，由于谐振器的性能提升，从而本发明实现了平面微带小型化广义切比雪夫混合耦合滤波器的设计，进而缩小了滤波器尺寸，从而减小了系统的损耗和整个系统的体积；
5、本发明射频带通滤波器，通过谐振器之间的缝隙的电耦合以及接地孔的磁耦合产生更多的传输零点，以提高带外的抑制性能；
6、本发明射频带通滤波器，通过将第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器设置为上述结构，从而实现了增加零点，拓宽谐振器阻带范围并加强了带外抑制；
7、本发明射频带通滤波器，通过调节述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之间的距离，可以有效的调节TZ3和TZ4的位置，从而有效的抑制谐波的大小，优化滤波器的带外抑制特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明谐振器结构示意图；
图2为实施例1现有谐振器示意图；
图3为本发明二阶射频滤波器结构示意图；
图4为本发明三阶射频滤波器结构示意图；
图5为实施例1谐振器频率示意图；
图6为实施例2射频滤波器频率示意图；
图7为实施例3射频滤波器频率示意图
图8为实施例3射频滤波器频率示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-低阻抗段，2-高阻抗段，11-接地孔，12-第二馈线，13-第一馈线，101-第一低阻抗段，102-第一高阻抗段，201-第二低阻抗段，202-第二高阻抗段，301-第三低阻抗段，302-第三高阻抗段。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1、图2和图5所示，本发明一种小型化高性能谐振器，包括低阻抗段1和高阻抗段2；高阻抗段2的一端连接低阻抗段1，另一端接地；所述低阻抗段1包括微带线，该微带线闭合成环形；所述闭合成环形的微带线长度优选为17.4mm，所述微带线闭合成的环形的内环最小间距优选为0.1mm，所述闭合成环形的微带线的宽度优选为0.45mm。所述高阻抗段2的长度优选为17.85mm，所述高阻抗段2的宽度采用0.1mm。
本实施例实施时，图1为本实施例谐振器，图2为和本实施例尺寸相同的一种现有的谐振器，图5为二者进行仿真得出的结果，经过仿真实验，发明人发现本谐振器具有宽带外抑制、小型化的优点，而且非常容易集成，在图5中很明显，在相同的外形尺寸下，环形谐振器的谐振频率比传统的要高，这意味着达到相同的谐振频率时，环形谐振器需要的尺寸就会比传统的要小，这也符合环形谐振器增大低阻抗线长度的原理，合理设计环形谐振器的尺寸，可以实现滤波器小型化。
实施例2
如图3和图6所示，本实施例包括谐振器、馈线和接地孔11；所述馈线连接于谐振器的高阻抗段；所述谐振器的高阻抗段远离低阻抗段的一端连接接地孔11。所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器包括第一低阻抗段101和第一高阻抗段102；所述第二谐振器包括第二低阻抗段201和第二高阻抗段202；所述馈线包括第一馈线13和第二馈线12；所述第一低阻抗段101与第二低阻抗段201相邻设置；所述第一高阻抗段102远离第一低阻抗段101的一端连接接地孔11；所述第二高阻抗段202远离第二低阻抗段201的一端连接接地孔11；所述第一馈线13连接第一高阻抗段102；所述第二馈线12连接第二高阻抗段202；
所设计的滤波器采用的介质基片为Taconic RF-35，的顶层的覆铜上腐刻出滤波器的结构，在接地孔处设计了金属化通孔，与背面的地板相连接，完成接地。其中RF35基片的介质厚度为0.508mm，介电常数为3.5，覆铜层的厚度为0.018mm。所述第一低阻抗段101与第二低阻抗段201之间的距离优选为0.1mm，第一低阻抗段101与第一高阻抗段102之间的距离优选为0.1mm；环形低阻抗线环中的间距优选为0.1mm；第一低阻抗段101与第二低阻抗段201的线宽优选为0.45mm，微带线的总长度优选为17.4mm。馈线的宽度优选为1.1mm，为了方便与系统其他组件连接，馈线输入输出馈线阻抗都设计成50欧姆标准阻抗，同时馈线做了减宽设计，第一高阻抗段102和第二高阻抗段202的线宽优选为0.1mm，总长度优选为17.85mm；第一高阻抗段102和第二高阻抗段202之间的最小距离优选为0.1mm；接地孔11的半径优选为0.1mm。
本实施例实施时，从图6中可以看出，中心频率为1.67GHz，1dB带宽为0.15GHz，通带内S11均小于-25dB，满足射频滤波器参数要求，同时两个带外的传输零点分别位于1.11GHz和56GHz，总尺寸为5.55mm*6.14mm，相比于同频率同结构的现有滤波器，尺寸大幅缩小。
实施例3
如图3、图7和图8所示，本实施例在实施例2的基础上，定义接地孔11的半径为R，定义第一低阻抗段101与第二低阻抗段201之间的距离为S。
本实施例实施时，图7为滤波器的响应曲线随R的变化曲线，可见TZ1，TZ2位置均可以通过调节R进行调节，所以适应于各种频带滤波；图8为滤波器的响应曲线随S的变化曲线，可见TZ1，TZ2位置也均可以通过调节S进行调节，所以适应于各种频带滤波，比起现有的滤波器，调节起来更加方便。
实施例4
如图4所示，本实施例在实施例2的基础上，所述谐振器还包括第三谐振器；所述第三谐振器包括第三低阻抗段301和第三高阻抗段302；所述第一低阻抗段101的一条边和第二低阻抗段201的一条边相邻于第三低阻抗段31的同一条边，且第三低阻抗段301的该边弯曲设置，并与第一低阻抗段101的另一条边相邻，且与第二低阻抗段201的另一条边相邻。所述第三高阻抗段302远离第三低阻抗段301的一端连接接地孔11。第一低阻抗段101和第二低阻抗段201采用微带线宽度优选为0.45mm，总长度优选为14.6mm；所述第一低阻抗段101和第二低阻抗段201之间的距离优选为0.15mm；所述第一低阻抗段101的一条边和第二低阻抗段201的一条边相邻于第三低阻抗段301的同一条边，该相邻间距优选为0.1mm；所述第三低阻抗段301弯曲设置的边，与第一低阻抗段101的另一条边相邻，且与第二低阻抗段201的另一条边相邻，该相邻距离均优选为0.2mm。
本实施例实施时，滤波器带外抑制特性和频率选择性是衡量滤波器性能好坏的重要标准。通过增加滤波器谐振器的个数，引入多个带外传输零点，调节传输零点的位置来提高滤波器的频率选择特性，优化了滤波器的带外抑制特性和矩形度，同时本发明滤波器的所有传输零点均可控。本发明滤波器引入四个传输零点，其中TZ1为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器之间的混合电磁耦合产生，TZ2、TZ4为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器各自的结构产生，TZ3为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器组成的三胞CT结构产生，即由交叉耦合产生，在TZ3所在频率处两条路径所产生的电流大小相等方向相反，在输出端口总电流为0，能量传输呈现为零点形式。零点TZ3和TZ4限制谐波的作用拓宽了谐振器阻带的范围，加强了带外抑制。其混合电磁耦合模式产生了四个传输零点，而通过调节述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之间的距离，可以有效的调节TZ3和TZ4的位置，从而有效的抑制谐波的大小，优化滤波器的带外抑制特性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种小型化高性能谐振器，包括低阻抗段(1)和高阻抗段(2)；其特征在于，高阻抗段(2)的一端连接低阻抗段(1)，另一端接地；所述低阻抗段(1)包括微带线，该微带线闭合成环形。
2.根据权利要求1所述的一种小型化高性能谐振器，其特征在于，所述闭合成环形的微带线长度为11～20mm，所述微带线闭合成的环形的内环最小间距采用0.05～0.2mm，所述闭合成环形的微带线的宽度采用0.2～0.7mm。
3.根据权利要求1所述的一种小型化高性能谐振器，其特征在于，所述高阻抗段(2)的长度采用14～20mm，所述高阻抗段(2)的宽度采用0.05～0.2mm。
4.使用权利要求1至3中任意一项谐振器的射频带通滤波器，其特征在于，包括谐振器、馈线和接地孔(11)；所述馈线连接于谐振器的高阻抗段；所述谐振器的高阻抗段远离低阻抗段的一端连接接地孔(11)。
5.根据权利要求4所述的射频带通滤波器，其特征在于，所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器包括第一低阻抗段(101)和第一高阻抗段(102)；所述第二谐振器包括第二低阻抗段(201)和第二高阻抗段(202)；所述馈线包括第一馈线(13)和第二馈线(12)；所述第一低阻抗段(101)与第二低阻抗段(201)相邻设置；所述第一高阻抗段(102)远离第一低阻抗段(101)的一端连接接地孔(11)；所述第二高阻抗段(202)远离第二低阻抗段(201)的一端连接接地孔(11)；所述第一馈线(13)连接第一高阻抗段(102)；所述第二馈线(12)连接第二高阻抗段(202)。
6.根据权利要求5所述的射频带通滤波器，其特征在于，所述第一低阻抗段(101)与第二低阻抗段(201)之间的距离采用0.05～0.2mm。
7.根据权利要求5所述的射频带通滤波器，其特征在于，所述谐振器还包括第三谐振器；所述第三谐振器包括第三低阻抗段(301)和第三高阻抗段(302)；所述第一低阻抗段(101)的一条边和第二低阻抗段(201)的一条边相邻于第三低阻抗段(31)的同一条边，且第三低阻抗段(301)的该边弯曲设置，并与第一低阻抗段(101)的另一条边相邻，且与第二低阻抗段(201)的另一条边相邻。
8.根据权利要求7所述的射频带通滤波器，其特征在于，所述第三高阻抗段(302)远离第三低阻抗段(301)的一端连接接地孔(11)。
9.根据权利要求7所述的射频带通滤波器，其特征在于，所述第一低阻抗段(101)和第二低阻抗段(201)之间的距离采用0.05～0.25mm；所述第一低阻抗段(101)的一条边和第二低阻抗段(201)的一条边相邻于第三低阻抗段(301)的同一条边，该相邻间距采用0.05～0.2mm；所述第三低阻抗段(301)弯曲设置的边，与第一低阻抗段(101)的另一条边相邻，且与第二低阻抗段(201)的另一条边相邻，该相邻距离均采用0.1～0.35mm。
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