CN106992339A - 一种应用于wlan的双频点圆柱共形滤波器及其制作方法 - Google Patents

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王同同
孙洪铮
周运强
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Abstract

本发明公开了一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器及其制作方法，所述系统包括圆柱共形底座(1)、基板(2)以及双阶SIR滤波器(3)；双阶SIR滤波器(3)固定设置于基板(2)上，基板(2)固定贴合于圆柱共形底座(1)的共形曲面上。本发明中圆柱共形底座(1)可采用3D打印技术加工完成，其外表面是最常见的圆柱面，可用于其它共形系统中。本发明采用两阶的阶跃阻抗谐振器(SIR)来实现滤波功能，通过调整SIR的两段微带线的宽度和长度，可以得到不同的两个谐振点，同时双频滤波器有利于系统整体的小型化。本发明中双阶SIR滤波器(3)使用平行耦合线馈电方式，可以产生多个传输零点，从而提高带外抑制性能。

Description

一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器及其制作方法
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器及其制作方法的设计。
背景技术
随着信息时代的来临，人们对无线通信系统提出了更高的要求，而无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)是计算机网络技术与无线通信技术结合的产物，能极大的满足人们的需求。WLAN的应用频段主要分为2.4GHz和5.2GHz两个频段，因此在IEEE 802.11b/g标准和IEEE 802.11a标准下的2.4GHZ和5.2GHz成为很多收发机的工作频段。滤波器作为收发机的前端，在频率选择、隔离干扰、信号放大、倍频、混频等方面充当着不可替代的角色。但是双频收发机的尺寸问题一直是设计过程中的一个难点，而双频滤波器可以使两个工作频段共用一个收发电路，极大地减小电路尺寸。双频滤波器的设计方法有很多种，阶跃阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonator，SIR)因其不仅可以产生双频点，并且可以自由的控制谐振频率的大小而备受关注。
另外随着新型材料的提出和制作工艺的进步，共形器件因其更容易与飞行器等弯曲的表面相匹配的优势，因此在医疗、个人穿戴电子设备、军事等领域有着广泛的应用。近年来柔性材料的提出，为共形滤波器的实现提供了可能。共形滤波器不仅具有传统平面电路的性能，并且可以极大的减小电路的尺寸，并为系统带来平面电路不能匹敌的优良性能，已经成为新一代滤波器件的一个新兴发展方向。但是共形器件的精准建模一直是其设计过程中的一大难点。另外为了满足共形设计，共形器件选用的基板较薄，因此如何降低其插入损耗也是设计者要考虑的一个问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中共形滤波器的设计难以在精准建模的同时有效降低插入损耗的问题，提出了一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器及其制作方法。
本发明的技术方案为：一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器，包括圆柱共形底座、基板以及双阶SIR滤波器；双阶SIR滤波器固定设置于基板上，基板固定贴合于圆柱共形底座的共形曲面上。
优选地，圆柱共形底座采用机械加工或者3D打印得到，底面半径为20mm。
优选地，基板相对的两侧边各开设有一组螺孔，用于通过螺钉将基板固定于圆柱共形底座的共形曲面上。
优选地，双阶SIR滤波器包括第一阶SIR和第二阶SIR，两阶SIR结构相同且对称设置；每阶SIR均包括顺次连接的外接微带线端口、平行耦合馈线枝节、第一SIR微带线以及第二SIR微带线。
优选地，平行耦合馈线枝节与第一SIR微带线之间采用耦合连接的方式进行连接。
优选地，第一阶SIR的外接微带线端口作为双阶SIR滤波器的输入端，第二阶SIR的外接微带线端口作为双阶SIR滤波器的输出端。
本发明还提出了一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器制作方法，包括以下步骤：
S1、采用机械加工或者3D打印得到圆柱共形底座；
S2、通过软件HFSS仿真优化得到共形电路的尺寸数据，并由特定公式计算得到双阶SIR滤波器的平面电路尺寸，同时对双阶SIR滤波器平面电路和基板进行设计和加工；
S3、通过螺钉将基板固定贴合于圆柱共形底座的共形曲面上，组成双频点圆柱共形滤波器。
进一步地，步骤S2中计算双阶SIR滤波器平面电路尺寸的公式为：
w＝r*cosθ (1)
式中w为平面电路对应的宽度参数，r为圆柱共形底座的半径，θ为固定贴合后曲面电路的角度参数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中圆柱共形底座可采用3D打印技术加工完成，其外表面是最常见的圆柱面，可用于其它共形系统中。
(2)本发明采用两阶的阶跃阻抗谐振器(SIR)来实现滤波功能，通过调整SIR的两段微带线的宽度和长度，可以得到不同的两个谐振点，同时双频滤波器有利于系统整体的小型化。
(3)本发明中双阶SIR滤波器使用平行耦合线馈电方式，可以产生多个传输零点，从而提高带外抑制性能，也能有效降低插入损耗。
(4)本发明采用螺钉固定双阶SIR滤波器及基板，使其能够更加稳固地贴合于圆柱共形底座上。
附图说明
图1为本发明提供的一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器结构示意图。
图2为本发明实施例的双频点圆柱共形滤波器待加工平面电路示意图。
图3为本发明实施例的SIR基本电路结构示意图。
图4为本发明实施例的双频点圆柱共形滤波器制作过程示意图。
图5为本发明实施例的仿真结果示意图。
附图标记说明：1—圆柱共形底座、2—基板、3—双阶SIR滤波器；21—螺孔；31—外接微带线端口、32—平行耦合馈线枝节、33—第一SIR微带线、34—第二SIR微带线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器，如图1所示，包括圆柱共形底座1、基板2以及双阶SIR滤波器3。双阶SIR滤波器3固定设置于基板2上，基板2固定贴合于圆柱共形底座1的共形曲面上。
其中，圆柱共形底座1可采用机械加工或者3D打印得到，其底面半径为20mm。
考虑到滤波器的共形设计，加工出来的平面滤波器最后需要共形到圆柱共形底座1的圆柱曲面上，因此对采用的基板2性能提出了更高的要求，除了低损耗以外，基板2还需要具有柔性、厚度较薄的特点，本发明实施例中基板2采用0.254mm的TacnicTLY-5，介电常数为2.2，铜厚为0.0175mm。如图2所示，基板2相对的两侧边各开设有一组螺孔21，用于通过螺钉将基板2固定于圆柱共形底座1的共形曲面上。相对应地，圆柱共形底座1的共形曲面的相对位置也需要打孔。
如图2所示，双阶SIR滤波器3包括第一阶SIR和第二阶SIR，两阶SIR结构相同且对称设置。每阶SIR均包括顺次连接的外接微带线端口31、平行耦合馈线枝节32、第一SIR微带线33以及第二SIR微带线34。
其中，平行耦合馈线枝节32与第一SIR微带线33之间采用耦合连接的方式进行连接。第一阶SIR的外接微带线端口31作为双阶SIR滤波器3的输入端，第二阶SIR的外接微带线端口31作为双阶SIR滤波器3的输出端。
双阶SIR滤波器可产生两个谐振频率，且均位于WLAN的工作频段(2.4GHz和5.2GHz)。主体部分采用两阶的阶跃阻抗谐振器(SIR)的形式，相比于均匀阻抗谐振器(UIR)，SIR可产生两个不同的谐振点，并且通过调整两端微带，即平行耦合馈线枝节32与第一SIR微带线33的特性阻抗比值和长度的比值，可以自由的改变两个谐振点的位置。
下面详细介绍SIR产生两个谐振频率的具体原理：
如图3所示为阶跃阻抗谐振器(SIR)的基本电路结构，其传输矩阵为：
其中，Z1,Z2分别为SIR的两端微带线的特性阻抗，θ1,θ2分别为SIR的两段微带线的电长度。因此从开路端看进去的输入导纳为：
当Yin＝0时，发生谐振，因此谐振条件为：
一般情况下取θ1＝θ2，此时有：
公式(5)为SIR的参数确定式，fSB1和f0即为SIR的两个谐振频率。
另外双阶SIR滤波器3的馈电方式采用耦合线馈电，终端开路的平行耦合馈线枝节32因自身传输特性，将会产生多个传输零点，从而可以优化滤波器带外抑制的功能，也能有效降低插入损耗。
能量从第一阶SIR的外接微带线端口31进入(本发明实施例中，其特性阻抗为50欧姆，微带线宽度为0.76mm)，功分到平行耦合馈线枝节32上，平行耦合馈线枝节32的宽度需要优化确定，之后再通过平行耦合馈线枝节32耦合进入第一SIR微带线33。SIR由两段不同特性阻抗的微带线组成，图3中第一SIR微带线33和第二SIR微带线34即为它的两段不同的微带线，通过改变第一SIR微带线33和第二SIR微带线34的特性阻抗的比值和长度的比值，可以调整谐振点的位置，而通过改变平行耦合馈线枝节32与第一SIR微带线33之间的耦合间距可以调节谐振点的深度。
本发明还提供了一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器制作方法，包括以下步骤：
S1、采用机械加工或者3D打印得到圆柱共形底座1。
S2、通过软件HFSS仿真优化得到共形结构的数据，并由公式(1)计算得到双阶SIR滤波器3的平面电路尺寸：
w＝r*cosθ (1)
式中w为平面电路对应的宽度参数，r为圆柱共形底座1的半径，θ为固定贴合后曲面电路的角度参数。
由于弯曲的电路图很难加工，因此大部分的共形器件都是采用先加工平面电路，之后再将平面电路贴合到曲面上来实现的。因为WLAN的两个工作频段，频率均较低，因此可忽略电路弯曲造成的性能影响。
同时对双阶SIR滤波器3平面电路和基板2进行设计和加工，得到固定于基板2上的双阶SIR滤波器3平面电路。
S3、通过螺钉将基板2固定贴合于圆柱共形底座1的共形曲面上，组成双频点圆柱共形滤波器，如图4所示。
利用软件HFSS对本发明提供的一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器进行仿真，仿真结果如图5所示，从图中可以看出，两个谐振点的中心频率分别为2.4GHz和5.2GHz，2.4GHz处插损为1.29dB，回波损耗大于27.8dB，-3dB相对带宽为2.5％；5.2GHz处插入损耗为0.7dB，回波损耗大于31dB，相对带宽为3.06％。
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)

1.一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，包括圆柱共形底座(1)、基板(2)以及双阶SIR滤波器(3)；所述双阶SIR滤波器(3)固定设置于基板(2)上，所述基板(2)固定贴合于圆柱共形底座(1)的共形曲面上。
2.根据权利要求1所述的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，所述圆柱共形底座(1)采用机械加工或者3D打印得到，底面半径为20mm。
3.根据权利要求1所述的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，所述基板(2)相对的两侧边各开设有一组螺孔(21)，用于通过螺钉将基板(2)固定于圆柱共形底座(1)的共形曲面上。
4.根据权利要求1所述的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，所述双阶SIR滤波器(3)包括第一阶SIR和第二阶SIR，两阶SIR结构相同且对称设置；每阶SIR均包括顺次连接的外接微带线端口(31)、平行耦合馈线枝节(32)、第一SIR微带线(33)以及第二SIR微带线(34)。
5.根据权利要求4所述的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，所述平行耦合馈线枝节(32)与第一SIR微带线(33)之间采用耦合连接的方式进行连接。
6.根据权利要求4所述的双频点圆柱共形滤波器，其特征在于，所述第一阶SIR的外接微带线端口(31)作为双阶SIR滤波器(3)的输入端，第二阶SIR的外接微带线端口(31)作为双阶SIR滤波器(3)的输出端。
7.一种应用于WLAN的双频点圆柱共形滤波器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用机械加工或者3D打印得到圆柱共形底座(1)；
S2、通过软件HFSS仿真优化得到共形电路的尺寸数据，并由特定公式计算得到双阶SIR滤波器(3)的平面电路尺寸，同时对双阶SIR滤波器(3)平面电路和基板(2)进行设计和加工；
S3、通过螺钉将基板(2)固定贴合于圆柱共形底座(1)的共形曲面上，组成双频点圆柱共形滤波器。
8.根据权利要求7所述的双频点圆柱共形滤波器制作方法，其特征在于，所述步骤S2中计算双阶SIR滤波器(3)平面电路尺寸的公式为：
w＝r*cosθ (1)
式中w为平面电路对应的宽度参数，r为圆柱共形底座(1)的半径，θ为固定贴合后曲面电路的角度参数。
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