CN108287937A - 高选择性紧凑型带通滤波器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法及通过该方法获得的滤波器，其采用低通原型滤波器的设计方法计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，得到谐振频率与间距点的对应关系及拟合曲线，计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；在拟合曲线上选取与低通原型滤波器设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，并将对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，从而确定最终物理结构。该目标滤波器通过引入交叉耦合产生一对传输极点，明显改善了滤波器的选择性。

Description

高选择性紧凑型带通滤波器及其设计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种高选择性紧凑型带通滤波器的设计方法及通过该方法获得的高选择性紧凑型带通滤波器。
背景技术
随着移动通信和计算机技术的迅猛发展，为了节约频带资源，提高抗干扰能力，各种电路系统对滤波器性能的要求越来越高。交叉形式滤波器、平行耦合线滤波器是微带滤波器中的两种常用的形式。但是到目前为止，这两种形式的滤波器最多只能实现Chebyshev(切比雪夫)特性，即获得幅频特性较为平坦，但带外抑制性较差。为了改善这个问题，一般往往靠增加滤波器的阶数，但增加阶数会引入更大的插损和体积，无法从根源去缓解问题，并且这种做法增加了滤波器的设计难度。
对于普通的微带交叉滤波器而言，由于有接地的要求，增加了一定的工艺难度和不确定因素。而传统的切比雪夫和椭圆函数等类型的滤波器由于自身的诸多缺点已经逐渐无法满足实际的工程需求，特别是近几年高温超导技术(HTS)和单片微波集成电路(MMIC)技术的发展，使得研制出尺寸小、重量轻、性能稳定、制造成本低的新型滤波器成为必要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于开环耦合谐振微带结构的高选择性紧凑型带通滤波器的设计方法及通过该方法设计得到的高选择性紧凑型带通滤波器，通过引入交叉耦合产生一对传输极点，以明显改善滤波器的选择性。
本发明公开一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法，包括以下步骤：
采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J，根据求得的低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；
在预设的中心频率点上设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对由两个单元谐振器组成的基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，并得到基本耦合结构中单元谐振器之间的谐振频率与间距点的对应关系以及谐振频率随间距变化的拟合曲线，根据谐振频率计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；
将拟合曲线上各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数与采用低通原型滤波器的设计方法计算得到的目标滤波器的耦合系数和外部品质因数进行比对，在拟合曲线上各间距点所对应的多组耦合系数和外部品质因数中选取与低通原型滤波器的设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组耦合系数和外部品质因数作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，将该耦合系数和外部品质因数对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，并结合预设的目标滤波器阶数和传输极点Ωa的位置，以及单元谐振器的中心频率和基本尺寸，从而确定目标滤波器的最终物理结构。
进一步的，通过求得低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe的计算公式如下：
Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBW
n＝1到N/2-1
Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2
Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2
式中，N为滤波器的阶数，FBW为滤波器的相对带宽，m、n为级数。
进一步的，采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值具体包括：
设定目标滤波器的阶数N以及传输极点Ωa的位置；
根据预设的滤波器阶数、截止频率和波纹系数拟合得到的经验公式计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J。
进一步的，6阶滤波器各元件值的拟合公式(1.2≤Ωa≤1.6)为：
进一步的，还可以根据多点仿真结构得到馈线位置和外部品质因数的关系以及外部品质因数随着馈线位置的拟合曲线，根据选取的间距值对应选取作为目标滤波器的馈线位置。
进一步的，由两个单元谐振器组成的基本耦合结构包括电耦合、磁耦合、两种电磁混合耦合；所述谐振频率包括电场耦合频率fe和磁场耦合频率fm得出耦合系数Mi,j，计算耦合系数和外部品质因数的公式如下：
式中，f0为单元谐振器的谐振频率，δf3dB为单端激励时谐振器的输入或者输出3dB带宽。
本发明还公开一种高选择性紧凑型带通滤波器，采用上述方法设计获得。
进一步的，通过该方法设计一种带通滤波器，中心频率为540Mhz，相对带宽为12％，通带内回波损耗为-20dB，阶数为6阶，传输极点值为1.5，耦合系数M1,2＝M5,6＝0.0998，M2,3＝M4,5＝0.07021，M2,5＝-0.01586，M3,4＝0.0824，外部品质因数Qei＝Qeo＝10.0795。
有益效果：
本发明所设计的高选择性紧凑型带通滤波器通过引入交叉耦合产生一对传输极点，明显改善滤波器的选择性，使其频率响应具有准椭圆函数特征；该滤波器的线性度、矩形系数等指标较切比雪夫滤波器有较大的提升；并可以根据实际情况选择滤波器的阶数和极点位置，达成有指向性、高选择性的效果。使其频率响应具有准椭圆函数特征
本发明所提出的高选择性紧凑型带通滤波器基于开环耦合谐振微带结构设计，具有较高的带外抑制特性和选择性，同时尺寸较小、易于制造的特点也使得小型化的结构和其它器件连接时更加方便。
本发明所提出的高选择性紧凑型带通滤波器适合于移动通信系统、电子测量设备等通信系统，可广泛应用于各种印刷电路板中的滤波电路。
附图说明
图1为具有一对传输极点的带通滤波器的耦合拓扑结构示意图；
图2为低通原型滤波器的结构示意图；
图3为四种基本耦合结构；
图4为具有一对传输极点的6阶带通滤波器的耦合拓扑结构示意图；
图5为6阶低通原型滤波器的结构示意图；
图6为6阶带通滤波器的结构示意图；
图7为实施例中全波仿真得到的滤波器传输特性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的方法进一步说明。
本发明为实现一款具有一对传输极点的带通滤波器(简称该目标滤波器)，采用低通原型滤波器的设计方法，并利用标准切比雪夫滤波器中不相邻谐振器间的交叉耦合来实现传输函数的极点Ωa的引入。
如图1所示，具有一对传输极点的带通滤波器的耦合拓扑结构中，每一个节点表示一个单元谐振器，实线表示主耦合，正中间的虚线表示辅耦合(即交叉耦合)。耦合系数Mi,j(即第i个单元谐振器和相邻的第j个单元谐振器之间的耦合系数)和外部品质因数Qei、Qeo可由低通原型滤波器的等效电路参数(元件值)决定。
如图2所示，为了得到这些等效电路参数，对于低选择性滤波器(Ωa≥2.4)可以使用R.Levy提出的近似设计法，而对于实施例中所要求设计的高选择性微带滤波器(Ωa≤2.4)，前述误差较大，已经不再适用。此时，可以根据预设的目标滤波器的阶数、截止频率和波纹系数拟合得到的经验公式计算出低通原型滤波器的各元件值，包括相应的集成电容值和转换器的特性导纳J。
求得低通原型滤波器的元件值以后，通过公式(1)～(4)即可求得到该目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe(其包括输入端外部品质因数Qei和输出端外部品质因数Qeo)。
Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBW (1)
Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2 (3)
Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2 (4)
式中，N为滤波器的阶数，FBW为滤波器的相对带宽，m、n为级数。
基于以上计算得到的原型滤波器的耦合系数和外部品质因数，再通过目标滤波器中这些参数与滤波器物理结构之间的关系，以确定该滤波器的具体尺寸，具体设计方法如下：
设计该目标滤波器的结构时我们通常会使用如图3所示的四种基本的耦合结构，即电耦合、磁耦合、两种电磁混合耦合四种耦合结构，每一种耦合结构均由两个单元谐振器组成。因此，得到该目标滤波器的耦合系数和单元谐振器之间的间距(简称间距)的对应关系显得尤为重要。为了得到目标滤波器的具体尺寸，首先要确定单元谐振器，即将仿真得到谐振频率与该滤波器的中心频率进行对应之后即可确定单元谐振器的尺寸。然后针对这四种基本耦合结构，并结合单元谐振器的基本尺寸，介质板的介电常数、介质板的厚度等参数进行全波仿真分析，其中主要对单元谐振器之间的间距进行多点仿真分析。在仿真过程中，改变间距的同时谐振频率也同步变化，即不同间距点对应不同谐振频率，相应的，各间距点所对应的耦合系数也具有多组，即得到了耦合系数和间距之间的对应关系。
具体的，这四种耦合结构均存在的谐振频率包括电场耦合频率fe和磁场耦合频率fm，通过仿真得到的各间距点的电场耦合频率fe和磁场耦合频率fm，即可计算得到各仿真间距点所对应的耦合系数和外部品质因数，其中：
耦合系数的计算公式为：
外部品质因数可以表示为：
式中，f0为单元谐振器的谐振频率，δf3dB为单端激励时谐振器的输入或者输出3dB带宽。
通过公式(5)和(6)计算出拟合曲线上各间距点对应的耦合系数和外部品质因数，并将此处计算得到的耦合系数和外部品质因数和前面用低通原型滤波器设计方法得到的耦合系数和外部品质因数进行对应，在多组耦合系数中选出与低通原型滤波器设计方法得到的耦合系数最接近的一组，同时得到该组耦合系数对应的间距值；然后根据已确定的单元谐振器尺寸以及选取的间距值确定该目标滤波器的最优尺寸。基于上述仿真结果，还可以得到馈线位置和外部品质因数的关系，以及外部品质因数随着馈线位置的变化曲线，根据选取的间距值对应选取最合适的馈线位置。
需要说明的是，不同的单元谐振器的模型会对应不同的最优尺寸，也就是说同一中心频率的N阶目标滤波器的具体尺寸会受设计的单元谐振器的尺寸大小所影响，但它们对应的最优耦合系数和外部品质因数是一定。因此，实施例中只需要求得最优的耦合系数和外部品质因数即可，目标滤波器的具体尺寸可根据实际需求进一步设计。
我们知道滤波器的传输极点Ωa和阶数的选择对整个滤波器的特性有至关重要的影响，当它们越小时，滤波器通带特性越好，带外抑制越差，反之通带特性越差，带外抑制越好。
结合图4至图6所示，下面我们根据设计要求设计一款传输极点位置在Ωa＝1.5处，中心频率为540Mhz，相对带宽为12％，通带内回波损耗为-20dB的6阶带通滤波器。为了实现该目标滤波器，具体设计方法如下：
S1、首先，根据低通原型滤波器设计法求得6阶的低通原型滤波器的元件值，再通过计算公式(1)～(4)求得耦合系数和外部品质因数。具体如下:
根据经验总结得到计算6阶滤波器各元件值的拟合公式(1.2≤Ωa≤1.6)为：
根据低通原型滤波器元件值的计算公式(1)～(4)，6阶单极点滤波器在不同Ωa取值时对应的元件参数值参考表1可以确定，实施例中我们取Ωa＝1.5，带入6阶滤波器的拟合公式，对应表1则有C1＝1.00795、C2＝1.4343、C3＝2.03664、J2＝-0.18962、J3＝1.39876。
表1 6阶单极点滤波器参数值
Ωa C1 C2 C3 J2 J3
1.20 1.01925 1.45186 2.4727 -0.39224 1.95202
1.25 1.01642 1.44777 2.30923 -0.33665 1.76097
1.30 1.01407 1.44419 2.21 -0.29376 1.63737
1.35 1.012130 1.4417 2.14383 -0.25976 1.55094
1.40 1.01051 1.43853 2.09713 -0.23203 1.487
1.45 1.00913 1.43627 2.06270 -0.20901 1.43775
1.50 1.00795 1.4343 2.03664 -0.18962 1.39876
1.55 1.00695 1.43262 2.01631 -0.17308 1.36714
1.60 1.00606 1.43112 2.00021 -0.15883 1.34103
根据图4所示的六阶低通滤波器的耦合拓扑结构以及图6所示的六阶低通滤波器的物理结构可得到，M1,2、M5,6用电磁混合耦合结构实现，M2,3、M4,5用另一种电磁耦合结构实现，M2,5用电耦合结构实现，M3,4用磁耦合结构实现。
根据通过低通滤波器设计方法中的公式(1)～(4)我们可以计算得到：
M1,2＝M5,6＝0.0998；
M2,3＝M4,5＝0.07021；
M2,5＝-0.01586，M3,4＝0.0824；
Qei＝Qeo＝10.0795。
S2、通过多点仿真分析法仿真得到各距离点所对应的谐振频率，并通过公式(4)和(5)求出各距离点所对应的耦合系数和外部品质因数。
S3、基于低通滤波器设计方法计算得到的耦合系数(即M1,2、M2,3、M3,4、M4,5、M5,6、M2,5)，在拟合曲线上的各点距离值所对应的多组耦合系数中择优选出的最为恰当的一组耦合系数，以及对应的间距值和馈线位置；从而最终确定滤波器的具体尺寸。
如图7所示，该滤波器的实际带宽在39MHz以上，通带内回波损耗达到-20dB以下，满足设计要求。容易发现，这种基于开环谐振器的整合思路使滤波器的尺寸大大缩小的同时，还保证了其高选择性的滤波特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J，根据求得的低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；
在预设的中心频率点上设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对由两个单元谐振器组成的基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，并得到基本耦合结构中单元谐振器之间的谐振频率与间距点的对应关系以及谐振频率随间距变化的拟合曲线，根据谐振频率计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；
将拟合曲线上各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数与采用低通原型滤波器的设计方法计算得到的目标滤波器的耦合系数和外部品质因数进行比对，在拟合曲线上各间距点所对应的多组耦合系数和外部品质因数中选取与低通原型滤波器的设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组耦合系数和外部品质因数作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，将该耦合系数和外部品质因数对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，并结合预设的目标滤波器阶数和传输极点Ωa的位置以及单元谐振器的中心频率和基本尺寸确定目标滤波器的最终物理结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过求得低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe的计算公式如下：
Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBW (1)
Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2 (3)
Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2 (4)
式中，N为滤波器的阶数，FBW为滤波器的相对带宽，m、n为级数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值具体包括：
设定目标滤波器的阶数N以及传输极点Ωa的位置；
根据预设的滤波器阶数、截止频率和波纹系数拟合得到的经验公式计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，6阶滤波器各元件值的拟合公式(1.2≤Ωa≤1.6)为：
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还可以根据多点仿真结构得到馈线位置和外部品质因数的关系以及外部品质因数随着馈线位置的拟合曲线，根据选取的间距值对应选取作为目标滤波器的馈线位置。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由两个单元谐振器组成的基本耦合结构包括电耦合、磁耦合、两种电磁混合耦合；所述谐振频率包括电场耦合频率fe和磁场耦合频率fm得出耦合系数Mi,j，计算耦合系数和外部品质因数的公式如下：
式中，f0为单元谐振器的谐振频率，δf3dB为单端激励时谐振器的输入或者输出3dB带宽。
7.一种高选择性紧凑型带通滤波器，其特征在于，采用如权利要求1至6任意一项所述方法设计获得。
8.如权利要求7所述的带通滤波器，其特征在于，中心频率为540Mhz，相对带宽为12％，通带内回波损耗为-20dB，阶数为6阶，传输极点值为1.5，耦合系数M1,2＝M5,6＝0.0998，M2,3＝M4,5＝0.07021，M2,5＝-0.01586，M3,4＝0.0824，外部品质因数Qei＝Qeo＝10.0795。
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