CN107910623A

CN107910623A - 通带可控低损耗小型四频带通滤波器

Info

Publication number: CN107910623A
Application number: CN201711015183.4A
Authority: CN
Inventors: 张颖; 张友俊
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-04-13

Abstract

本发明公开了一种新型贴片的拓扑结构，即基于多枝节加载多模谐振器的通带可控低损耗的小型四频微带带通滤波器，属于微波通信领域。该滤波器包括：二阶多枝节加载四模谐振器相耦合，结构对称，保证了滤波器结构的紧凑性；该新型结构的滤波器采用的谐振器有四个可单独控制的谐振模式，致使滤波器的中心频率可单独调控，通过调控两谐振器间的耦合系数可使滤波器带宽可控，保证了滤波器通带可控；所设计滤波器采用两端口单指端耦合结构网络，共有两条馈线，信号输入端口和信号输出端口分别设置在拓扑结构的左侧和右侧，确保了损耗较低；所设计的滤波器利用级联耦合结构实现四通带，确保该滤波器的实用性。

Description

通带可控低损耗小型四频带通滤波器

技术领域

本发明涉及到微波通信领域，具体是涉及一种通带可控低损耗小型四频带通滤波器。

背景技术

随着通信技术的迅猛发展，滤波器在微波电路中一直扮演着重要的角色，滤波器是无线电技术中诸多设计问题的核心，已逐步成为了许多领域开拓新进展的重要挑战。滤波器在整个通信系统中具有不可替代的作用，然而电磁波的频谱是有限的(微波的波长范围为1m到1mm，其频率范围在300MHz到300GHz)，且须按照应用加以分配，此时滤波器作为一种选频装置，其根本功能在于抑制不需要的频段的信号，而使需要的频段信号顺利通过。理想的滤波器应该是这样一种二端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内他使信号完全不能传输。

随着科技的进步、社会的发展和对滤波器的研究，高性能、低损耗和小型化成为了滤波器研究的重点和滤波器发展的必然趋势；从实用的角度出发，对所有手持式电子设备，如便携移动电话等，微型化是一个重要的研究课题。在射频部分，虽然单片微波集成电路(MMIC)的出现预示着射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。但对射频滤波器和振荡器等含有谐振器的电路的尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解决的问题。因此，滤波器的小型化和性能的提高将继续是两大重要课题。

微波滤波器小型化通常采用的几种方法：1、采用高介电常数材料减小滤波器的尺寸；2、采用慢波结构设计微带滤波器；3、采用多层技术减小滤波器的体积；4、采用四模谐振器设计滤波器等。

由于微带谐振器易于和其它微波电路集成的优点，成为目前开发微波元器件的热点。四模谐振器是微波带通滤波器小型化最有效的手段之一，其原理在于：在普通谐振器的基础上采用开/短路多枝节加载，使谐振器形成四个谐振模式，四种谐振模式使谐振器具有四个传输路径，可使得滤波器频带的中心频率可控，四个传输路径如用同一部分传输路径就可达到滤波器结构紧凑的目的，满足小型化的要求。另外，不同枝节之间的耦合可使带宽可控。通过改变枝节线的长度和谐振器之间的耦合间隙大小来设计滤波器，结构简单；主要包括波导四模谐振器、介质四模谐振器和微带四模谐振器；常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形、T形、十字形或折线等形式。

从现有文献来看,已经研究的微带四模谐振器(滤波器)主要包括:环形枝节加载谐振器、十字形阶跃阻抗谐振器、开路枝节加载阶跃阻抗谐振器等。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的贴片型通带可控低损耗小型化四频带通滤波器。

本发明提供一种新型四频带通滤波器的拓扑结构。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。

本发明采用的是HFSS13.0对提出的拓扑结构进行优化，将优化的结构制成样品，对样品测试，用实验的方法证实该滤波器的拓扑结构。

本发明一种新型通带可控低损耗的小型四频带通滤波器采用介电常数ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行仿真优化。所述四频带通滤波器有一对对称的输入、输出端口，端口宽度为2.86mm，馈线长度为5.6mm。确定其整体电路尺寸为16mm×20.3mm，各参数尺寸大小(单位/mm)为：l₁＝12.61mm，l₂＝13.2mm，l₃＝3.9mm，l₄＝7.52mm，l₅＝2.845mm，l₆＝4.8mm，l₉＝1.6mm，l₁₀＝1.81mm，l₁₁＝4.22mm，l₁₂＝6.6mm，l₁₃＝2.0mm，l₁₄＝3.1mm，l₁₅＝3.4mm，g₁＝0.2mm，g₂＝0.24mm，g₃＝0.42mm，g₄＝0.84mm，g₅＝0.2mm，w₁＝0.4mm，w₂＝2.8mm，w₃＝0.4mm。

滤波器的各尺寸具体说明如下：

1.一个关于中心线对称的四频带通滤波器结构，由二阶多枝节加载四模谐振器级联耦合而成，多枝节加载四模谐振器包括一个短路枝节，长度为14.3mm，宽度为0.4mm；两个开路枝节，长度分别是5.1mm、6mm，宽度为0.4mm；一条均匀阻抗传输线，长度为32.5mm，宽度为0.4mm。其中与输入、输出端口进行耦合的耦合线长度为12.6mm，宽度为0.4mm。

2.输入、输出端口与谐振器之间采用了单指端耦合方式，共有两条馈线和两条耦合线，馈线长度为5.6mm，宽度为2.86mm；输入、输出端口分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，它们与谐振器之间的间距为0.2mm。

3.四频带通滤波器采用二阶多枝节加载四模谐振器级联耦合结构实现四通带，谐振器的部分短路枝节线控制第一通带的中心频率，设置耦合长度为2.85mm；部分开路枝节线与部分均匀阻抗传输线分别调控第二、三通带的中心频率，设置耦合长度分别为4.2mm、3.1mm；谐振器的另一部分开路枝节线控制第四通带的中心频率，设置耦合长度为1.6mm；宽度均为0.4mm。

4.四频带通滤波器结构的耦合系数由两个谐振器之间的耦合决定，耦合系数影响各通频带的带宽，设置短路枝节线之间的耦合间隙为0.2mm；两开路枝节线之间耦合间隙为0.24mm、0.42mm；均匀阻抗传输线之间的耦合间隙为0.84mm。

在本发明的具体实施例子中，所述多枝节加载四模谐振器结构、耦合线和馈线材质均为铜箔。

双模特性是Wolff在20世纪70年代初设计和制作带通滤波器时首次发现的，四模特性则于近几年首次被发现使用。多枝节加载四模谐振器有四个可单独控制的谐振模式，多谐振模式共用同一段传输路径，使得滤波器结构紧凑，通过控制耦合枝节线的长度使滤波器中心频率可控，通过控制两谐振器之间的耦合间隙，滤波器带宽可控，由此可保证滤波器通带可控。通过改变二端口之间的间隙可对耦合强度进行控制。

从现有文献来看,已经研究的微带四模谐振器(滤波器)主要包括:环形枝节加载谐振器、十字形阶跃阻抗谐振器、开路枝节加载阶跃阻抗谐振器等

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的四频带通滤波器拓扑结构，即由二阶多枝节加载四模谐振器级联耦合而成的新型通带可控低损耗小型四频带通滤波器结构，将所设计的拓扑结构进行仿真、加工成实物并对其进行测量，结果表明：该结构的四频带通滤波器整体性能良好，滤波器的4个通频带中心频率依次为2.5/3.1/4/5.05GHz，3dB带宽分别是5.1％/11％/6.2％/13％,插入损耗分别是0.1/0.27/0.13/0.16dB，每个通频带的回波损耗都优于15dB。生成了4个传输零点分别在2.7/3.6/4.4/6.7GHz，导致高选择性。

附图说明

图1为本发明通带可控低损耗小型四频带通滤波器的几何结构示意图；

图2为多枝节加载四模谐振器拓扑图；

图3为谐振器的谐振路径L₁拓扑图；

图4为谐振器的谐振路径L₂拓扑图；

图5为谐振器的谐振路径L₃拓扑图；

图6为谐振器的谐振路径L₄拓扑图；

图7为本发明通带可控低损耗小型四频带通滤波器的拓扑结构图；

图8为本发明通带可控低损耗小型四频带通滤波器的实物图；

图9为新型四频带通滤波器不同M₁(短路枝节)下的S₂₁曲线图；

图10为新型四频带通滤波器不同M₂(开路枝节)下的S₂₁曲线图；

图11为新型四频带通滤波器不同M₆(均匀阻抗传输线)下的S₂₁曲线图；

图12为新型四频带通滤波器不同M₃(开路枝节)下的S₂₁曲线图；

图13为为本发明通带可控低损耗小型四频带通滤波器的S参数仿真曲线与实物测试曲线对比图。

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。

图1为本发明通带可控低损耗小型四频带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：两阶多枝节加载四模谐振器①，谐振器之间通过间隙进行级联耦合实现四通带，1是该类谐振器的短路枝节，2、3是该类谐振器的两个开路枝节；采用两端口单指端耦合结构网络，共有两条馈线5和两条耦合线4，信号输入和信号输出端口分别位于结构的左侧和右侧。

图2为多枝节加载四模谐振器拓扑结构图，它包括一个短路枝节M₁,两个开路枝节M₂、M₃，和一条均匀阻抗传输线M₄+M₅+M₆,图3、图4、图5、图6分别为谐振路径L₁、L₂、L₃、L₄拓扑结构图。

图7为四频带通滤波器拓扑结构图(尺寸图)，g₁是短路枝节线之间的耦合间隙、g₂、g₃分别是两个开路枝节线之间的耦合间隙、g₄是均匀阻抗传输线间的耦合间隙，g₅是谐振器与耦合线间的耦合间隙，w₁是微带线宽度、w₂是馈线宽度，w₃是耦合线宽度，l₅是控制第一通带中心频率的部分短路枝节线、l₉是调控第四通带中心频率的部分开路枝节线、l₁₁是调控第二通带中心频率的部分开路枝节线、l₁₄调控第三通带中心频率的部分均匀阻抗传输线，l₁是耦合线长度，l₂+l₆+l₁₂+l₁₃+l₁₄+l₁₅是均匀阻抗传输线长度，l₃+l₄+l₅是短路枝节长度，l₇+l₈+l₉是开路枝节长度，l₁₀+l₁₁是另一个短路枝节长度，l₁₆是馈线长度，设置各参数尺寸如下：l₁＝12.61mm，l₂＝13.2mm，l₃＝3.9mm，l₄＝7.52mm，l₅＝2.845mm，l₆＝4.8mm，l₉＝1.6mm，l₁₀＝1.81mm，l₁₁＝4.22mm，l₁₂＝6.6mm，l₁₃＝2.0mm，l₁₄＝3.1mm，l₁₅＝3.4mm，g₁＝0.2mm，g₂＝0.24mm，g₃＝0.42mm，g₄＝0.84mm，g₅＝0.2mm，w₁＝0.4mm，w₂＝2.8mm，w₃＝0.4mm。

图8为滤波器实物图，选取介电常数ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行实物加工制作。

图9、图10、图11、图12分别为在不同枝节线M₁、M₂、M₆、M₃的不同参数值下第一、二、三、四通频带的中心频率的调控过程。通过控制各个谐振路径的长度参数可调节谐振频率，由于M₁是路径1和路径3的共用路径，改变长度M₁可同时对f₁和f₃产生很大影响，可先调节M₁确定谐振频率f₁，再调节调节M₃来控制f₄而对f₁、f₂及f₃形成极小的影响，然后改变M₂来调节f₂而对f₁、f₃、f₄几乎不产生影响，M₆是路径2、路径3、路径4的共用段，调节M₆可对f₂、f₃、f₄同时产生影响,f₂、f₄已经确定，故最后可调节M₆控制f₃而对f₁产生较小的影响。

图13为优化参数尺寸后所设计的四频带通滤波器的S参数仿真曲线与实物测试曲线对比图

本发明是一种新型的通带可控低损耗小型化的四频带通滤波器，在滤波器的外形(拓扑结构)上不同于现有文献四频微带带通滤波器的外形，本发明的四频带通滤波器，结构紧凑，通带可控，损耗较低，性能良好。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主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

1.一种通带可控低损耗小型四频带通滤波器，微带基片的介电常数ε_r＝2.65,介质厚度h＝1mm，所述四频带通滤波器有一对对称的输入、输出端口，端口宽度为2.86mm，馈线长度为5.6mm；其特征在于：

所述四频带通滤波器关于中心线对称，由二阶多枝节加载四模谐振器级联耦合而成，所述谐振器包括一个短路枝节，长度为14.3mm；两个开路枝节，长度分别是5.1mm、6mm；一条均匀阻抗传输线，长度为32.5mm；宽度均为0.4mm。其中与所述输入、输出端口进行耦合的耦合线长度为12.6mm，宽度为0.4mm；

所述四频带通滤波器的所述输入、输出端口与所述谐振器之间采用了单指端耦合方式，共有两条所述馈线和两条所述耦合线；所述输入、输出端口分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，它们与所述谐振器之间的间距为0.2mm；

所述四频带通滤波器采用二阶所述谐振器级联耦合结构实现四通带，所述谐振器的部分短路枝节线控制第一通带的中心频率，设置耦合长度为2.85mm；部分开路枝节线与部分均匀阻抗传输线分别调控第二、三通带的中心频率，设置耦合长度分别为4.2mm、3.1mm；所述谐振器的另一部分开路枝节线控制第四通带的中心频率，设置耦合长度为1.6mm；宽度均为0.4mm；

所述四频带通滤波器的耦合系数由两个所述谐振器之间的耦合决定，耦合系数影响各通频带的带宽，设置短路枝节线之间的耦合间隙为0.2mm；两开路枝节线之间耦合间隙为0.24mm、0.42mm；均匀阻抗传输线之间的耦合间隙为0.84mm；

所述多枝节加载四模谐振器贴片、耦合线和馈线材质均为铜箔。