CN107834134A

CN107834134A - 基于t型分支线结构的小型化差分滤波器

Info

Publication number: CN107834134A
Application number: CN201711021194.3A
Authority: CN
Inventors: 章庆; 张友俊; 张吉曜
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-03-23

Abstract

本发明公开了一种新型贴片的拓扑结构，即基于T型分支线结构的小型化差分滤波器，属于微波通信领域。此差分滤波器由四个T型谐振器和馈线输入输出组成。该T型分支线结构的差分滤波器主要采用一端短路T分支和开路T分支进行滤波器微带线结构设计；本发明利用互补对称网络分析差分滤波器，不仅是因为它的低损耗和无模式功率转换，还因为其任意四端口网络都可以被看成两端口差模信号和两端口共模信号；本发明采用抽头式的馈电方式，它有两大优点：第一，可减小插入损耗，降低外界因素对滤波器性能的影响，增强信号传输能力；第二，馈线和传输线构成阶跃阻抗谐振器，通过调节阻抗比可改善频率响应，有助于实现小型化的要求。

Description

基于T型分支线结构的小型化差分滤波器

技术领域

本发明涉及到微波通信领域，具体是涉及差分滤波器。

背景技术

在微波集成电路发展的道路上，滤波器的发展优化扮演着不可或缺的角色。基于此，这也要求滤波器朝着小型化、高阻带率、低损耗方向发展。衡量差分滤波器的指标主要是差模阻带和共模抑制，增大滤波器阻带的常见方法是采用阶跃阻抗谐振器，即SIR(Stepped Impedance Resonators)。然而，如果设置微带线的阻抗越小，则其宽度也越大，而且还容易产生表面波并激励出高阶模式，不利于电路实现及结果分析。

T型分支结构的简化理论分析由常凯等人利用ABCD矩阵得出，最初的想法是用T型分支结构来抑制带通/带阻滤波器的高次谐波，但其本身很少被用来产生通带。利用T型分支结构理论，相比以往滤波器结构的设计，其更加简单易行。另外，T型分支线的阻抗比可以根据设计要求进行灵活的改变，变为 SIR谐振器阻抗比的一半或两倍。因此，T型分支结构适用于等效阻抗比太多或太小的设计中。

由于差分滤波器对环境噪声具有很高的抗干扰能力，所以它在现代通信系统中受到越来越多的关注。设计差分滤波器的关键是不需要额外的平衡变换器，因此近年来差分带通滤波器成为了研究的热门，其主要研究重点包括阻带的展宽、共模抑制的提高、更宽的通带以及双通带、多通带特性等。

小型化、低插入损耗和高带外抑制是差分滤波器设计所关注的重点。基于T型分支线结构的差分滤波器，其尺寸小，插入损耗小，通带效果好，能很好满足要求；因此本发明是采用T型分支线结构设计的一种性能良好的小型化差分滤波器。

发明内容

本发明的主要目的是，提供了一种新型拓扑结构的小型化差分滤波器。

本发明提出了一种小型化差分滤波器的拓扑结构。由于对于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，而只能采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

我们采用HFSS13.0对提出的拓扑结构进行优化，将优化的结构制成样品，对样品进行测试，用实验的方法来证实该滤波器的拓扑结构。

本发明是一种基于T型分支线结构的小型化差分滤波器，采用的介电常数为2.65，介质厚度为1mm 的材质进行仿真优化。确定其整体尺寸为整体尺寸为25.84*18.37mm，满足小型化要求。通过Ansoft v10.0 的优化仿真设计，滤波器尺寸参数具体如下：L1＝5.9mm，L2＝3.27mm，L3＝4.17mm，L4＝2.4mm，L5＝7.9mm， L6＝4.5mm，L7＝0.62mm，W1＝1.24mm，W2＝0.14mm，W3＝2.8mm，W4＝1.24mm，G1＝0.15mm，G2＝0.2mm，S0＝0.25mm。

滤波器的各尺寸具体说明如下：

1.T型谐振器由内谐振器1和外谐振器2组成，内谐振器1由长为12.51mm，宽为1.24mm的支节和长为6.81mm,宽为0.14mm的支节组成。外谐振器2由长为12.44mm，宽为1.24mm的支节和长为9.62mm, 宽为0.14mm的支节组成。

2.内谐振器1位于中心对称面的位置添加两条短截线，短截线的长为0.62mm，宽为1.24mm。

3.四个输入输出端口3、4和端口3’、4’，它们的宽为2.8mm，馈线长度为4.5mm。

4.内谐振器1与外谐振器2的T型分支节之间的间距为0.15mm，内谐振器1的T型分支节与外谐振器的T型主分支之间的间距为0.2mm。

通过公式

转换成不同介电常数和介电厚度下的尺寸，其中ε_r为所采用微带基片的介电常数，h为所采用的微带基片的介电厚度，w为滤波器输入、输出端口的宽度，λ为波长，c为光速，f为中心频率；对于介电常数ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm，通过简单的计算，可以转化成其它介电常数和介电厚度下的不同尺寸，例如与介电ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm进行换算时，只需相应的乘以或者除以其中分别为对应计算出来的。

在本发明的具体实施例子中，所述T型谐振器和馈线材质均为铜箔。

T型分支结构的简化理论分析由常凯等人利用ABCD矩阵得出，利用T型分支结构理论，相比以往滤波器结构的设计更加简单易行。T型分支线的阻抗比可以根据设计要求灵活改变，变为SIR谐振器阻抗比的一半或两倍。因此，T型分支结构适用于等效阻抗比太多或太小的设计中。

从现有文献来看，已经研究出的差分滤波器的结构主要包括：T型结构、SIR型结构、耦合线结构、 DGS结构等。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的小型化差分滤波器的拓扑结构，它由四个T 型谐振器和馈线输入输出组成，此外，在内谐振器1的中心对称线处增加开路支节，此时也构成T型分支结构，可以实现良好的共模抑制。对所加工处的实物进行测量表明：所发明的滤波器整体性能较好，滤波器差模通带中心频率f₀为2.5GHz，阻带范围为3.1GHz(1.24f₀)-9.7GHz(3.88f₀)，-3dB相对带宽为14.7％ (2.2GHz-2.8GHz)，通带内最小插入损耗为0.47dB，差模响应在阻带4.1GHz(1.64f₀)-7.8GHz(3.12f₀) 范围内都能达到-30dB的带外抑制,且在小于7.1GHz(2.84f₀)的整个频率范围内都具有良好的共模抑制。

附图说明

图1是新型差分宽阻带滤波器正面示意图，其中1所指的是T型内谐振器，2所指的是T型内谐振器，1’ 和2’分别是对应的T型内、外谐振器。3、4、3’、4’所指的分别是四个输入输出端口，5所指的是两个T 型外谐振器之间的连接线，6所指的是两个T型内谐振器之间的连接线，7所指的是内谐振器中心对称面处的开路短截线；

图2是新型差分滤波器示意图以及各参数，其中L1是外谐振器2的部分长度，L2是外谐振器2的折叠长度，L3是内谐振器1的部分长度，L4是外谐振器2到馈线的长度，L5是相邻馈线之间的长度，L6是馈线长度，L7是开路短截线长度，W1是内谐振器1和外谐振器2的宽度，W2是连接两内谐振器1和连接两外谐振器2 之间的微带线的宽度，W3是馈线宽度，W4是开路短截线宽度，G1是内谐振器1的T型折叠部分和外谐振器2 的T型折叠部分之间的距离，G2是内谐振器1的T型折叠部分和外谐振器2的T型之间的距离，S0是T型谐振器与T型谐振器之间的耦合距离；

图3是新型小型化差分滤波器的差模电磁仿真与测试结果；

图4是新型小型化差分滤波器的共模电磁仿真与测试结果；

图5是不同的开路短截线长度对共模抑制的变化图；

表1是差分滤波器的微带线结构的尺寸；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图说明，对本发明做进一步阐述。

该滤波器包括：1.两个T型内谐振器和两个T型外谐振器；2.四个输入、输出端口；3.两条开路短截线。

由于基于T型分支线结构的小型化差分滤波器的设计仍有研究空间，图1为本发明一种新型的基于T 型分支线结构的小型化差分滤波器正面示意图；图2为基于T型分支线结构的小型化差分滤波器的微带线结构图；图3和图4分别为新型差分滤波器的差模电磁仿真与测试结果和共模电磁仿真与测试结果；

图5为新型小型化差分滤波器的不同短截线长度对共模抑制的影响图，本文分别选择L7＝0.4mm， L7＝0.62mm，L7＝1mm进行了比较，发现当L7的长度增大时，传输零点向低频偏移，共模抑制变弱。观察图形发现，其在L7＝0.62mm时共模抑制是最好的。

表1

本发明的主要创新点是将T型分支线运用到差分滤波器设计中，设计出一种性能良好的差分滤波器。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种基于T型分支线结构的小型化差分滤波器，微带基片的介电常数2.65，厚度为1mm，所述差分滤波器有四个输入输出端口，端口宽为2.8mm，馈线长度为4.5mm；其特征在于：

所述基于T型分支线结构的小型化差分滤波器包括由四个T型谐振器、两个输入端口、两个输出端口，以及馈线输入输出；四个T型谐振器的两个T型内谐振器通过连线连接，四个T型谐振器的两个T型外谐振器也通过连线连接，T型谐振器和它们的连线构成互补对称结构；

所述基于T型分支线结构的小型化差分滤波器关于中心对称面上下对称，当其中一对输入输出端口施加差模激励时，中心对称面等效为短路，相当于理想电壁；当其中另外一对输入输出端口施加共模激励，中心对称面等效为开路，相当于理想磁壁；

所述基于T型分支线结构的小型化差分滤波器在内谐振器中心对称面处增加两条开路支节，调节开路支节特性阻抗和长度可有效改善共模抑制特性；

所述基于T型分支线结构的小型化差分滤波器结构是平行互补型的，输入、输出端口采用四条50Ω微带线的馈线方式；

所述基于T型分支线结构的差分滤波器的贴片和馈线材质均为铜箔，对于其他的微带基片，介电常数ε_r和介质厚度h，通过公式

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转换成不同介电常数和介电厚度下的尺寸，其中ε_r为所采用微带基片的介电常数，h为所采用的微带基片的介电厚度，w为滤波器输入、输出端口的宽度，λ为波长，c为光速，f为中心频率。