CN109273806A - 基于六角t型谐振器的小型化低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器。该滤波器的特征在于：所述滤波器的外形由两个六角T型谐振器和耦合线组成，保证了滤波器结构的紧凑性；并且在输入和输出端口增加两个长方形谐振器为开路枝节，保证了滤波器的快速滚降；另外在滤波器上加入带阻结构，保证了滤波器足够宽的阻带带宽，可以实现良好的特性。另外，信号输入端口和信号输出端口分别设置在主滤波器的左侧和右侧。本发明提供了一种新型的低通滤波器拓扑结构，该结构较为紧凑，实现了小型化的要求，且性能优于其他结构的低通滤波器。

Description

基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种结构紧凑、制作简单，并可用于微波电路进行滤波的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器 。

背景技术：

目前，在射频和微波领域，使用的比较广泛的电子器件是微带滤波器，因为微带滤波器是平面结构，它可通过调节介质的介电常数来控制工作频率，此外，它具有尺寸小、易于加工、易于和有源电路集成、成本低等许多优点，所以，微带滤波器是近年来专家学者们研究的热点。从有无有源器件（单极型管、集成运放）组成来看，微带滤波器可以分为有源、无源两种。其中，有源滤波器滤波性能好、补偿无功功率以及具有动态补偿无功功率，具有很多优点，但是它也有着许多缺点，如体积大，功耗大，容量小以及成本较高等，这些缺点表明对有源滤波器的研究存在着一定的困难。而与有源滤波器不同的是，无源滤波器无论是在易于集成方面，还是抗噪声干扰和传输增益方面，都具有很大的优势，所以，这导致了更多的专家们对无源滤波器进行研究。

随着科学的发展与进步，越来越多的通信系统出现在我们的生活中，比如出现较早的蓝牙、数字广播、GSM，还有近些年才出现的WLAN、WiMAX、数据链等各种技术，对频谱的划分要求越来越高。而低通滤波器因为是一种选频元件，不仅可以放置在接收机的前端用来限制有效工作带宽，还可以放置在带通滤波器的前端消除系统的寄生通带、抑制谐波，所以在通信系统中扮演着非常重要的角色。

滤波器一般分为低通、高通、带通和带阻滤波器。而低通滤波器是最常用的选频元件，无论是带通、带阻还是高通滤波器，都可以通过对低通滤波器进行变换得到。在无线通信系统中，低通滤波器的作用是实现低频信号正常通过，高频信号被抑制，对通信系统中的干扰进行抑制，从而提高通信系统的性能。在无线通信系统中，低通滤波器主要有两种使用方式，一是置于系统接收机的前端，另一种是利用低通滤波器的相对宽阻带特性，将低通滤波器放置在系统带通滤波器的前面。一个好的低通滤波器要达到小型化和高性能的要求，其中高性能又分为宽阻带和快速滚降特性，宽阻带技术又叫抑制寄生通带技术，目前主要通过搬移寄生通带和加入阻抗特性的结构两种方法达到抑制寄生通带的目的。并且小型化、高性能的低通滤波器对抑制谐波和杂散信号的通信系统提出了更高的要求。所以，这两个特性就成为近些年低通滤波器的研究方向和重点。

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。其中由于低通滤波器的主要作用是抑制高频信号，通过低频信号，因此可以用来抑制干扰，是最常用的选频元件。所以对于低通滤波器在系统中的应用，人们总是想能够尽量使其插入损耗降低而使其阻带尽量扩宽，而在系统的设计时，通常要求微波滤波器的尺寸尽可能小，研发周期尽可能短，价格成本尽可能低等等。

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、采用多层技术减小滤波器的体积。3、采用对称结构设计滤波器等。

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。本设计中用到的六角型谐振器是实现手段之一，其原理在于：对常见的高低阻抗低通滤波器进行结构改进。将低通滤波器中的部分传输线用与其等效的六角T型谐振器替代，实现了带阻结构嵌入到低通滤波器的内部，既对阻带近端由低次谐波产生的寄生通带进行抑制，又不影响低通滤波器的通带内性能。该低通滤波器性能优越，体积比常见的高低阻抗低通滤波器体积更小。常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形或折线等形式。

从现有文献来看，已经研究的低通滤波器主要包括：阶梯阻抗谐振器（SIR）、缺陷地结构（DGS）滤波器和发卡式结构滤波器等。

发明内容

为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器。

本发明提供一种基于六角T型谐振器的低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。

商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是HFSS对提出的低通滤波器结构进行优化。再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拓扑结构。

本发明是一种基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器。采用介电常数ɛ_r=2.2，介质厚度h=0.508mm的材质进行仿真优化。本发明新型结构的实际尺寸为11.58mm*12.32mm，其中馈线宽度为1.69mm。

所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，有一对输入信号端口和输出信号端口，分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，馈线宽度为1.69mm。所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的外形由两个六角T型谐振器和耦合线组成，其中六角T型谐振器的长度为2mm，其直径为4mm，宽度1.99mm，保证了滤波器结构的紧凑性。这是滤波器的主体，相应尺寸是经过优化得来的。

所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，在输入和输出端口处增加两个长方形谐振器为开路枝节，其中长方形谐振器的长度为7.96mm，保证了滤波器特性曲线的快速下降，实现了滤波器良好的特性，其性能更优。

所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，加入了两个长方形贴片，其中长度为2.06mm，宽度为1.99mm，和倒L型微带线组成带阻结构。加入了这样两个长方形贴片之后，滤波器的阻带相比之前更宽，从而保证了滤波器足够宽的阻带带宽。

在本发明的具体实施例子中，所述六角T型谐振器结构、耦合线和馈线材质均为铜箔。

从现有文献来看，已经研究的低通滤波器主要包括：阶梯阻抗谐振器（SIR）、缺陷地结构（DGS）滤波器和发卡式结构滤波器等。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，微带基片的介电常数为2.2,介质厚度为0.508mm，包括两个六角T型谐振器、两个长方形谐振器、两个长方形贴片、耦合线和馈线。所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器中央设置一对互相垂直的水平中轴微带线和垂直中轴微带线；垂直中轴微带线的两端分别设置一个六角T型谐振器；水平中轴微带线的两端分别设置一个长方形谐振器；在每个长方形谐振器与垂直中轴微带线之间的水平中轴微带线上分别连接一个倒L形微带线，两个倒L形微带线位于水平中轴微带线上方，其端部朝着垂直中轴微带线方向都设置一个长方形贴片；两个长方形谐振器与水平微带线连接的中心位置背离垂直中轴微带线方向都有凸出部分，设置馈线，作为输入、输出端口。

本发明的于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，具体尺寸如下：

两个所述一对对称的输入、输出端口馈线宽度为1.69mm，馈线长0.4mm；所述六角T型谐振器的上下水平边长2mm，水平对角线长4mm，上下水平边之间的距离1.99mm，六角T型谐振器距水平中轴微带线的距离3.75mm；长方形谐振器的长7.96mm，长方形谐振器的宽1.5mm；联接方形谐振器倒L形微带线的宽度L5=0.6mm，连接长方形贴片倒L形微带线的长边长1.88mm，连接长方形贴片倒L形微带线的短边长0.83mm，倒L形微带线长边的宽0.3mm，倒L形微带线距垂直中轴微带线的距离3.61mm，长方形贴片的高2.06mm，长方形贴片的宽1.99mm；水平中轴微带线和垂直中轴微带线的宽度都是0.1mm；倒L形微带线和长方形谐振器之间的距离0.3mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的低通滤波器拓扑结构，即基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，结果表明，本发明滤波器整体性能较好：本文设计的低通滤波器的截止频率为3.93GHz，在低频段0.1GHz到3.79GHz之间的插入损耗小于1dB，在高频段4.58GHz到21.67GHz之间的衰减大于20dB。其中在高频段4.87GHz到20.56GHz之间的衰减大于30dB，由上可知，该滤波器不仅结构简单，尺寸较小，而且插入损耗低，回波损耗高，具有良好的性能。

附图说明

图1 为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的T型谐振器拓扑图。

图3为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的六角T型谐振器拓扑图。

图4为本发明T型谐振器和六角T型谐振器的S21仿真曲线对比图。

图5为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器所使用的六角T型谐振器拓扑结构图。

图6为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器中增加开路枝节后的谐振器拓扑结构图。

图7为本发明六角T型谐振器结构图和增加开路枝节后的谐振器结构图的S21参数仿真曲线对比图。

图8为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的拓扑结构图。

图9为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的S参数仿真曲线与实物测试曲线对比图。

图10为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的不同开路枝节长度L3值时低通滤波器的S参数仿真曲线对比图。

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，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明提供的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：由两个六角T型谐振器1和耦合线组成，保证了滤波器结构的紧凑性；在输入和输出端口增加两个长方形谐振器2，保证了滤波器的快速滚降，实现了良好的特性；在滤波器中加入带阻结构3，保证了滤波器足够宽的阻带带宽，其中带阻结构3为倒L型微带线和长方形贴片的组合。

图2、图3、图4为T型谐振器4和六角T型谐振器1的拓扑图和仿真曲线对比图，图5、图6、图8分别为谐振器的设计过程，分别为本发明所使用的六角T型谐振器1拓扑结构图，增加长方形谐振器2后的谐振器拓扑结构图，加入带阻结构3后的低通滤波器的最终结构拓扑图。

图7为六角T型谐振器1结构图和增加长方形谐振器2后的谐振器结构图的S21参数仿真曲线对比图。由仿真对比图可以看出，在谐振器的输入输出端口处加入两个长方形谐振器2之后，新的结构的阻带过渡带更陡峭些，并且在高频段4.58GHz~14GHz之间的衰减大于20dB，相对于之前的结构性能有了较大地改善。

图8 是基于六角T型谐振器的低通滤波器的结构拓扑图（尺寸图）。其中W1、W2和L1为六角T型谐振器的物理尺寸，L3是长方形谐振器长度，L4是馈线宽度，设置各参数尺寸如下：

六角T型谐振器1上下水平边的高L1=1.99mm，六角T型谐振器1距水平中轴微带线的距离L2=3.75mm，长方形谐振器2的长L3=7.96mm，馈线的宽度L4=1.69mm，联接长方形贴片微带线的宽度L5=0.6mm，联接长方形贴片倒L形微带线的长边L6=1.88mm，水平中轴微带线的宽度L7=0.1mm，长方形贴片的高L8=2.06mm，六角T型谐振器上下水平边长W1=2mm，水平对角线长W2=4mm，联接长方形贴片倒L形微带线的短边长W3=0.83mm，长方形贴片的宽W4=1.99mm，倒L形微带线长边的宽W5=0.3mm，倒L形微带线距垂直中轴微带线的距离W6=3.61mm，垂直中轴微带线的宽W7=0.1mm，长方形谐振器2的宽W8=1.5mm，馈线的长W9=0.4mm，倒L形微带线和长方形谐振器之间的距离W10=0.3mm。选取介电常数ɛ_r=2.2，介质厚度h=0.508mm的材质进行实物加工制作。滤波器中六角T形谐振器1（距水平中轴微带线3.75mm）、带阻结构3（由倒L型微带线和长方形贴片组成，其中联接的倒L型微带线长2.71mm，）和长方形谐振器2（中心距离中轴线5mm）是不同的谐振器，它们之间由微带线相联， 长方形左右凸出部分的宽1.69mm是馈线，对应50欧的特征阻抗。

图9为本发明基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器的S参数仿真曲线与实物测试曲线对比图。

图10为不同L3值时低通滤波器的S参数仿真曲线对比图。通过改变L3的取值大小，低通滤波器的性能也在发生改变，并且在长方形谐振器2长度L3=7.96mm时，低通滤波器的衰减性能最好，

宽阻带技术又叫做抑制寄生通带技术，目前抑制寄生通带的技术主要有以下两种方法：一是将寄生通带搬移，使其处于远离通带的频带内，二是加入具有带阻特性的结构，使阻带内的谐波得到抑制。近年来，有学者提出通过在低通滤波器中嵌入带阻滤波器实现拓宽阻带的效果。这一思路的出发点是嵌入的带阻滤波器不影响通带内的特性，在寄生通带内可以有效的抑制谐波。如2008 年，提出使用将低通滤波器中的串联传输线替代为 T 型节的方法在低通滤波器中嵌入带阻滤波器，通过这种改进使得滤波器中的 2 倍频和 3 倍频寄生通带得到了抑制。2010 年，在以往研究的结果上，通过对高低阻抗低通滤波器进行改进，然后在其中嵌入 T 型节带阻滤波器，结果显示其阻带超宽，性能很好。

从现有文献来看，已经研究的低通滤波器主要包括：阶梯阻抗谐振器（SIR）、缺陷地结构（DGS）滤波器和发卡式结构滤波器等。

本发明是一种新型的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，具有结构紧凑，性能良好等优点 。

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 (3)

1.一种基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，微带基片的介电常数为2.2,介质厚度为0.508mm，包括两个六角T型谐振器、两个长方形谐振器、两个带阻结构、耦合线和馈线，其特征在于：所述基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器中央设置一对互相垂直的水平中轴微带线和垂直中轴微带线；垂直中轴微带线的两端分别设置一个六角T型谐振器；水平中轴微带线的两端分别设置一个长方形谐振器；在每个长方形谐振器与垂直中轴微带线之间的水平中轴微带线上分别连接一个倒L形微带线，两个倒L形微带线位于水平中轴微带线上方，其端部朝着垂直中轴微带线方向都设置一个长方形贴片，组成带阻结构；两个长方形谐振器与水平微带线连接的中心位置背离垂直中轴微带线方向都有凸出部分，设置馈线，作为输入、输出端口。

2.如权利要求1所述的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，其特征在于：两个所述一对对称的输入、输出端口馈线宽度为1.69mm，馈线长0.4mm；所述六角T型谐振器的上下水平边长2mm，水平对角线长4mm，上下水平边之间的距离1.99mm，六角T型谐振器距水平中轴微带线的距离3.75mm；长方形谐振器的长7.96mm，长方形谐振器的宽1.5mm；联接方形谐振器倒L形微带线的宽度L5=0.6mm，联接方形谐振器倒L形微带线的长边长1.88mm，联接方形谐振器倒L形微带线的短边长0.83mm，倒L形微带线长边的宽5=0.3mm，倒L形微带线距垂直中轴微带线的距离3.61mm，长方形贴片的高2.06mm，长方形贴片的宽1.99mm；水平中轴微带线和垂直中轴微带线的宽度都是0.1mm；倒L形微带线和长方形谐振器之间的距离0.3mm。

3.如权利要求1所述的基于六角T型谐振器的小型化低通滤波器，其特征在于：所述六角T型谐振器结构、耦合线和馈线材质均为铜箔。