CN107895829B - 一种具有三阶准椭圆带通频率响应的微带滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微带滤波器，其特征在于：输入馈线(1)通过第一平行耦合线节(2)连接到第一传输线节(3)；第一传输线节(3)与第二传输线节(4)相连，第二传输线节(4)连接到第三传输线节(5)的中间，第三传输线节(5)两端与第四传输线节(6)的两端进行缝隙耦合，并在中间连接第五传输线节(7)；同时，第一传输线节(3)连接到第二平行耦合线节(8)，第二平行耦合线节(8)再连接到输出馈线(9)，构成本发明所述的微带滤波器。该微带滤波器能够实现三阶准椭圆带通频率响应，具有高性能、小尺寸和设计过程简单等优点。

Description

一种具有三阶准椭圆带通频率响应的微带滤波器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种带通滤波器。
背景技术
滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、回波损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等。按照频率响应的类型来划分，可以分为椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器、高斯滤波器、广义切比雪夫滤波器和逆广义切比雪夫滤波器等。对于模拟滤波器而言，分为集总参数模拟滤波器和分布参数模拟滤波器。在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。在这些频段内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带线滤波器等传输线滤波器。其中，微带滤波器具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线滤波器。此外，随着现代通信的快速发展,WCDMA、WLANs等无线通信新技术不断涌现。由于这些无线通信技术均聚集在射频及微波频段的低频段,这使得频谱资源特别拥挤。因此，进一步探索具有小尺寸、良好频率选择性及较好带外抑制的新型微带滤波器结构具有极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有微带滤波器的频率选择性较差、尺寸较大等不足，提供了一种新型的微带滤波器，能够实现三阶准椭圆带通频率响应，具有高性能、小尺寸和容易设计等优点。
典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的微带滤波器的结构如图2所示，俯视图如图3所示。为了实现本发明所述的微带滤波器，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(I)内刻蚀如图3所示的图案。其特征在于：输入馈线(1)通过第一平行耦合线节(2)连接到第一传输线节(3)；第一传输线节(3)与第二传输线节(4)相连，第二传输线节(4)连接到第三传输线节(5)的中间，第三传输线节(5)两端与第四传输线节(6)的两端进行缝隙耦合，并在中间连接第五传输线节(7)；同时，第一传输线节(3)连接到第二平行耦合线节(8)，第二平行耦合线节(8)再连接到输出馈线(9)，构成本发明所述的微带滤波器。
如图3所示的微带滤波器中，电气参数如下：输入馈线(1)的阻抗为Z1；第一平行耦合线节(2)的偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2；第一传输线节(3)的阻抗为Z3，电长度为θ3；第二传输线节(4)的阻抗为Z4，电长度为θ4；第三传输线节(5)的阻抗为Z5，电长度为θ5；第四传输线节(6)的阻抗为Z6，电长度为θ6；第五传输线节(7)的阻抗为Z7，电长度为θ7；第二平行耦合线节(8)的偶模阻抗为Z8e，奇模阻抗为Z8o，电长度为θ8；输出馈线(9)的阻抗为Z9。
该微带滤波器可以用图4中的集总参数等效电路来等效，其中VS是信号源，RS是信号源内阻，RL是负载阻抗，K1和K2是阻抗倒置器，L1、L2、L31和L4是电感，C1、C11′、C12′、C22′和C4是电容。微带滤波器的电气参数与集总参数等效电路的元件之间，由下面的等效关系公式来描述：
Figure BDA0001498364780000021
Figure BDA0001498364780000022
Figure BDA0001498364780000023
Figure BDA0001498364780000025
Figure BDA0001498364780000026
Figure BDA0001498364780000029
其中，ω0是带通频率响应的中心角频率，即ω0＝2πf0，f0带通频率响应的中心频率。
本发明所述的微带滤波器的设计步骤如下：第一步，根据微带滤波器所要实现的技术指标，例如通带位置、带内回波损耗、传输零点位置等，先确定图4中的集总参数等效电路的各个元件值；第二步，使用等效关系公式(1)到(10)，由集总参数等效电路的各个元件值计算得到微带滤波器的电气参数；第三步，根据电气参数计算得到微带滤波器的结构参数，再通过优化调整结构参数，使微带滤波器性能满足技术指标的要求。
本发明所述的微带滤波器的有益效果是：在通带两边各有一个传输零点，极大改善了频率选择性；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。
附图说明
图1：微带线结构示意图；
图2：微带滤波器示意图；
图3：微带滤波器俯视图；
图4：微带滤波器的集总参数等效电路图；
图5：理想的三阶椭圆带通频率响应图；
图6：微带滤波器的结构参数标注示意图；
图7：基于计算得到的结构参数对微带滤波器仿真的频率响应图；
图8：基于优化得到的结构参数对微带滤波器仿真和加工测试的频率响应图。
具体实施方式
为了体现本发明的创造性和新颖性，下面深入分析该微带滤波器的物理机制。在分析过程中，将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。不失一般性，用本发明所述的微带滤波器实现一个带通频率响应，中心频率为2.51GHz，相对带宽为36％，带内回波损耗大于20dB。输入和输出馈线的阻抗设定为50Ω。理想的频率响应如图5所示，是一个三阶椭圆带通频率响应。
根据如前所述的微带滤波器的设计步骤，第一步是根据技术指标确定图4中的集总参数等效电路的各个元件值。在本实施例中，根据技术指标得到：K1＝K2＝43Ω、L1＝L4＝4.9722nH、C1＝C4＝0.8086pF、L2＝0.9213nH、L31＝3.1544nH、C11’＝1.0235pF、C22’＝1.1585pF和C12’＝0.0939pF。
第二步，使用等效关系公式(1)到(10)，由集总参数等效电路的各个元件值计算得到微带滤波器的电气参数。通过计算可得，输入馈线(1)的阻抗为Z1＝50Ω；第一平行耦合线节(2)的偶模阻抗Z2e＝142.8431Ω，奇模阻抗Z2o＝56.8431Ω，电长度θ2在中心频率处等于π/2；第二传输线节(4)的阻抗Z4＝65Ω，电长度θ4在中心频率处等于12.7547°；第三传输线节(5)的阻抗Z5＝45Ω，电长度θ5在中心频率处等于71.9872°；第四传输线节(6)的阻抗Z6＝45Ω，电长度θ6在中心频率处等于78.8528°；第五传输线节(7)的阻抗Z7＝110Ω，电长度θ7在中心频率处等于25.4837°；第二平行耦合线节(8)的偶模阻抗为Z8e＝142.8431Ω，奇模阻抗为Z8o＝56.8431Ω，电长度θ8在中心频率处等于π/2；输出馈线(9)的阻抗为Z9＝50Ω。
表1计算和优化结构参数值(单位：mm)
Figure BDA0001498364780000031
第三步，根据电气参数计算得到微带滤波器的结构参数，再通过优化调整结构参数，使微带滤波器性能满足技术指标的要求。不失一般性，这里采用Rogers 4350基片，介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。微带滤波器的结构参数标注如图6所示，其中l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、l9、l10和l11表示相应的长度，w1、w2、w3、w4、w5和w6表示相应的宽度，s1和s2表示相应的缝隙宽度。根据前面所得到的电气参数，可以计算得到微带滤波器的结构参数，如表1所示。
利用这些计算得到的结构参数对微带滤波器进行建模仿真，仿真结果如图7所示。由图7所示的仿真结果可见，基于计算得到的结构参数，微带滤波器的散射参数|S21|能够覆盖技术指标所要求的通带频率范围。在通带两边各出现一个传输零点，极大得改善了频率选择性。相对而言，带内回波损耗还不能满足技术指标要求。因此，把这些计算得到的结构参数值作为初始值，通过仿真优化对其进行细微调整，使微带滤波器的性能最终满足技术指标要求。优化后的结构参数值也在表1中给出，可见它们基本都位于计算值的附近，这充分说明了本发明所述的等效关系公式可以提供有效的结构参数初始值，极大简化了微带滤波器的设计过程。基于这组优化的结构参数值，对微带滤波器进行了加工测试。在图8中，分别给出了基于优化后的结构参数值的微带滤波器的仿真结果，和实际加工的微带滤波器的测试结果。两组结果吻合得很好，充分说明了本发明所述设计过程的有效性。从图8中的测试结果可见，实际加工的微带滤波器的通带能够覆盖技术指标要求的频率范围。在通带内能够清楚观察到三个反射零点，说明微带滤波器能够实现三阶的准椭圆带通频率响应。带内回波损耗大于15dB。在通带左侧即1.8GHz处有一个传输零点，在通带右侧即3.7GHz处有一个传输零点，这些传输零点有效得改善了频率选择性。如果采用滚降率来定量描述频率选择性，即
Figure BDA0001498364780000041
其中，αs是30dB衰减点，αc是3dB衰减点，fs是30dB衰减点所对应的频率，fc是3dB衰减点所对应的频率。通带左侧的传输零点使通带左侧的滚降率达到125dB/GHz，同时，通带右侧的传输零点使通带右侧的滚降率达到50dB/GHz。这充分说明本发明所述的微带带通滤波器具有优异的频率选择性。此外，由于这些传输零点的作用，极大得改善了带外性能。从3.6到6.1GHz频率范围内，带外抑制高达40dB。实际加工的滤波器尺寸为0.2073λg×0.1770λg，其中λg是中心频率所对应的波导波长。这说明本发明所述的微带带通滤波器具有尺寸小的优点。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的微带滤波器具有优异的频率响应、尺寸较小、设计过程简单等优点。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 (4)

1.一种微带滤波器，其特征在于：输入馈线(1)连接第一平行耦合线节(2)的一条微带线的一端，第一平行耦合线节(2)的另一条微带线的另一端连接到第一传输线节(3)；第一传输线节(3)的中间部分与第二传输线节(4)相连；第二传输线节(4)连接到第三传输线节(5)的中间；第三传输线节(5)两端与第四传输线节(6)的两端进行缝隙耦合，第三传输线节(5)和第四传输线节(6)的中间连接第五传输线节(7)；同时，第一传输线节(3)连接到第二平行耦合线节(8)的一条微带线的一端，第二平行耦合线节(8)的另一条微带线的另一端再连接到输出馈线(9)；构成此微带滤波器。
2.根据权利要求1所述的微带滤波器，可以实现一个三阶准椭圆带通频率响应，在其通带每侧各有一个传输零点。
3.根据权利要求1所述的微带滤波器，可以用一个集总参数等效电路来等效，VS是信号源，RS是信号源内阻，RL是负载阻抗，K1和K2是阻抗倒置器，L1、L2、L31和L4是电感，C1、C11′、C12′、C22′和C4是电容；微带滤波器的电气参数与集总参数等效电路的元件之间，由下面的等效关系公式来描述：
Figure FDA0002228093550000011
Figure FDA0002228093550000012
Figure FDA0002228093550000013
Figure FDA0002228093550000015
Figure FDA0002228093550000016
Figure FDA0002228093550000017
Figure FDA0002228093550000018
Figure FDA0002228093550000019
Figure FDA0002228093550000021
其中，ω0是带通频率响应的中心角频率，即ω0＝2πf0，f0带通频率响应的中心频率；输入馈线(1)的阻抗为Z1；第一平行耦合线节(2)的偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2；第一传输线节(3)的阻抗为Z3；第二传输线节(4)的阻抗为Z4，电长度为θ4；第三传输线节(5)的阻抗为Z5，电长度为θ5；第四传输线节(6)的阻抗为Z6，电长度为θ6；第五传输线节(7)的阻抗为Z7，电长度为θ7；第二平行耦合线节(8)的偶模阻抗为Z8e，奇模阻抗为Z8o，电长度为θ8；输出馈线(9)的阻抗为Z9。
4.根据权利要求1所述的微带滤波器，设计步骤如下：第一步，根据微带滤波器所要实现的技术指标，通带位置、带内回波损耗、传输零点位置，先确定集总参数等效电路的各个元件值；第二步，使用等效关系公式如下：
Figure FDA0002228093550000022
Figure FDA0002228093550000023
Figure FDA0002228093550000024
Figure FDA0002228093550000025
Figure FDA0002228093550000027
Figure FDA0002228093550000028
Figure FDA0002228093550000029
Figure FDA00022280935500000210
其中，ω0是带通频率响应的中心角频率，即ω0＝2πf0，f0带通频率响应的中心频率；VS是信号源，RS是信号源内阻，RL是负载阻抗，K1和K2是阻抗倒置器，L1、L2、L31和L4是电感，C1、C11′、C12′、C22′和C4是电容；输入馈线(1)的阻抗为Z1；第一平行耦合线节(2)的偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2；第一传输线节(3)的阻抗为Z3；第二传输线节(4)的阻抗为Z4，电长度为θ4；第三传输线节(5)的阻抗为Z5，电长度为θ5；第四传输线节(6)的阻抗为Z6，电长度为θ6；第五传输线节(7)的阻抗为Z7，电长度为θ7；第二平行耦合线节(8)的偶模阻抗为Z8e，奇模阻抗为Z8o，电长度为θ8；输出馈线(9)的阻抗为Z9；由集总参数等效电路的各个元件值计算得到微带滤波器的电气参数；第三步，根据电气参数计算得到微带滤波器的结构参数，再通过优化调整结构参数，使微带滤波器性能满足技术指标的要求。
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