CN107425250A - 一种平面宽阻带双频滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面宽阻带双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，介质基板的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和port2、第一端口馈线、第二端口馈线、第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3；上述谐振器均位于第一、第二端口馈线之间；第一谐振器R1与第三谐振器R3结构相同并且阻抗处处相等，关于第二谐振器R2镜面放置；上述谐振器均是枝节加载谐振器，分别由一个二分之一波长谐振器和一个加载开路枝节组成。该发明通过采用两组不同的谐振器来获得双频滤波器的方法，利用对称枝节加载谐振器，实现双频特性，并克服谐波和杂波信号干扰，获得较宽阻带。

Description

一种平面宽阻带双频滤波器

技术领域

本发明涉及平面微带滤波器的技术领域，具体涉及一种基于枝节加载谐振器的平面宽阻带双频滤波器。

背景技术

无线通信技术迅猛发展，各频段之间的划分越来越精细，因此带来的各通信频段之间的干扰现象也越来越严重，所以带通滤波器的性能决定了通信系统的工作质量。在带通滤波器是指允许特定频段的波通过，同时屏蔽其他频段，其主要工作于信号发射端的前级和信号接收端的后级，用于抑制谐波与杂波信号，保证所需信号的纯正。目前带通滤波器中主要有单频滤波器和双频滤波器的研究。单频滤波器已越来越显示出它的局限性，而为了充分利用现有频谱和基础设备资源，在通信系统中设置多个能同时工作的频段，有效途径之一就是研究和开发高性能的双频滤波器。

近些年来对于双频滤波器的研究不仅仅在性能上有很大的突破，在尺寸方面也在不断的进步。传统的方法获得双频滤波器是通过并联两组单频谐振器，但往往其突出问题在于结构复杂，体积大。为了设计出体积小、带内损耗小、滚降快、超宽阻带的性能良好的双频滤波器，学者们提出了许多新型的谐振器结构。其中不乏有较好性能的展现：使用两个扰动环谐振器来获得双模双通带响应；或者引入缺陷地结构来获得传输零点，从而获得对寄生通带强度的较高抑制，来获得较好的滤波器性能。然而，这些措施在阻带的抑制特性上有待提高。

2016年1月，吴永乐等人申请了题目为《一种频带独立可调的平面双频滤波器》的专利。该专利发明设计的双频滤波器，其金属微带线置于介质板上，以平行或垂直的方式排布，背面金属接地。该专利使用耦合微带线和枝节实现双频效应；使用可调电容，实现双频滤波器的两个频带独立可调；电路结构紧凑简单；在双频段内获得较好的隔离效果、较小的插入损耗；但阻带特性一般。如图(一种频带独立可调的平面双频滤波器)所示。

2013年9月，尉旭波等人申请了题目为《双频带滤波器》的专利。该专利提出的双频滤波器由两个呈轴对称分布的双频谐振器级联而成，整体包括设有接地通孔的介质基片、位于介质基片上表面的主线路和位于介质基片下表面的金属地板。该双频滤波器引入四个传输零点，可以提供滤波器的频率选择特性和频带间的隔离特性；使用对称结构可以使得结构变得简单、体积减小。如图(双频带滤波器)所示。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种宽阻带双频滤波器，通过采用两组不同的谐振器来获得双频滤波器的方法，利用对称枝节加载谐振器，实现双频特性，并克服谐波和杂波信号干扰，获得较宽阻带，另外，通过对微带线进行版图设计，实现性能优化的前提下获得较小体积。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种平面宽阻带双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一端口馈线18，第二端口馈线19、第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3，该介质基板的另一面为接地板；

所述馈线端口port1与所述第一端口馈线18垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号；同理，所述馈线端口port2与所述第二端口馈线19垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号；

所述第一谐振器R1、所述第二谐振器R2、所述第三谐振器R3位于所述第一端口馈线18与所述第二端口馈线19之间；所述第一谐振器R1与所述第三谐振器R3结构相同并且阻抗处处相等，关于所述第二谐振器R2镜面放置；

所述第一谐振器R1、所述第二谐振器R2、所述第三谐振器R3均是枝节加载谐振器，分别由一个二分之一波长谐振器和一个加载开路枝节组成。

进一步地，所述第一端口馈线18与所述第一谐振器R1之间存在耦合间隙，所述馈线端口port1与所述第一端口馈线18通过耦合间隙对所述第一谐振器R1进行馈电；所述第二端口馈线19与所述第三谐振器R3之间存在耦合间隙，所述馈线端口port2与所述第二端口馈线19通过耦合间隙对所述第三谐振器R3进行馈电。

进一步地，所述第一谐振器R1包括第一二分之一波长谐振器和第一加载开路枝节3，所述第一二分之一波长谐振器由第一传输线1、第二传输线2、第三传输线4、第四传输线5弯折连接组成，所述第一加载开路枝节3设置在所述第一二分之一波长谐振器的中间，所述第一二分之一波长谐振器关于所述第一加载开路枝节3对称。

进一步地，所述第二谐振器R2包括第二二分之一波长谐振器和第二加载开路枝节17，所述第二二分之一波长谐振器由第五传输线11、第六传输线12、第七传输线13、第八传输线14、第九传输线15、第十传输线16弯折连接组成，所述第二加载开路枝节17设置在所述第二二分之一波长谐振器的中间，所述第二二分之一波长谐振器关于所述第二加载开路枝节17对称。

进一步地，所述第三谐振器R3包括第三二分之一波长谐振器和第三加载开路枝节8，所述第三二分之一波长谐振器由第十一传输线6、第十二传输线7、第十三传输线9、第十四传输线10弯折连接组成，所述第三加载开路枝节8设置在所述第三二分之一波长谐振器的中间，所述第三二分之一波长谐振器关于所述第三加载开路枝节8对称。

进一步地，所述第二加载开路枝节17的阻抗与所述第二二分之一波长谐振器的阻抗不相等。

进一步地，所述第一加载开路枝节3的阻抗与所述第一二分之一波长谐振器的阻抗相等。

进一步地，所述第三加载开路枝节8的阻抗与所述第三二分之一波长谐振器的阻抗相等。

本发明中提出的滤波器只利用对称枝节加载谐振器获得双频特性，该新型的平面宽阻带双频滤波器通过调整高、低阻抗线的阻抗比，电长度比和电磁耦合强度，即可对中心频率和滤波器带宽进行控制。微带线多处弯折，并且合理分布在二维空间内，实现体积小型化的目标。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用对称枝节加载谐振器，实现双频特性。

2、本发明提出的双频滤波器具有较小谐波和杂波信号干扰，及较宽阻带。

3、本发明设计简单，体积小，成本低，可适用于多种通信系统。

附图说明

图1是现有技术1中公开的一种双频滤波器的结构示意图；

图2是现有技术2中公开的一种双频滤波器的结构示意图；

图3是本发明提出的宽阻带双频滤波器的结构示意图；

图4是本发明提出的宽阻带双频滤波器的散射参数仿真结果图；

图5是图4的局部放大图；

其中，1--第一传输线，2--第二传输线，3--第一加载开路枝节，4--第三传输线，5--第四传输线，6--第十一传输线，7--第十二传输线，8--第三加载开路枝节，9--第十三传输线，10--第十四传输线，11--第五传输线，12--第六传输线，13--第七传输线，14--第八传输线，15--第九传输线，16--第十传输线，17--第二加载开路枝节，18--第一端口馈线，19--第二端口馈线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开的平面宽阻带双频滤波器结构如图3所示，以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带板上，微带板的另外一面是覆铜接地板。将微带线制作于双面覆铜板的其中一面上，分别有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3。各谐振器均是枝节加载谐振器，由一个二分之一波长谐振器和一个加载开路枝节组成。

其中，所述馈线端口port1，所述馈线端口port2、所述第一谐振器R1、所述第二谐振器R2、所述第三谐振器R3位于同一条水平线上。

所述馈线端口port1与第一端口馈线18垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号；同理，所述馈线端口port2与第二端口馈线19垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号。所述馈线端口port1与所述第一端口馈线18通过耦合间隙对所述第一谐振器R1进行馈电。

第一谐振器R1包括第一二分之一波长谐振器和第一加载开路枝节3，第一二分之一波长谐振器由第一传输线1、第二传输线2、第三传输线4、第四传输线5弯折连接组成。将上述传输线弯折是为了减小整体滤波器的大小。所述第一加载开路枝节3设置在第一二分之一波长谐振器的中间，因此，所述第一谐振器R1关于所述第一加载开路枝节3对称。对称的谐振器可以运用奇偶模法来分析。在奇模等效电路中，可得到cot(θ₁)＝0；在偶模等效电路中，可得到2Y₁tan(θ₁)+Y₂tan(θ₂)＝0。在这里，θ₁和θ₂分别为二分之一波长谐振器的电长度的一半和加载枝节的电长度；Y₁和Y₂分别为所述二分之一波长谐振器的导纳和加载枝节的导纳。由于第一谐振器R1的阻抗一定，因此，所需要的谐振频率要通过调整其电长度来获得。第一个谐振频率3.5GHz由θ₁决定，且不随θ₂的改变而改变；第二个谐振频率5.25GHz由其二者共同决定。在此基础上，将二分之一谐振器弯折的另一个目的是利用终端枝节与馈线的耦合，来产生传输零点。当第一端口馈线18将信号耦合到所述第一谐振器R1时，第一端口馈线18与所述第一谐振器R1的耦合长度，会产生额外的传输零点，运用这一特性进一步优化滤波器阻带特性。

第一谐振器R1通过耦合间隙对第二谐振器R2进行馈电。同理，第二谐振器R2包括第二二分之一波长谐振器和第二加载开路枝节17，所述第二二分之一波长谐振器由第五传输线11、第六传输线12、第七传输线13、第八传输线14、第九传输线15、第十传输线16弯折连接组成。将上述传输线弯折是为了减小整体滤波器的大小。所述第二加载开路枝节17设置在第二二分之一波长谐振器的中间，因此，所述第二二分之一波长谐振器关于所述第二加载开路枝节17对称。

由图3可知，第二加载开路枝节17的阻抗与第二二分之一波长谐振器的阻抗不相等。但与第一谐振器R1相同的是，第二加载开路枝节17放置于二分之一谐振器的中间，因此仍然可以用奇偶模法去分析。通过分析，可将第二谐振器R2的前两个谐振频率调成与第一谐振器R1一致，但高次模谐振频率不一致。这一点通过第二谐振器R2的第二加载开路枝节17的阻抗与第二二分之一谐振器的阻抗不一致来获得，因此这里有两个影响因素，一个是阻抗比，另一个是电长度比，调整这两个参数使其高次模与所述第一谐振器R1的高次模错开。

第二谐振器R2通过耦合间隙对第三谐振器R3进行馈电。同理，第三谐振器R3包括第三二分之一波长谐振器和第三加载开路枝节8，第三二分之一波长谐振器由第十一传输线6、第十二传输线7、第十三传输线9、第十四传输线10弯折连接组成。将上述传输线弯折是为了减小整体滤波器的大小。所述第三加载开路枝节8设置在第三二分之一波长谐振器的中间，因此，所述第三二分之一波长谐振器关于所述第三加载开路枝节8对称。

上述第三谐振器R3与第一谐振器R1为一样但放置位置不同的谐振器。因此通过调整第三谐振器R3电长度的比值，即可得到需要的谐振频率，该谐振频率与第一谐振器R1的谐振频率相等。用这种方法得到的滤波器有一个非常大的好处就是，当高次模在阻带错开时，阻带宽度变宽。同理，阻带变宽还远远不够，还需要将第三谐振器R3的二分之一谐振器弯折，通过与端口馈线的耦合来进一步提高阻带抑制度。

第三谐振器R3通过耦合间隙对第二端口馈线19进行馈电，信号从馈线端口port2馈出，完成信号传输。上述第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3关于它们之间的中轴线对称，且第一谐振器R1与第三谐振器R3结构相同的，关于第二谐振器R2镜面放置，且其阻抗处处相等。

枝节加载谐振器为本设计增加了自由度，且对称枝节加载谐振器的中心枝节的长度与宽度对第二通带的影响较大，对第一通带几乎没有影响，此时可实现独立可调的目的。调整中间的对称枝节加载谐振器的中心枝节的宽度，其宽度越小，第二通带的传输损耗越下降，传输效率越高，但其宽度不能无限小，因为加工精度不够高，并且需要和其他因素结合起来调整。

为实现宽阻带，本发明通过以下两种方法获得：

一是调整三个对称枝节加载谐振器参数，使得这三个谐振器的第一谐振器R1和第三谐振器R3的谐振频率一致，形成通带的前提下，第二谐振器R2的高次谐振频率不同。这种错开高次谐振频率的做法可以使得这三个对称枝节加载谐振器贡献的模不在同一个地方，因此不能组合形成通带，使得滤波器阻带变宽。

二是引入传输零点。通过改变端口馈线的位置，可以得到传输零点，从而抑制阻带。从图5可以看出，在两个通带之间的位置有两个传输零点，第一个传输零点可以提高第一通带的通带与右侧阻带的选择性，同理，第二个传输零点可以提高第二通带的通带与左侧阻带的选择性，使得两个通带独立工作，相互干扰较小，获得两个相对较纯的通带传输。在第二通带的右侧阻带部分，同样也引入了传输零点来抑制阻带。

本发明使用三维仿真软件ZELAND IE3D对双频滤波器进行仿真，在图3的结构示意图中，各传输线的的尺寸参数为：

L₁＝L₆＝8.5，L₂＝L₇＝5.70，L₃＝L₉＝7.71，L₄＝L₁₀＝10.4，L₅＝2.6,L₁₁＝2.30，L₁₂＝4.99，L₁₃＝6.82，L₁₇＝8.67,L₁₈＝L₁₉＝10.27,

W₁＝W₂＝W₃＝W₄＝W₅＝W₆＝W₇＝W₈＝W₉＝W₁₀＝W₁₁＝W₁₂＝W₁₃＝W₁₄＝W₁₅＝W₁₆＝1，W₁₇＝0.2(单位均为：mm)。

图4是本发明提出的双频滤波器的散射参数仿真结果图。横轴表示本发明中双频滤波器的信号频率，纵轴表示幅度，包括回波损耗S11的幅度和插入损耗S21的幅度，其中S11表示馈入线端口的回波损耗，S21表示本发明中双频滤波器输入信号频率与输出信号频率的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20*log|S21|。在本发明的双频滤波器的信号传输过程中，信号的部分功率被反射回信号源，被反射的功率成为反射功率。回波损耗表示该端口信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系,其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率(dB)＝20*log|S₁₁|。从图中可以看出，当信号从馈入端馈入时，仅中心频率为3.50GHz和中心频率为5.25GHz的信号可以从馈出端馈出，且通带内的插入损耗较小，回波损耗均降至21dB以下,说明此时驻波小，传输效率高。阻带中，在小于20GHz的范围内，插入损耗降至30dB以下，说明滤波器滤除杂波的能力大，传输的信号受到的干扰程度低。

图5是图4的局部放大图。从图中可以看出，本发明中的双频滤波器中心频率为3.50GHz和5.25GHz，通带内插入损耗绝对值小于1.7dB,回波损耗绝对值超过21dB，通带特性好。本发明最大的突破在于阻带特性，在保持宽阻带的同时，将阻带抑制降至30dB以下，大大提升了滤波器的性能。

综上所述，本发明提出了一种平面宽阻带双频滤波器，它由多个枝节加载谐振器组成，每个通带特性均独立可调。又通过调整谐振器参数，使得其前两个谐振频率一致，获得双频特性；通过错开不同枝节加载谐振器的高次谐振频率和引入传输零点来抑制高次谐波，从而获得较宽阻带。因此，本发明具有以下优点：结构对称简单，体积小，双频带通带损耗低，阻带宽，且抑制程度高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种平面宽阻带双频滤波器，以印刷电路板的方式制作在介质基板上，其特征在于：所述介质基板的同一面上分别制作有用于输入或者输出电磁波信号的馈线端口port1和馈线端口port2、第一端口馈线(18)、第二端口馈线(19)、第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3，该介质基板的另一面为接地板；

所述馈线端口port1与所述第一端口馈线(18)垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号；同理，所述馈线端口port2与所述第二端口馈线(19)垂直连接，用于馈入或者馈出电磁波信号；

所述第一谐振器R1、所述第二谐振器R2、所述第三谐振器R3位于所述第一端口馈线(18)与所述第二端口馈线(19)之间；所述第一谐振器R1与所述第三谐振器R3结构相同并且阻抗处处相等，关于所述第二谐振器R2镜面放置；

所述第一谐振器R1、所述第二谐振器R2、所述第三谐振器R3均是枝节加载谐振器，分别由一个二分之一波长谐振器和一个加载开路枝节组成。

2.根据权利要求1所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第一端口馈线(18)与所述第一谐振器R1之间存在耦合间隙，所述馈线端口port1与所述第一端口馈线(18)通过耦合间隙对所述第一谐振器R1进行馈电；所述第二端口馈线(19)与所述第三谐振器R3之间存在耦合间隙，所述馈线端口port2与所述第二端口馈线(19)通过耦合间隙对所述第三谐振器R3进行馈电。

3.根据权利要求1所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第一谐振器R1包括第一二分之一波长谐振器和第一加载开路枝节(3)，所述第一二分之一波长谐振器由第一传输线(1)、第二传输线(2)、第三传输线(4)、第四传输线(5)弯折连接组成，所述第一加载开路枝节(3)设置在所述第一二分之一波长谐振器的中间，所述第一二分之一波长谐振器关于所述第一加载开路枝节(3)对称。

4.根据权利要求1所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第二谐振器R2包括第二二分之一波长谐振器和第二加载开路枝节(17)，所述第二二分之一波长谐振器由第五传输线(11)、第六传输线(12)、第七传输线(13)、第八传输线(14)、第九传输线(15)、第十传输线(16)弯折连接组成，所述第二加载开路枝节(17)设置在所述第二二分之一波长谐振器的中间，所述第二二分之一波长谐振器关于所述第二加载开路枝节(17)对称。

5.根据权利要求1所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第三谐振器R3包括第三二分之一波长谐振器和第三加载开路枝节(8)，所述第三二分之一波长谐振器由第十一传输线(6)、第十二传输线(7)、第十三传输线(9)、第十四传输线(10)弯折连接组成，所述第三加载开路枝节(8)设置在所述第三二分之一波长谐振器的中间，所述第三二分之一波长谐振器关于所述第三加载开路枝节(8)对称。

6.根据权利要求4所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第二加载开路枝节(17)的阻抗与所述第二二分之一波长谐振器的阻抗不相等。

7.根据权利要求3所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第一加载开路枝节(3)的阻抗与所述第一二分之一波长谐振器的阻抗相等。

8.根据权利要求5所述的一种平面宽阻带双频滤波器，其特征在于，所述第三加载开路枝节(8)的阻抗与所述第三二分之一波长谐振器的阻抗相等。