CN107634293A - 一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，包括主传输线，所述主传输线包括微带长传输线和连接于微带长传输线两端的微带短传输线，两段微带短传输线及微带长传输线的中心线在一条直线上；由微带长传输线与微带短传输线连接处分别向远离微带长传输线的方向延伸形成四段与微带长传输线垂直且等长的微带细传输线，四段微带细传输线的末端各设置一个微带矩形开路支节，微带开路支节间加载微带交指结构。本发明采用在主传输线上加载微带开路支节和微带细传输线组成的串联谐振电路的形式，并且在微带开路支节间加载微带交指结构，这种结构具有两个传输零点，这两个传输零点使得滤波器具有较好的带外抑制和阻带特性。

Description

一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器。

背景技术

微波滤波器是无线通信中的一种重要器件，具有抑制干扰信号的作用。低通滤波器是使低频带内的信号通过,而对频带以外的信号进行抑制的重要功能器件。

在微带低通滤波器设计中常采用阶梯阻抗传输线结构,其设计流程为先选定原型滤波器和阶数，将低通原型滤波器归一化集总元件值进行频率变换和阻抗变换，得到实际的集总元件值。再通过Richards变换和Kuroda法则，将集总元件全部转换为八分之一波长的传输线来实现。通过调节高阻抗线和低阻抗线之间的阻抗比来实现滤波的功能。在介质基板确定的情况下,微带线的阻抗主要取决于其线宽。由于工艺水平的限制,微带线的宽度不能过小,否则不能加工实现。因此,采用这种方法设计低通滤波器有一定的局限性。同时，在设计过程中采用的Richards变换和Kuroda法则引入了八分之一的传输线，存在滤波器电路尺寸过大的问题，不利于滤波器的小型化。另外，阻带内的传输零点不能进行频点的调节。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，包括主传输线，所述主传输线包括微带长传输线5和连接于微带长传输线5两端的微带短传输线2，两段微带短传输线2及微带长传输线5的中心线在一条直线上；由微带长传输线5与微带短传输线2连接处分别向远离微带长传输线的方向延伸形成四段与微带长传输线垂直且等长的微带细传输线3，四段微带细传输线3的末端各设置一个微带矩形开路支节4，微带矩形开路支节4的长边与该微带矩形开路支节连接的微带细传输线的内侧边齐平；每个微带矩形开路支节4由与该微带矩形开路支节4连接的微带细传输线的内侧边向远离与该微带矩形开路支节相对设置的微带矩形开路支节的方向延伸形成。

进一步，两相对设置的微带矩形开路支节之间设置有一微带交指结构7，各微带交指结构的两端连接于微带矩形开路支节上。

进一步，所述微带长传输线与微带短传输线为折叠式传输线。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明采用在主传输线上加载微带开路支节和微带细传输线组成的串联谐振电路的形式，这种结构能够在阻带内引入一个传输零点，并且在微带开路支节间加载微带交指结构，形成并联谐振电路，能够在阻带内再引入另一个传输零点。这两个传输零点使得滤波器具有较好的带外抑制和阻带特性。另一方面，该形式的低通滤波器在主传输线上采用折叠传输线，而在主传输线上加载微带开路支节的形式，而矩形开路支节可等效为并联电容，折叠传输线可等效为串联电感，能使电路具有慢波效应，有助于减小电路尺寸，实现低通滤波器的小型化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器的结构示意图；

图2是本发明一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器的等效电路示意图；

图3是5阶低通原型滤波器的等效电路示意图；

图4是本发明一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器具体实施例样品的结构尺寸标注图；

图5是本发明一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器具体实施例样品的仿真和测试的S参数曲线图；

图6是传统的阶梯阻抗传输线低通滤波器的结构示意图；

图7是本发明的具体实施例样品与传统的阶梯阻抗传输线低通滤波器的S参数曲线对比图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，包括介质板8，介质板的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属地。金属微带部分包括主传输线，所述主传输线包括微带长传输线5和连接于微带长传输线5两端的微带短传输线2，两段微带短传输线2及微带长传输线5的中心线在一条直线上；由微带长传输线5与微带短传输线2连接处分别向远离微带长传输线的方向延伸形成四段与微带长传输线垂直且等长的微带细传输线3，四段微带细传输线3的末端各设置一个微带矩形开路支节4，微带矩形开路支节4的长边与该微带矩形开路支节连接的微带细传输线的内侧边(两微带细传输线靠得最近的两条边)齐平；每个微带矩形开路支节4由与该微带矩形开路支节4连接的微带细传输线的内侧边向远离与该微带矩形开路支节相对设置的微带矩形开路支节的方向延伸形成。两相对设置的微带矩形开路支节之间设置有一微带交指结构7，各微带交指结构的两端连接于微带矩形开路支节上。所述微带长传输线与微带短传输线为折叠式传输线。

本发明还包括信号输入端口1和信号输出端口6，信号输入端口1与其中的一条微带短传输线2连接，信号输出端口6与另一条微带短传输线2连接。信号输入端口1、信号输出端口6、和两段微带短传输线2及一段微带长传输线5的中心线在一条直线上。

由于微带长传输线与微带短传输线为折叠式传输线，后文以微带长折叠传输线和微带短折叠传输线进行描述。

本发明提供的微带低通滤波器的等效电路如图2中所示，其中C_pt表示微带矩形开路支节4的等效电容，L_p表示微带细传输线3的等效电感。L_d1表示微带短折叠传输线2的等效电感，L_d2表示微带长折叠传输线5的等效电感。C_l1为微带短折叠传输线2的等效寄生电容，由于电容值较小可以忽略。C_l2为微带短折叠传输线2和微带长折叠传输线5共同作用的等效寄生电容。

图3为5阶低通原型滤波器等效电路，其电路元件值为将低通原型滤波器的归一化集总元件值进行频率变换和阻抗变换而得。从本发明提供的微波低通滤波器等效电路图2可见，此微波低通滤波器的等效电路，与图3中的5阶低通滤波器元件值之间应满足以下关系：

L₁＝L_d1

L₅＝L_d1

微带矩形开路支节4与微带细传输线3的连接，加上微带交指结构7的寄生电容，等效于电容C_pt与C_p并联，再和电感L_p串联的组成的串联谐振电路。其串联谐振电路的谐振频率点即为微带低通滤波器的一个传输零点所在的频点。串联谐振电路的谐振频率点的计算公式为：

两个微带交指结构7与微带长折叠传输线5，等效于两个电容C_ic与L_d2并联，组成的并联谐振电路。其并联谐振电路的谐振频率点即为微带低通滤波器的另一个传输零点所在的频点。并联谐振电路的谐振频率点的计算公式为：

通过调整微带矩形开路支节4的长度、宽度，微带细传输线3的长度、宽度，微带交指结构7的交指个数、交指长度、交指宽度、交指间距，可以改变串联谐振电路的谐振频点，从而改变微带低通滤波器的产生的第一个传输零点对应的频率点。通过调整微带长折叠传输线5的长度、宽度，微带交指结构7的交指个数、交指长度、交指宽度、交指间距，可以改变并联谐振电路的谐振频点，从而改变微带低通滤波器产生的第二个传输零点对应的频率点。

本发明的一种具有两个可控传输零点的小型化微带低通滤波器，通过将5阶低通原型滤波器的集总元件直接用微带结构实现的方式，而不采用Richards变换和Kuroda法则引入八分之一的传输线。同时，滤波器结构中的串联谐振电路和并联谐振电路在阻带内引入了两个可控的传输零点。该滤波器解决了现有技术中低通滤波器加工困难、尺寸偏大、阻带内传输零点不能进行频点调节等问题。

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

该实施例为3dB截止频率为1.8GHz的微带低通滤波器。把整个微带低通滤波器结构制作在国产聚四氟乙烯介质基片上，基片相对介电常数2.65，基片厚度1mm。采用的原型低通滤波器为0.5dB波纹的契比雪夫滤波器。微波低通滤波器电路尺寸为18.4mm×15.4mm，具体尺寸标注如图4中所示，具体电路各部分尺寸如表1中所示。

表1微带滤波器样品各部分参数(单位：mm)

通过仿真软件IE3D进行参数提取可得，微带滤波器样品的等效电路元件值，如表2中所示。微带矩形开路支节4的等效电容C_pt＝0.77pF,微带交指结构7的等效寄生电容C_p＝0.14pF，微带细传输线3等效电感L_p＝0.92nH,可计算出微带矩形开路支节4的等效电容、微带交指结构7的寄生电容与微带细传输线3等效电感组成的谐振电路的谐振频率为5.5GHz。两个微带交指结构7的等效电容分为C_ic1＝0.55pF，微带长折叠传输线5等效电感L_d2＝4.35nH,可计算出微带交指结构7等效电容、微带长折叠传输线5等效电感组成的谐振电路的谐振频率为2.3GHz。

表2微带滤波器样品的等效电路元件值

该滤波器的S参数曲线如图5中所示，图中|S₁₁|表示滤波器反射系数的模值，|S₂₁|表示滤波器传输系数的模值。从图中可见，微带低通滤波器在2.3GHz,5.5GHz处各有一个传输零点，证实了滤波器的一个传输零点可由微带矩形开路支节4与微带细传输线3，及微带交指结构7的寄生电容组成的谐振电路的谐振频率点决定，另一个传输零点由微带交指结构7与长折叠传输线5组成的谐振电路的谐振频率点决定。

从S参数曲线图可以看出，在0～1.5GHz通带范围内，传输系数的模值|S₂₁|大于-0.4dB，反射系数的模值|S₁₁|小于-18.8dB，3dB截止频率为1.8GHz。在2.3GHz时，阻带内衰减达到了45.0dB，在5.5GHz时，阻带内衰减达到57.0dB。本实施例低通滤波器具有良好的低通滤波特性。

如图6所示，在与实施例样品采用同样的介质基板，同样截止频率，且原型电路同样是0.5dB波纹的契比雪夫低通滤波器的情况下，传统的阶梯阻抗传输线结构低通滤波器电路尺寸为91mm×14.8mm。可见，本发明的实施例样品微带低通滤波器尺寸能减少约80％的尺寸。阶梯阻抗传输线滤波器和实施例样品的仿真S参数曲线对比图，如图7中所示，实施例样品阻带范围2GHz～8GHz，阶梯阻抗传输线滤波器阻带范围为2GHz～4.4GHz，可见实施例样品阻带带宽更宽，阻带性能更好。并且实施例样品的两个传输零点所在频点可以调节。

滤波器各部分的设计参数直接影响和最终决定滤波器的总体效果和性能。为了满足工程应用中的需要,通过改变矩形开路支节4的长度和宽度,微带细传输线3的长度和宽带，微带长折叠传输线5的长度、宽度，微带交指结构7的交指个数、交指宽度、交指长度、交指间距，可以实现滤波器的阻带内两个传输零点频率的改变。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，其特征在于：包括主传输线，所述主传输线包括微带长传输线(5)和连接于微带长传输线(5)两端的微带短传输线(2)，两段微带短传输线(2)及微带长传输线(5)的中心线在一条直线上；由微带长传输线(5)与微带短传输线(2)连接处分别向远离微带长传输线的方向延伸形成四段与微带长传输线垂直且等长的微带细传输线(3)，四段微带细传输线(3)的末端各设置一个微带矩形开路支节(4)，微带矩形开路支节(4)的长边与该微带矩形开路支节连接的微带细传输线的内侧边齐平；每个微带矩形开路支节(4)由与该微带矩形开路支节(4)连接的微带细传输线的内侧边向远离与该微带矩形开路支节相对设置的微带矩形开路支节的方向延伸形成。

2.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，其特征在于：两相对设置的微带矩形开路支节之间设置有一微带交指结构(7)，各微带交指结构的两端连接于微带矩形开路支节上。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有两个传输零点的小型化微带低通滤波器，其特征在于：所述微带长传输线与微带短传输线为折叠式传输线。