CN109638398B - 具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，该带通滤波器包括微带介质板，微带介质板的正面设置有输入馈线、输出馈线、第一L型马刺线、第二L型马刺线、第一开路枝节传输线、第二开路枝节传输线、第一均匀传输线和第二均匀传输线；输入馈线与输出馈线均为均匀传输线，第一L型马刺线和第二L型马刺线分别刻蚀在输入馈线和输出馈线上，且第一L型马刺线和第二L型马刺线相互平行。在输入/输出端口各引入一条马刺线，通过调整马刺线的长度和宽度等结构参数，可控地引入一对传输零点，不仅在不会增加此滤波器尺寸的情况下实现了宽阻带，并起到了良好的谐波抑制作用。该滤波器具有高性能、小尺寸、低成本和易设计等优点。

Description

具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，可用于技术领域。
背景技术
滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利通过，微带滤波器作为一个通信系统的基本部件，其性能直接关系到整个系统的通信质量。一方面，随着无线电子产品在人民生活的普及，小型化、低成本已经成为了电子产品的趋势。另一方面，随着电子信息的迅猛发展，日趋紧张的频谱资源更加匮乏，为提高通信容量及降低相邻信道间信号干扰，对滤波器的选择性及集成化等提出了更高的要求。
现代微波通信系统对带通滤波器的要求，不仅仅是有良好的带内性能，如较小的插损、小型化的结构及良好的匹配等，而且要求其有高选择性以及良好的带外性能即有足够宽的阻带。尤其是在微波振荡器或放大器输出端，其输出的信号一般会含有谐波信号，因此具有良好的谐波抑制能力的滤波器是必不可少的。高性能的带通滤波器已广泛应用于军事和商业领域，如移动通信、卫星通信、雷达等。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，包括微带介质板，微带介质板的正面设置有输入馈线、输出馈线、第一L型马刺线、第二L型马刺线、第一开路枝节传输线、第二开路枝节传输线、第一均匀传输线和第二均匀传输线；所述输入馈线与输出馈线均为均匀传输线，且同处于同一中心线上，所述第一L型马刺线和第二L型马刺线分别刻蚀在输入馈线和输出馈线上，且第一L型马刺线和第二L型马刺线相互平行；所述输入馈线与输出馈线均为均匀传输线，且同处于同一中心线上；所述第一L型马刺线和第二L型马刺线分别刻蚀在输入馈线和输出馈线上，且相互平行；所述第一开路枝节传输线和第二开路枝节传输线分别与输入馈线和输出馈线垂直连接，且所述第一开路枝节传输线和第二开路枝节传输线相互平行；所述第一均匀传输线和第二均匀传输线设置于第一开路枝节传输线和第二开路枝节传输线之间，且所述第一均匀传输线和第二均匀传输线均与第一开路枝节传输线和第二开路枝节传输线相互平行，同时，它们都在输入馈线和输出馈线的垂直下面。
优选地，所述微带介质板为接地金属板。
优选地，所述输入馈线、输出馈线分别为源/负载耦合线。
优选地，所述第一L型马刺线与第二L型马刺线通过在输入馈线和输出馈线开槽形成。
优选地，所述第一开路枝节传输线和第二开路枝节传输线均设置于输入馈线和输出馈线的垂直下方且宽度相等。
优选地，所述第一均匀传输线和第二均匀传输线均设置于输入馈线和输出馈线的垂直下方，且均在末端对称开设有接地金属通孔。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
一、滤波器选用四分之一波长均匀阻抗谐振器，相比二分之一波长均匀阻抗谐振器，该结构使滤波器的结构更加紧凑，简化了设计的复杂度，满足现代滤波器设计小型化的要求。
二、在输入输出端口各引入的马刺线，通过调整其长度和宽度等结构参数，可控地引入一对传输零点，以达到实现滤波器的宽阻带。
三、引入的源/负载耦合，有利于实现滤波器的高选择性。
附图说明
图1为本发明的一种宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器的结构示意图。
图2为本发明的滤波器的耦合系数M12和间隙s2之间的关系图。
图3为本发明的滤波器的L型马刺线尺寸图与两个开路枝节的结构图。
图4为本发明的滤波器的fz3，fz4与s4之间的关系图。
图5为本发明的滤波器的结构参数图。
图6为本发明的基于优化得到的结构参数对微带滤波器仿真和加工测试的频率响应图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，如图1所示，该带通滤波器包括微带介质板9，所述微带介质板9为接地金属板。所述微带介质板9的正面设置有输入馈线1、输出馈线2、第一L型马刺线3、第二L型马刺线4、第一开路枝节传输线5、第二开路枝节传输线6、第一均匀传输线7和第二均匀传输线8。
所述输入馈线1与输出馈线2均为均匀传输线，且同处于同一中心线上，所述第一L型马刺线3和第二L型马刺线4分别刻蚀在输入馈线1和输出馈线2上，且第一L型马刺线3和第二L型马刺线4相互平行；所述输入馈线1与输出馈线2均为均匀传输线，且同处于同一中心线上。
所述第一L型马刺线3和第二L型马刺线4分别刻蚀在输入馈线1和输出馈线2上，且相互平行；所述第一开路枝节传输线5和第二开路枝节传输线6分别与输入馈线1和输出馈线2垂直连接，且所述第一开路枝节传输线5和第二开路枝节传输线6相互平行。
所述第一均匀传输线7和第二均匀传输线8设置于第一开路枝节传输线5和第二开路枝节传输线6之间，且所述第一均匀传输线7和第二均匀传输线8均与第一开路枝节传输线5和第二开路枝节传输线6相互平行，同时，它们都在输入馈线1和输出馈线2的垂直下面。
所述输入馈线1、输出馈线2分别为源/负载耦合线。所述第一L型马刺线3与第二L型马刺线4通过在输入馈线1和输出馈线2开槽形成。
所述第一开路枝节传输线5和第二开路枝节传输线6均设置于输入馈线1和输出馈线2的垂直下方且宽度相等。所述第一均匀传输线7和第二均匀传输线8均设置于输入馈线1和输出馈线2的垂直下方，且均在末端对称开设有接地金属通孔。
用本技术方案中的微带滤波器实现一个带通频率响应，中心频率为3.47GHz，相对带宽为4.3％，带内回波损耗大于20dB，插入损耗低于0.9dB，输入和输出馈线的阻抗设定为50Ω。如图2所示，横坐标为两个谐振器之间的间隙s2；纵坐标为两个谐振器之间的耦合系数。
该滤波器的中心频率为3.47GHz，相对带宽为4.3％，二次谐波和三次谐波均需要抑制在20dB以下，且在通带两侧的频率选择性要高。为了满足以上要求，首先对通带进行设计，因此选择的低通原型参数为：g0＝1，g1＝0.8431，g2＝0.622，g3＝1.3554，则根据下面公式，可得：
Figure BDA0001915038850000041
通过电磁仿真软件HFSS，对两个四分之一波长的谐振器提取耦合系数，可以发现随着间距的增加，耦合系数在快速的下降。
如图3和图4所示，为了满足此滤波器的高选择性和宽阻带的特性，同时还不增加滤波器的几何尺寸，采用了源/负载耦合以及耦合马刺线。通过对输入/输出馈线进行电容式耦合，可以很容易在通带两侧产生一对有限的传输零点，这样便可明显地提高频率选择性。为了增加可控的传输零点，此结构采用了“L”型马刺线。首先，可以在单条馈线上刻蚀马刺线，调整马刺的长度以及宽度等参数，确定需要增加零点的位置，然后根据图3中的示意图，调整馈线的间距s4，那么可控地调整两个传输零点(fz3和fz4)的相对位置，并且符合耦合理论，当间距s4增大时，其两个传输零点是相互靠近的，此时处于弱耦合状态，在本结构设计的目标是压制三次谐波，所以，将两个传输零点均设计在11GHz左右。如图4所示，横坐标为频率，单位(GHz)；纵坐标为插入损耗S21，单位(dB)，图内小方框：s4表示马刺线与输出馈线另一个端口间的耦合距离。
如图5所示，使用三维电磁仿真软件HFSS对滤波器进行仿真，仿真和加工的基板均是采用板厚0.5mm和相对介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880，通过不断的调试及优化可得到最终的结构参数为：w＝1.54mm，l＝9mm，l1＝7.59mm，w1＝0.7mm，w2＝0.2mm，l2＝4.8mm，l3＝0.6mm，w3＝0.3mm，l4＝9.33mm，s1＝0.45mm，s2＝0.5mm，s3＝0.2mm，s4＝0.9mm和r＝0.15mm，其中，w1为四分之一谐振器宽度，w2为马刺线开槽宽度，w3为开路枝节传输线宽度，l为输入馈线长度，l1为第一含有通孔的均匀传输线长度，l2为马刺线的开槽长度，l3为马刺线的开槽深度，l4为开路枝节传输线长度，s1为输入输出馈线的间隙，s2为谐振器的间隙，s3为谐振器与传输线间的距离，s4为马刺线到馈线另一端口的距离，r为接地金属通孔的半径。
图6为基于优化得到的结构参数对微带滤波器仿真和加工测试的频率响应图，包含了仿真结果和实测结果，此滤波器的中心频率为3.47GHz，其相对带宽是4.3％，且在通带范围内，通带范围为3.39GHz到3.54GHz，回波损耗和插入损耗分别为高于16.7dB以及低于0.9dB，因在2.36GHz和3.93GHz处分别产生了传输零点，所以有效地提高了此滤波器地频率选择性。因采用了四分之一波长地谐振器和马刺线结构，从而二次谐波和三次谐波均被有效地抑制，可以发现上阻带，一直到13.1GHz(3.77f0)处，插入损耗均高于19dB。如图6所示，横坐标频率，单位(GHz)；纵坐标为S参数(包括S21和S11)，图6内小方框：虚线表示仿真曲线，实线表示实测曲线。
本技术方案克服了现有微带滤波器的频率选择性较差、尺寸较大等不足，提供了一种新型的微带滤波器，在输入/输出端口各引入一条马刺线，通过调整马刺线的长度和宽度等结构参数，可控地引入一对传输零点，不仅在不会增加此滤波器尺寸的情况下实现了宽阻带，并且起到了良好的谐波抑制作用，同时，因源/负载耦合在临近通带两边产生一对传输零点，所以实现了高选择性。整体分析，此滤波器具有高性能、小尺寸、低成本和易设计等优点。
本发明基于微带滤波器技术，设计了一个带有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器。滤波器的中心频率为3.47GHz，可用于未来的第五代移动通信，其带外抑制度较高，结构紧凑，便于系统集成，满足了现代无线通信小型化高性能的要求。输入/输出耦合线上各添加一条马刺线来抑制高次谐波，拓宽了阻带范围，实现了宽阻带性能。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，其特征在于：包括微带介质板(9)，微带介质板(9)的正面设置有输入馈线(1)、输出馈线(2)、第一L型马刺线(3)、第二L型马刺线(4)、第一开路枝节传输线(5)、第二开路枝节传输线(6)、第一均匀传输线(7)和第二均匀传输线(8)；所述输入馈线(1)与输出馈线(2)均为均匀传输线，且同处于同一中心线上，所述第一L型马刺线(3)和第二L型马刺线(4)分别刻蚀在输入馈线(1)和输出馈线(2)上，且第一L型马刺线(3)和第二L型马刺线(4)相互平行；
所述第一L型马刺线(3)和第二L型马刺线(4)分别刻蚀在输入馈线(1)和输出馈线(2)上，且相互平行；
所述第一开路枝节传输线(5)和第二开路枝节传输线(6)分别与输入馈线(1)和输出馈线(2)垂直连接，且所述第一开路枝节传输线(5)和第二开路枝节传输线(6)相互平行；
所述第一均匀传输线(7)和第二均匀传输线(8)设置于第一开路枝节传输线(5)和第二开路枝节传输线(6)之间，且所述第一均匀传输线(7)和第二均匀传输线(8)均与第一开路枝节传输线(5)和第二开路枝节传输线(6)相互平行，同时，它们都在输入馈线(1)和输出馈线(2)的垂直下面；
所述第一均匀传输线(7)和第二均匀传输线(8)均设置于输入馈线(1)和输出馈线(2)的垂直下方，且均在末端对称开设有接地金属通孔；
所述输入馈线（1）、输出馈线（2）分别为源/负载耦合线；
所述第一L型马刺线(3)与第二L型马刺线(4)通过在输入馈线（1）和输出馈线（2）开槽形成。
2.根据权利要求1所述的具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，其特征在于：所述微带介质板(9)为接地金属板。
3.根据权利要求1所述的具有宽阻带和高选择性的紧凑型带通滤波器，其特征在于：所述第一开路枝节传输线(5)和第二开路枝节传输线(6)均设置于输入馈线(1)和输出馈线(2)的垂直下方且宽度相等。
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