CN109546272A - 一种双频差分带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双频差分带通滤波器，旨在提高双频差分带通滤波器的带外选择性和共模抑制度，包括介质基板和金属接地板，介质基板的上表面印制有关于轴线AA'对称的两个开口相对的折叠型阶梯阻抗开口谐振环作为谐振器，轴线AA'的一侧印制有第一阶梯阻抗微带线、第一均匀阻抗微带线和U型输入微带线，另一侧印制有第二阶梯阻抗微带线、第二均匀阻抗微带线和U型输出微带线，其中两条均匀阻抗微带线与同侧的折叠型阶梯阻抗开口谐振环直接相连；介质基板的下表面印制有金属地板，轴线AA'在金属地板上的投影的一侧蚀刻有相互连接的第一阶梯阻抗缝隙线和第二阶梯阻抗缝隙线，另一侧蚀刻有相互连接的第三阶梯阻抗缝隙线和第四阶梯阻抗缝隙线。

Description

一种双频差分带通滤波器
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域，具体是一种双频差分带通滤波器，可应用于无线通信系统射频前端。
背景技术
近些年来，随着通信技术的飞速发展，滤波器作为一种关键的频率选择器件，起着越来越重要的作用，其性能好坏往往直接影响到整个通信系统的优劣。由于各种通信业务在不同频段应运而生，微波频段变得日益拥挤，同时，出现在不同频带的多种通信业务要求终端设备具有双/多频带和多种功能。这种情况下，单频滤波器由于适应性差、尺寸大而不再实用。为了同时满足双/多频段终端设备的多种功能，双/多频滤波器成为目前滤波器发展的主流。另一方面，现代无线系统面临着日益复杂的电磁环境，这使得人们对滤波器的抗干扰能力提出了更高的要求。差分结构凭借其在抗环境噪声，提高系统动态范围方面的明显优势而得到了广泛的关注与应用。将差分结构引入双/多频滤波器中，既实现了系统的小型化，还实现了良好的抗干扰性能。因此，差分双/多频滤波器受到了国内外众多学者越来越多的关注，研究差分双/多频滤波器具有深远的意义。
例如，2017年Fulya Bagci等学者在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS期刊(Vol.27，No.1，JANUARY 2017)上发表论文“Compact Balanced Dual-BandBandpass Filter Based on Modified Coupled-Embedded Resonators”，提出了一种基于耦合嵌入谐振器的双频差分带通滤波器，通过在谐振器下方对称地引入四个耦合的U形缺陷接地结构，在两个差分通带内抑制共模，但由于馈电结构导致总体的共模抑制不理想且带外选择性较差。
又如，申请公布号的CN 108365309 A，名称为“一种基于开路枝节加载耦合线馈电的平衡双通带滤波器”的专利申请，公开了一种基于开路枝节加载耦合线馈电的平衡双通带滤波器，该发明采用开路枝节加载型耦合馈电结构，能够实现全频率范围内的共模信号抑制，同时采用的谐振器具有两个可控的差模谐振模式。但该平衡双通带滤波器的共模信号抑制效果仍不够显著，且带外只有两个传输零点，带外选择性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种双频差分带通滤波器，旨在提高双频差分带通滤波器的带外选择性和共模抑制度，满足移动通信系统对优良性能的需求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种双频差分带通滤波器，包括介质基板1，所述介质基板1的上表面印制有微带谐振器，该微带谐振器由两个关于轴线AA'对称且开口相对的折叠型阶梯阻抗开口谐振环2组成，用于实现双频特性；所述轴线AA'的一侧印制有第一阶梯阻抗微带线3、第一均匀阻抗微带线4和U型输入微带线5，另一侧印制有第二阶梯阻抗微带线6、第二均匀阻抗微带线7和U型输出微带线8，所述第一阶梯阻抗微带线3和第二阶梯阻抗微带线6均由L型微带线和直线型微带线组成，其中第一阶梯阻抗微带线3上的L型微带线和第二阶梯阻抗微带线6上的L型微带线关于轴线AA'对称，所述第一阶梯阻抗微带线3上的直线型微带线通过第一均匀阻抗微带线4与同侧的阶梯阻抗开口谐振环2相连，所述第二阶梯阻抗微带线6上的直线型微带线通过第二均匀阻抗微带线7与同侧的阶梯阻抗开口谐振环2相连，且第一均匀阻抗微带线4与第二均匀阻抗微带线7关于微带谐振器的中心对称。
所述介质基板1的下表面印制有金属地板9，所述轴线AA'在金属地板9上的投影的一侧蚀刻有相互连接的第一阶梯阻抗缝隙线10和第二阶梯阻抗缝隙线11，该第一阶梯阻抗缝隙线10与U型输入微带线5耦合连接，另一侧蚀刻有相互连接的第三阶梯阻抗缝隙线12和第四阶梯阻抗缝隙线13，该第三阶梯阻抗缝隙线12与U型输出微带线8耦合连接；所述第二阶梯阻抗缝隙线11和第三阶梯阻抗缝隙线12均由L型缝隙线和直线型缝隙线组成，所述第二阶梯阻抗缝隙线11上的L型缝隙线和第三阶梯阻抗缝隙线12上的L型缝隙线关于轴线AA'在金属地板9上的投影对称。
作为优选，所述折叠型阶梯阻抗开口谐振环2，由矩形开口谐振环和两个与该矩形开口谐振环宽度不同的折叠枝节连接而成，该折叠型阶梯阻抗开口谐振环2关于通过两个折叠枝节中点所在轴线BB'对称，且轴线BB'与轴线AA'垂直。
作为优选，所述第一均匀阻抗微带线4和第二均匀阻抗微带线7，与轴线BB'平行，用以实现0度馈电。
作为优选，所述第一阶梯阻抗微带线3和第二阶梯阻抗微带线6，其上的L型微带线的一个臂与轴线AA'平行。
作为优选，所述第二阶梯阻抗缝隙线11和第三阶梯阻抗缝隙线12，其上的L型缝隙线的一个臂与轴线AA'在金属地板9上的投影平行。
作为优选，所述第一阶梯阻抗微带线3，其L型微带线与直线型微带线连接处在金属地板9上的投影，与第二阶梯阻抗缝隙线11的直线型缝隙线远离轴线BB'一侧的延长线重合；所述第二阶梯阻抗微带线6，其L型微带线与直线型微带线连接处在金属地板9上的投影，与第三阶梯阻抗缝隙线12的直线型缝隙线远离轴线BB'一侧的延长线重合。
作为优选，所述U型输入微带线5和U型输出微带线8，均由一条平行于AA'的微带底和两条平行于BB'的微带臂组成，且该U型输入微带线5和U型输出微带线8关于微带底的中点所在轴线CC'对称，该轴线CC'与轴线AA'垂直，其中U型输入微带线5的输入微带臂与U型输出微带线8的输出微带臂的宽度相同，均为50Ω阻抗线宽。
作为优选，所述第一阶梯阻抗缝隙线10，由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成，其中矩形缝隙靠近轴线AA'的边线与U型输入微带线5微带底远离轴线AA'的边线重合，直线缝隙的长度与U型输入微带线5微带底的宽度相同；所述第二阶梯阻抗缝隙线13由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成；其中矩形缝隙内侧线与U型输入微带线8的底线内侧线重合，直线缝隙的长度与U型输出微带线8的底的宽度相同。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明由于采用两个关于轴线AA'对称且开口相对的折叠型阶梯阻抗开口谐振环及位于轴线AA'两侧的均匀阻抗微带线直接相连，两均匀阻抗微带线关于微带谐振器的中心对称且平行于轴线BB'，用于构成0度馈电结构，使得两通路无相位差，可在差模通带的两侧各产生一个传输零点，从而提升了双频差分带通滤波器的带外选择性。
2.本发明由于采用U型输入/输出微带线，其中的两个微带臂为50Ω阻抗线，用于实现与馈电端口的良好匹配，微带底用于和位于其正下方金属接地板上的阶梯阻抗缝隙线耦合连接，以实现信号从微带到缝隙线的过渡，使得阶梯阻抗缝隙线可以激励起差模信号而无法激励起共模信号，能够实现差模信号的过渡传输和对共模信号的显著抑制。
3.本发明由于采用折叠型阶梯阻抗微带开口谐振环作为微带谐振器，可通过改变该微带谐振器的长度和两微带谐振器间的间距实现中心频率和带宽均可调的两个差模通带，且尺寸小，结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明介质基板上下表面各结构的相互关系图；
图3为本发明介质基板上表面各结构位置尺寸图；
图4为本发明介质基板下表面各结构位置尺寸图；
图5为本发明的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数实测图；
图6为本发明的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数实测图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2、图3和图4，一种双频差分带通滤波器，包括介质基板1，所述介质基板1的上表面印制有微带谐振器，该微带谐振器是由矩形开口谐振环和两个与该矩形开口谐振环宽度不同的折叠枝节连接而成的折叠型阶梯阻抗开口谐振环2，用于实现双频特性，两个开口谐振环开口相对，且同时关于轴线AA'和通过两个折叠枝节中点所在的轴线BB'对称，轴线BB'与轴线AA'垂直；所述轴线AA'的一侧印制有第一阶梯阻抗微带线3、第一均匀阻抗微带线4和U型输入微带线5，另一侧印制有第二阶梯阻抗微带线6、第二均匀阻抗微带线7和U型输出微带线8，所述U型输入微带线5和U型输出微带线8均由一条平行于AA'的微带底和两条平行于BB'的微带臂组成，该U型输入微带线5和U型输出微带线8关于微带底的中点所在轴线CC'对称，其中U型输入微带线5的输入微带臂与U型输出微带线8的输出微带臂的宽度相同，均为50Ω阻抗线；所述第一阶梯阻抗微带线3和第二阶梯阻抗微带线6均由L型微带线和直线型微带线组成，其中第一阶梯阻抗微带线3上的L型微带线和第二阶梯阻抗微带线6上的L型微带线关于轴线AA'对称，其上的L型微带线的一个臂与轴线AA'平行；所述第一阶梯阻抗微带线3上的直线型微带线通过第一均匀阻抗微带线4与同侧的阶梯阻抗开口谐振环2相连，所述第二阶梯阻抗微带线6上的直线型微带线通过第二均匀阻抗微带线7与同侧的阶梯阻抗开口谐振环2相连，第一均匀阻抗微带线4与第二均匀阻抗微带线7关于微带谐振器的中心对称且与轴线BB'平行，用以实现0度馈电。
所述介质基板1的下表面印制有金属地板9，所述轴线AA'在金属地板9上的投影的一侧蚀刻有相互连接的第一阶梯阻抗缝隙线10和第二阶梯阻抗缝隙线11，该第一阶梯阻抗缝隙线10与位于其正上方的U型输入微带线5耦合连接，另一侧蚀刻有相互连接的第三阶梯阻抗缝隙线12和第四阶梯阻抗缝隙线13，该第三阶梯阻抗缝隙线12与位于其正上方的U型输出微带线8耦合连接；所述第二阶梯阻抗缝隙线11和第三阶梯阻抗缝隙线12均由L型缝隙线和直线型缝隙线组成，所述第二阶梯阻抗缝隙线11上的L型缝隙线和第三阶梯阻抗缝隙线12上的L型缝隙线关于轴线AA'在金属地板9上的投影对称，其上的L型缝隙线的一个臂与轴线AA'在金属地板9上的投影平行。其中：
所述介质基板1，采用相对介电常数为2.2，大小为49.0mm×40.0mm，厚度为0.8mm的矩形F4BM-2材料。
所述折叠型阶梯阻抗开口谐振环2，由矩形开口谐振环和两个与该矩形开口谐振环宽度不同的折叠枝节连接为一个多模微带谐振器，用以减小微带谐振器尺寸，该折叠型阶梯阻抗开口谐振环2关于轴线BB'对称，用以形成两个中心频率和带宽均可调的差模通带，其矩形开口谐振环的总长度L1＝32.5mm，宽度W1＝0.5mm，折叠枝节的长度L2＝2.6mm，宽度W2＝1.2mm，两个折叠型阶梯阻抗微带开口谐振环2间的间距g1＝0.2mm，单个折叠型阶梯阻抗微带开口谐振环中两折叠枝节间的间距g2＝0.3，轴线AA'与U型输入微带线两臂远离轴线AA'一侧的距离为25.0mm。
所述第一均匀阻抗微带线4和第二均匀阻抗微带线7，分别位于轴线AA'两侧，与轴线BB'平行且关于微带谐振器的中心对称，保证信号在两端对称传输，两均匀阻抗微带线通过与两折叠型阶梯阻抗开口谐振环直接连接来实现0度馈电，使得通路两侧不存在信号差，从而在通带两侧各形成一个传输零点以提高带外选择性，两均匀阻抗微带线的长度Lm3＝4.15mm，宽度Wm4＝0.5mm，其中心与微带谐振器中心在轴线AA'方向上的距离d＝7.5mm。
所述第一阶梯阻抗微带线3和第二阶梯阻抗微带线6，其与均匀阻抗线直接相连的一个臂平行于轴线AA'，另一个臂平行于轴线BB'用以实现差模信号从缝隙线到微带线的过渡。第一阶梯阻抗微带线3的L型微带线总长度Lm1＝13.0mm，宽度Wm1＝1.2mm，直线型微带线长度Lm2＝16.6mm，宽度Wm2＝0.5mm；第二阶梯阻抗微带线6的L型微带线总长度Lm1＝13.0mm，宽度Wm1＝1.2mm，直线型微带线长度Lm5＝2.1mm，宽度Wm3＝0.5mm。
所述第二阶梯阻抗缝隙线11和第三阶梯阻抗缝隙线12，其上的L型缝隙线的一个臂与轴线AA'在金属地板9上的投影平行，用以顺利实现微带线到缝隙线的信号过渡，同时，两个阶梯阻抗缝隙线中L型缝隙线的平行于轴线AA'的臂之间形成交叉耦合，用以在差模通带两侧各形成一个传输零点，增加了双频滤波器的带外选择性。第二阶梯阻抗缝隙线11中L型缝隙线的总长度Ls7＝15.3mm，宽度Ws7＝1.0mm，直线型缝隙线长度Ls3＝2.5mm，Ws3＝0.2mm；第三阶梯阻抗缝隙线12中L型缝隙线的总长度Ls7＝15.3mm，宽度Ws7＝1.0mm，直线型缝隙线长度Ls4＝1.8mm，Ws4＝0.2mm。
所述U型输入微带线5和U型输出微带线8，均由一条平行于AA'的微带底和两条平行于BB'的微带臂组成，该U型输入微带线5和U型输出微带线8关于微带底的中点所在轴线CC'对称，用于同时输入差模信号与共模信号，轴线CC'与轴线AA'垂直，保证信号沿直线传输，其中U型输入微带线5的两条输入微带臂与U型输出微带线8的两条输出微带臂的宽度相同，均为50Ω阻抗线宽，以保证馈电端口匹配良好。U型输入微带馈线5的两条微带臂的长度Li2＝14.0mm，线宽Wi1＝2.5mm，微带底的长度Li1＝12.0mm，宽度Wi2＝4.0mm，U型输出微带馈线8的两条微带臂的长度Li3＝14.0mm，线宽Wi3＝2.5mm，微带底的长度Li4＝12.0mm，宽度Wi4＝2.5mm，轴线CC'与微带谐振器所在一侧的介质板边界的距离为25.0mm。
所述第一阶梯阻抗缝隙线10，由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成，与正上方介质基板1上的U型输入微带线5组成信号从微带线到缝隙线的转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制，其中矩形缝隙靠近轴线AA'的边线与U型输入微带线5微带底远离轴线AA'的边线在金属接地板9的投影重合，直线缝隙的长度与U型输入微带线5微带底的宽度相同，保证信号的过渡；所述第四阶梯阻抗缝隙线13，由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成，与其正上方的U型输出微带线8组成微带-缝隙线转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制，其中矩形缝隙靠近轴线AA'的边线与U型输入微带线8微带底远离轴线AA'的边线在金属接地板9的投影重合，直线缝隙的长度与U型输入微带线8微带底的宽度相同，保证信号的过渡。第一阶梯阻抗缝隙线10的矩形缝隙长度Ls1＝8.0mm，宽度Ws1＝5.0mm，直线缝隙Ls2＝4.0mm，Ws2＝0.6mm，第四阶梯阻抗缝隙线13的矩形缝隙长度Ls6＝8.0mm，宽度Ws6＝6.0mm，直线缝隙Ls5＝2.5mm，Ws5＝0.4mm。
本发明的工作原理是：信号由U型微带线输入时，其中的微带差模信号激励起下方第一阶梯阻抗缝隙线的电场，而微带共模信号无法激起第一阶梯阻抗缝隙线的电场，这样只有差模信号得以通过第一阶梯阻抗缝隙线并传输至第二阶梯阻抗缝隙线，共模信号得到抑制，其中第二阶梯阻抗缝隙线和第三阶梯阻抗缝隙线的L型缝隙线间形成交叉耦合，可在低频处产生一个传输零点，差模信号再通过阶梯阻抗缝隙线至阶梯阻抗微带线的过渡结构传输至上层的第一阶梯阻抗微带线，并通过平行于轴线BB'的均匀阻抗微带线直接传输至折叠型阶梯阻抗开口谐振环，其阶梯阻抗特性用于形成两个差模通带，两个均匀阻抗微带线关于谐振环的中心对称，用于0度馈电结构，使得信号两通路无相位差，从而在通带两侧各形成一个传输零点。
下面结合实测结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
使用矢量网络分析仪N5230A对一种双频差分带通滤波器进行了测量实验一和二，实验一测试了该双频差分带通滤波器的差模回波损耗和差模插入损耗实验结果见图5；实验二测试了该双频差分带通滤波器的共模回波损耗和共模插入损耗实验结果见图6。
图5为一种双频差分带通滤波器的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数实测图，本实施例中两个通带的中心频率分别为2.47GHz和5.26GHz，相对带宽分别为15.70％和8.53％；第一个通带中的最大差模回波损耗为12.0dB，最小差模插入损耗为1.24dB；第二个通带中的最大差模回波损耗为17.0dB，最小差模插入损耗为1.85dB；在第一差模通带左侧存在两个传输零点，分别位于1.63GHz、2.01GHz处，两个差模通带之间存在两个传输零点，分别位于2.94GHz、4.49GHz处，在第二差模通带右侧存在一个传输零点，位于5.69GHz处，从图5可以看出，该五个传输零点显著提高了带外选择性。
图6为一种双频差分带通滤波器的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数实测图，本实施例中的共模回波损耗在工作频段范围内小于等于0.4dB，共模插入损耗大于等于40.0dB，从图6可以看出，该双频差分带通滤波器实现了显著的共模抑制。

Claims (8)

1.一种双频差分带通滤波器，其特征在于包括介质基板(1)，所述介质基板(1)的上表面印制有微带谐振器，该微带谐振器由两个关于轴线AA'对称且开口相对的折叠型阶梯阻抗开口谐振环(2)组成，用于实现双频特性；所述轴线AA'的一侧印制有第一阶梯阻抗微带线(3)、第一均匀阻抗微带线(4)和U型输入微带线(5)，另一侧印制有第二阶梯阻抗微带线(6)、第二均匀阻抗微带线(7)和U型输出微带线(8)，所述第一阶梯阻抗微带线(3)和第二阶梯阻抗微带线(6)均由L型微带线和直线型微带线组成，其中第一阶梯阻抗微带线(3)上的L型微带线和第二阶梯阻抗微带线(6)上的L型微带线关于轴线AA'对称，所述第一阶梯阻抗微带线(3)上的直线型微带线通过第一均匀阻抗微带线(4)与同侧的阶梯阻抗开口谐振环(2)相连，所述第二阶梯阻抗微带线(6)上的直线型微带线通过第二均匀阻抗微带线(7)与同侧的阶梯阻抗开口谐振环(2)相连，且第一均匀阻抗微带线(4)与第二均匀阻抗微带线(7)关于微带谐振器的中心对称；
所述介质基板(1)的下表面印制有金属地板(9)，所述轴线AA'在金属地板(9)上的投影的一侧蚀刻有相互连接的第一阶梯阻抗缝隙线(10)和第二阶梯阻抗缝隙线(11)，该第一阶梯阻抗缝隙线(10)与U型输入微带线(5)耦合连接，另一侧蚀刻有相互连接的第三阶梯阻抗缝隙线(12)和第四阶梯阻抗缝隙线(13)，该第三阶梯阻抗缝隙线(12)与U型输出微带线(8)耦合连接；所述第二阶梯阻抗缝隙线(11)和第三阶梯阻抗缝隙线(12)均由L型缝隙线和直线型缝隙线组成，所述第二阶梯阻抗缝隙线(11)上的L型缝隙线和第三阶梯阻抗缝隙线(12)上的L型缝隙线关于轴线AA'在金属地板(9)上的投影对称。
2.根据权利要求1所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述折叠型阶梯阻抗开口谐振环(2)，由矩形开口谐振环和两个与该矩形开口谐振环宽度不同的折叠枝节连接而成，该折叠型阶梯阻抗开口谐振环(2)关于通过两个折叠枝节中点所在轴线BB'对称，且轴线BB'与轴线AA'垂直。
3.根据权利要求2所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述第一均匀阻抗微带线(4)和第二均匀阻抗微带线(7)，与轴线BB'平行，用以实现0度馈电。
4.根据权利要求1所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗微带线(3)和第二阶梯阻抗微带线(6)，其上的L型微带线的一个臂与轴线AA'平行。
5.根据权利要求1所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述第二阶梯阻抗缝隙线(11)和第三阶梯阻抗缝隙线(12)，其上的L型缝隙线的一个臂与轴线AA'在金属地板(9)上的投影平行。
6.根据权利要求2所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗微带线(3)，其L型微带线与直线型微带线连接处在金属地板(9)上的投影，与第二阶梯阻抗缝隙线(11)的直线型缝隙线远离轴线BB'一侧的延长线重合；所述第二阶梯阻抗微带线(6)，其L型微带线与直线型微带线连接处在金属地板(9)上的投影，与第三阶梯阻抗缝隙线(12)的直线型缝隙线远离轴线BB'一侧的延长线重合。
7.根据权利要求2所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述U型输入微带线(5)和U型输出微带线(8)，均由一条平行于AA'的微带底和两条平行于BB'的微带臂组成，且该U型输入微带线(5)和U型输出微带线(8)关于微带底的中点所在轴线CC'对称，该轴线CC'与轴线AA'垂直，其中U型输入微带线(5)的输入微带臂与U型输出微带线(8)的输出微带臂的宽度相同，均为50Ω阻抗线宽。
8.根据权利要求7所述的一种双频差分带通滤波器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗缝隙线(10)，由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成，其中第一矩形缝隙靠近轴线AA'的边线与U型输入微带线(5)微带底远离轴线AA'的边线重合，第一直线缝隙的长度与U型输入微带线(5)微带底的宽度相同；所述第二阶梯阻抗缝隙线(13)由一条矩形缝隙和一条直线缝隙组成；其中矩形缝隙内侧线与U型输入微带线(8)的底线内侧线重合，直线缝隙的长度与U型输出微带线(8)的底的宽度相同。
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