CN108666719A - 耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法 - Google Patents

耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法，第一谐振模式的级间耦合系数只由半波长谐振器控制；第二谐振模式下谐振电长度既包含对称的半波长谐振器也包含加载型枝节线；当两个双模谐振器在一定间距耦合时，一个谐振器的加载枝节线会与另一谐振器的加载枝节线耦合，加载型枝节线和半波长谐振器同时控制第二谐振模式的级间耦合系数，由此增加了两个双模谐振器的级间耦合系数的设计自由度，的两个谐振模式之间的耦合系数可以独立设计；并且两个谐振模式下所包含的电长度的不同，所以首节双模谐振器与外部馈线耦合时两个谐振模式分别所需的外部耦合系数也可以独立控制。

Description

耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法
技术领域
本发明属于微波工程技术领域，具体涉及耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法。
背景技术
滤波器作为一种频率选择器件，可以从各种信号中选出所需某一特征频段的信号而将其它信号滤除。滤波器的性能可以用插损、回波损耗、带边陡峭度等参数衡量，其性能好坏对通信系统的信噪比和抗干扰能力具有至关重要的作用。双通带滤波器自本世纪初受到了广泛关注和研究。其特征相对于单通带滤波器在于可以选择出两个特征频段，其性能指标与单通带滤波器类似。
一般来说，设计双通带滤波器有多种方案。文献【1】Lin-Chuan Tsai and Ching-Wen Hsue,"Dual-band bandpass filters using equal-length coupled-serial-shunted lines and Z-transform technique,"in IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,vol.52,no.4,pp.1111-1117,April 2004.提出了使用带通滤波器与带阻滤波器级联的方案，将一个带阻滤波器的工作频段设计到一个宽带带通滤波器工作频带内从而将一个宽通带劈裂为两个通带。实现了双通带滤波器的设计。这种方法优点在于设计理论清晰，设计方法简单，但是往往会导致滤波器结构尺寸过大。第二种方案是综合方法设计双通带。文献【2】Z.Xu et al.,"A Compact Dual-Band BandpassSuperconducting Filter Using Microstrip/CPW Spiral Resonators,"in IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,vol.23,no.11,pp.584-586,Nov.2013.采用了这种方法。但是这种方法需要复杂的交叉耦合参数，增大了谐振器的结构的设计难度和滤波器整体的电路拓扑结构的复杂程度，不利于二维的微带电路的实现。第三种方案是采用具有两个谐振模式的双模谐振器法。级联多个双模谐振器，利用两个谐振模式的级间耦合分别构成两个通带。采用这种方法构建的双通带滤波器具有电路尺寸小，结构紧凑的优势。但是，对于双模谐振器，两个谐振模式的级间耦合往往相互影响，两个谐振模式分别与外部输入输出的外部耦合系数也相互影响，要调整并同时得到优化的两个模式的级间耦合系数和外部耦合系数是很困难的。这就使得双通带滤波器的两个通带无法独立自由设计。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种耦合路径分离型双模谐振器的双通带滤波器及优化方法，可以增加两个谐振模式的级间耦合设计自由度和外部耦合设计自由度，由此得到两个谐振模式分别所需的级间耦合系数和外部耦合系数。
一种双通带滤波器，由两个以上的双模谐振器级联构成，所述双模谐振器包括一个加载型枝节线和一个左、右对称的半波长谐振器；所述加载型枝节线加载在所述半波长谐振器的中部。
较佳的，所述半波长谐振器为直线型、对称弯折型或者对称螺旋形。
较佳的，所述加载型枝节线为直线型、弯折型或者螺旋型。
较佳的，所述双模谐振器包括上层谐振器结构、下层导体薄膜以及位于上、下两层导体之间的介质基片。
较佳的，所述双通带滤波器的第一级双模谐振器设置有输入馈线，最后一级双模谐振器设置有输出馈线。
一种上述双通带滤波器的优化方法，包括：定义所述滤波器中任意两个级联的双模谐振器中的两个所述半波长谐振器的间距为g1，两个加载型枝节线的间距为g2；定义两个双模谐振器的第一谐振模式之间的耦合系数为M1，第二谐振模式之间的耦合系数为M2；
首先调节g1的大小使得M1满足设计要求；然后再调节g2的大小使得M2满足要求，由此完成所述滤波器的优化。
较佳的，调节g2过程中保持g1不变。
本发明具有如下有益效果：
本发明中形成双通带滤波器的双模谐振器，由于其第一谐振模式下谐振电长度只包含对称的半波长谐振器，使得第一谐振模式的级间耦合系数只由半波长谐振器控制。第二谐振模式下谐振电长度既包含对称的半波长谐振器也包含加载型枝节线。当两个双模谐振器在一定间距耦合时，一个谐振器的加载枝节线会与另一谐振器的加载枝节线耦合，所得到的综合结果是加载型枝节线和半波长谐振器同时控制第二谐振模式的级间耦合系数，由此增加了两个双模谐振器的级间耦合系数的设计自由度，两个双模谐振器的两个谐振模式(第一谐振模式与第一谐振模式或者第二谐振模式与第二谐振模式)之间的耦合系数可以独立设计。并且由于第一谐振模式下谐振电长度只包含对称的半波长谐振器，第二谐振模式下谐振电长度既包含对称的半波长谐振器也包含加载型枝节线，两个谐振模式下所包含的电长度的不同，所以首节(末节)双模谐振器与外部馈线耦合时两个谐振模式分别所需的外部耦合系数也可以独立控制。
附图说明
图1为一般的微带线谐振器的结构示意图；
图2为本发明提出的一种微带线双模谐振器的实施例几何结构示意图，包含对称型单螺旋谐振器与弯折型加载谐振器；
图3为本发明提出的另一种微带线双模谐振器的实施例几何结构示意图，包含对称型弯折谐振器与单螺旋加载谐振器；
图4为本发明一种微带线双模谐振器的级间耦合示意图；
图5为双模谐振器两谐振模式级间耦合系数随距离g2的变化；
图6为双模谐振器两谐振模式级间耦合系数随距离g1的变化；
图7为本发明所提出的一种双模谐振器平行排列所组成的双通带滤波器；
图8为本发明所提出的一种双模谐振器平行排列所组成的双通带滤波器仿真响应曲线；
图9为本发明所提出的另一种双模谐振器平行排列所组成的双通带滤波器；
图10为本发明所提出的一种双模谐振器平行排列所组成的双通带滤波器仿真响应曲线；
图11为本发明提出的一种微带线双模谐振器中的几种可能的变形结构示意图；
图11(a)为包括对称直线型半波长谐振器与直线型加载谐振器；
图11(b)为包括对称直线型半波长谐振器与弯折型加载谐振器；
图11(c)为包括对称直线型半波长谐振器与螺旋型加载谐振器；
图11(d)为包括对称弯折型半波长谐振器与直线型加载谐振器；
图11(e)为包括对称弯折型半波长谐振器与弯折型加载谐振器；
图11(f)为包括对称弯折型半波长谐振器与螺旋型加载谐振器；
图11(g)为包括对称螺旋型半波长谐振器与直线型加载谐振器；
图11(h)为包括对称螺旋型半波长谐振器与弯折型加载谐振器；
图11(i)为包括对称螺旋型半波长谐振器与螺旋型加载谐振器；
其中，11-超导谐振器结构，12-介质基片，13-超导薄膜，21-单螺旋谐振器，22-枝节线，23-导体块，31-对称弯折型谐振器，32-单螺旋型加载谐振器，41，43-螺旋谐振器，42,44-弯折型加载枝节线，71-第一节双模谐振器，72-第二节双模谐振器，73-第三节双模谐振器，74-第四节双模谐振器，75-输入馈线，76-输出馈线，111-对称直线型半波长谐振器，116-对称弯折型半波长谐振器，117-对称螺旋型半波长谐振器，112-直线型加载枝节线，114-弯折型加载枝节线，115-螺旋型加载枝节线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出的双通带滤波器包括两个以上级联的双模谐振器，滤波器的输入、输出馈线分别与第一和最后一个双模谐振器相连接。
其中，如图1所示，双模谐振器为微带线谐振器，包括上层谐振器结构11、下层导体薄膜13、位于该上、下两层导体之间的介质基片12。
双模谐振器包含有一个左右对称的半波长谐振器和一个加载型枝节线。加载型枝节线的下端连接左右对称半波长谐振器的中部。所述左右对称半波长谐振器包含多种变形，如直线型、对称弯折型、对称螺旋形。所述加载型枝节线包含多种变形，如直线型、弯折型、螺旋型。
所述的左右对称半波长谐振器构成了双模谐振器的第一谐振模式；第一谐振模式的级间耦合系数只由半波长谐振器控制；所述的左右对称半波长谐振器的一半(左半部或右半部)与加载型枝节线一起构成了双模谐振器的第二谐振模式。第二谐振模式的级间耦合系数由半波长谐振器与加载型枝节线综合控制，实现不同谐振模式级间耦合系数的路径分离，增加了两个谐振模式级间耦合系数的设计自由度。
第一实施例：
本实施例的介质基片采用相对介电常数为9.7的氧化镁基片,上、下层超导体均采用YBCO高温超导材料，厚度h为0.5mm。
本实施例的上层超导谐振器结构如图2所示,包括一条对称单螺旋谐振器21和弯折型加载枝节线22，通过连接线加载在对称单螺旋谐振器21中部，连接线宽0.16mm，长9.96mm。对称单螺旋谐振器21的线宽为0.16mm，螺旋间距为0.32mm。最外层螺旋宽度为2.56mm，高度5.48mm。弯折型加载枝节线22线宽为0.16mm，线间距为0.32mm。弯折型加载枝节线22两端的导体块23长3.28mm、宽0.76mm。
双模谐振器的两个谐振模式分别为第一谐振模式频率1.00GHz和第二谐振模式频率0.89GHz。两个双模谐振器的级间耦合模型如图4所示，成平行排布。螺旋谐振器41与43间距为g1，弯折型加载枝节线42与44间距为g2。定义两个双模谐振器的第一谐振模式耦合系数为M1，第二谐振模式耦合系数为M2。由图5和图6可以得到，由于双模谐振器的两个谐振模式都包含螺旋谐振器41和43，所以调节g1可同时改变M1和M2。而只有双模谐振器的第二谐振模式包含弯折型加载枝节线42和44，所以调节g2只改变M2的大小。因此在滤波器设计过程中步骤一先调节g1的大小使得M1满足设计要求，步骤二再调节g2的大小使得M2满足要求。由于调节g2过程中M1可以保持不变。所以最终可以使得M1和M2同时满足设计要求。
基于本实施例中出的双模谐振器所设计的滤波器如图7所示。滤波器包含有四节双模谐振器71、72、73和74，输入馈线75和输出馈线76分别与第一节双模谐振器71和第四节双模谐振器74相连。输入输出馈线特征阻抗为50欧姆。滤波器尺寸为44mm×14mm。
滤波器响应曲线如图8所示，滤波器两个通带分别为0.88～0.90GHz和0.99GHz～1.00GHz。
第二实施例：
本实施例的上层超导谐振器结构如图3所示,包括一条对称弯折型谐振器31和单螺旋型加载谐振器32，单螺旋型加载谐振器32加载与对称弯折型谐振器31中部，线宽都为0.2mm。
双模谐振器的两个谐振模式分别为第一谐振模式频率2.48GHz和第二谐振模式频率3.50GHz。
本实施例所设计的滤波器如图9所示。滤波器包含有四节双模谐振器。输入输出馈线特征阻抗为50欧姆。滤波器尺寸为15mm×15mm。
滤波器响应曲线如图10所示，滤波器两个通带分别为2.43～2.52GHz和3.47GHz～3.55GHz。
上述实施例只是举例对本发明进行说明,但是本发明并不局限于此。可以在此实施例的基础上进行多种变形,例如左右对称半波长谐振器包括但不限于图11a的对称直线型半波长谐振器111、图11d的对称弯折型半波长谐振116器、图11g的对称螺旋型半波长谐振器117；加载型枝节线包含并不限于图11a的直线型加载枝节线112、图11b的弯折型加载枝节线114、图11c的螺旋型加载枝节线115。双模谐振器还包括上述所提的任意一种对称半波长谐振器与任意一种加载枝节线的组合。
本发明中的设计工作是利用电磁场仿真软件(如Sonnet)在计算机上运行的,具体操作方法参考软件用户使用手册。本发明中的超导微带线谐振器是按常用工艺制作的,即按光刻、刻蚀、封装等工艺步骤,属于本领域技术人员的公知技术。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)

1.一种双通带滤波器，由两个以上的双模谐振器级联构成，其特征在于，所述双模谐振器包括一个加载型枝节线和一个左、右对称的半波长谐振器；所述加载型枝节线加载在所述半波长谐振器的中部。
2.如权利要求1所述的一种双通带滤波器，其特征在于，所述半波长谐振器为直线型、对称弯折型或者对称螺旋形。
3.如权利要求1或2所述的一种双通带滤波器，其特征在于，所述加载型枝节线为直线型、弯折型或者螺旋型。
4.如权利要求1所述的一种双通带滤波器，其特征在于，所述双模谐振器包括上层谐振器结构、下层导体薄膜以及位于上、下两层导体之间的介质基片。
5.如权利要求1所述的一种双通带滤波器，其特征在于，所述双通带滤波器的第一级双模谐振器设置有输入馈线，最后一级双模谐振器设置有输出馈线。
6.一种用于权利要求1所述的双通带滤波器的优化方法，其特征在于：定义所述滤波器中任意两个级联的双模谐振器中的两个所述半波长谐振器的间距为g1，两个加载型枝节线的间距为g2；定义两个双模谐振器的第一谐振模式之间的耦合系数为M1，第二谐振模式之间的耦合系数为M2；
首先调节g1的大小使得M1满足设计要求；然后再调节g2的大小使得M2满足要求，由此完成所述滤波器的优化。
7.如权利要求6所述的双通带滤波器的优化方法，其特征在于：调节g2过程中保持g1不变。
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