CN109728386A

CN109728386A - 基于伪交指耦合的四频带通滤波器

Info

Publication number: CN109728386A
Application number: CN201811578047.0A
Authority: CN
Inventors: 张吉曜; 张友俊
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明公开了一种基于伪交指耦合的四频带通滤波器的拓扑结构，即基于开路多枝节加载阶跃阻抗四模谐振器的四频带通滤波器。所述滤波器外形由两个两阶谐振器采用伪交指耦合的方式组成，结构关于对角线对称，保证了滤波器结构的紧凑性；滤波器采用的谐振器有四个可单独控制的谐振模式，致使滤波器的中心频率可单独调控，通过调控两谐振器间的耦合系数可使滤波器带宽可控，保证了滤波器通带可控；所设计滤波器采用两端口单指端耦合结构网络，共有两条馈线，信号输入端口和信号输出端口分别设置在拓扑结构的左侧和右侧，确保了损耗较低；所设计的滤波器利用耦合结构实现四通带，确保该滤波器的实用性。

Description

基于伪交指耦合的四频带通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种结构新颖、制作简单，并可用于微波电路进行滤波的基于伪交指耦合的四频带通滤波器。

背景技术：

从电信发展的历程来看，滤波器在微波电路中一直扮演着重要的角色，滤波器在整个通信系统中具有不可替代的作用，然而电磁波的频谱是有限的（微波的波长范围为1m到1mm，其频率范围在300MHz到300GHz），且须按照应用加以分配，此时滤波器作为一种选频装置，其根本功能在于能抑制不需要的频段信号，而使需要的频段信号顺利通过。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，而在阻带范围内它使信号完全不能传输。

随着科技的进步、社会的发展和对滤波器的研究，高选择性、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、采用慢波结构设计微带滤波器。3、采用多层技术减小滤波器的体积。4、采用四模谐振器设计滤波器等。

由于微带谐振器便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。四模谐振器是微波带通滤波器小型化最有效的手段之一，其原理在于：在普通谐振器的基础上采用开路多枝节加载，使谐振器形成四个谐振模式，四种谐振模式使谐振器具有四个传输路径，可使得滤波器频带的中心频率可控，四个传输路径如用同一部分传输路径就可达到滤波器结构紧凑的目的，满足小型化的要求。另外，不同枝节之间的耦合可使带宽可控。通过改变枝节线的长度和谐振器之间的耦合间隙大小来设计滤波器，结构简单。主要包括波导四模谐振器、介质四模谐振器和微带四模谐振器。常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形、T形、十字形或折线等形式。

从现有文献来看, 已经研究的微带四模谐振器(滤波器)主要包括: 环形枝节加载谐振器、十字形阶跃阻抗谐振器、开路枝节加载阶跃阻抗谐振器等。

发明内容

为了满足微波电路技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的基于伪交指耦合的四频带通滤波器。

本发明提供一种基于伪交指耦合的四频带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。

本发明是一种通带可控的低损耗小型四频带通滤波器。采用介电常数ɛ_r=2.65，介质厚度h=1mm的材质进行仿真优化。本发明新型结构的实际尺寸为28.4mm*15mm，其中馈线宽度为2.86mm。

所述基于伪交指耦合的四频带通滤波器，有一对信号输入和输出端口，分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，馈线宽度为2.86mm。所述基于伪交指耦合的四频带通滤波器的外形由两个梳状谐振器和耦合线组成，保证了滤波器结构的紧凑性，相应尺寸是经过优化得来的。

滤波器的主体是两个梳状谐振器，上边的梳状谐振器是由两个开路枝节和一条均匀阻抗传输线构成，为了谐振器的小型化，均匀阻抗传输线的两端向一边弯曲，传输线的一端插入U形结构馈线的中间，另一端插入对面的梳状谐振器齿间，在另一条U形结构馈线的内侧。下边的梳状谐振器跟上边的梳状谐振器结构一样，相对于矩形的对角线反对称。上面梳状谐振器的齿从左到右为传输线，长11.6mm，宽1mm；左边第二个齿为短开路枝节长4.8mm，宽1.8mm；左边第三个齿为长开路枝节长7.5mm，宽1.8mm；左边第四个齿为传输线（也就是右边第一个齿）长11.6mm，宽1mm。

在本发明的具体实施例子中，所述梳状谐振器结构和馈线材质均为铜箔。

为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

一种基于伪交指耦合的四频带通滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括两个U形结构的馈线和两个梳状谐振器。所述基于伪交指耦合的四频带通滤波器的左右两边是U形结构的馈线，作为输入、输出端口。中间是两个梳状谐振器，上边的谐振器齿向下，下边的谐振器齿向上，交叉在一起，馈线和谐振器缝隙耦合，整个结构近似长方形。

本发明的基于伪交指耦合的四频带通滤波器，具体尺寸如下：

左右两边的U形结构馈线底部宽2.86mm，长3mm；U形结构的两个单臂边长10.5mm，宽0.6mm；梳状结构谐振器的最长齿是传输线长为11mm，宽为1mm，与U形结构的馈线缝隙为0.4mm；梳状四模谐振器另外还有三个齿，两个较宽的短齿位于对面梳状四模谐振器的齿间，于对面梳状四模谐振器的齿呈交错状，两个较宽的短齿宽为1.8mm，上面谐振器的左边宽齿较短，长为4.8mm，与另一较长的宽齿间距为8mm，与左边传输线的间距为6.5mm，中间的宽齿长为7.5mm，右边的齿较窄为传输线, 宽为1mm，长为11.6mm，紧邻U形结构馈线的一边,缝隙为0.6mm；下边的谐振器与上边的谐振器对面交错放置，上边谐振器的短宽齿跟下边谐振器的长宽齿缝隙为0.7mm；上边谐振器的长宽齿跟下边谐振器的短宽齿缝隙为0.7mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了基于开路多枝节加载阶跃阻抗四模谐振器四频带通滤波器的拓扑结构。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：4个通频带中心频率依次为2.2/3.7/4.8/7.8GHz，3dB带宽分别是13%/19.2%/12.1%/12.5%,插入损耗分别是0.32/0.23/0.11/0.18dB，每个通频带的回波损耗都优于15dB。生成了6个传输零点分别在1.9/3.3/4.2/6.8/8.3/9.5GHz，导致高选择性。

附图说明

图1 为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的单个梳状谐振器结构拓扑图。

图3为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的U形结构馈线的拓扑图。

图4为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的拓扑结构图。

图5为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的S参数仿真曲线与实物测试曲线对比图。

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伪交指耦合的四频带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：由两个梳状结构的四模谐振器1组成，保证了滤波器结构的紧凑性；输入和输出端口为U形结构的馈线2，位于四模谐振器的两边。整个滤波器的外形近似长方形。

设置各参数尺寸如下：滤波器左右两边馈线部分呈U形结构，单臂边长l₁=10.5mm，宽W₁=0.6mm，馈线呈U形结构的横边宽W₀=2.86mm，长l₀=3mm；梳状四模谐振器的最长齿插入U形结构的馈线间，长l₁₀=11mm，宽W₂=1mm，与U形结构的馈线缝隙为g₀=0.4mm；梳状四模谐振器两个较宽的短齿与对面梳状四模谐振器的齿呈交错状，两个较宽的短齿宽为W₃=1.8mm，上面谐振器的左边宽齿较短，长l₆=4.8mm，与左边传输线的距离l₉=6.5mm，与右边宽齿的距离l₈=8mm，中间的宽齿长l₇=7.5mm，与右边传输线的距离l₅=6mm；右边的齿较窄, 为传输线，宽W₂=1mm，长l₂=11.6mm，紧邻U形结构馈线的一边, 缝隙为g₂=0.6mm。梳状谐振器的梳背长l₃=26.1mm。

图2为本发明基于伪交指耦合的四频带通滤波器的单个梳状结构拓扑图。

双模特性是Wolff在20世纪70年代初设计和制作带通滤波器时首次发现的，四模特性则于近几年首次被发现使用。从现有文献来看, 已经研究的微带四模谐振器(滤波器)主要包括: 四模阶跃阻抗谐振器、基于多层技术的紧凑型四频带通滤波器、开路枝节加载阶跃阻抗谐振器等。多枝节加载四模谐振器有四个可相对控制的谐振模式，多谐振模式共用同一段传输路径，使得滤波器结构紧凑，通过控制耦合枝节线的长度使滤波器中心频率可控，通过控制两谐振器之间的耦合间隙，滤波器带宽可控，由此可保证滤波器通带可控。通过改变二端口之间的间隙可对耦合强度进行控制。

本发明是一种新型的结构简单、通带可控、损耗较小的四频带通滤波器，在滤波器的外形（拓扑结构）上不同于现有文献四频微带带通滤波器的外形，本发明的四频带通滤波器，结构紧凑，通带可控，损耗较低，性能良好。

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

1.一种基于伪交指耦合的四频带通滤波器，微带基片的介电常数为2.65，厚度为1mm，包括两个四模谐振器和馈线，其特征在于：所述基于伪交指耦合的四频带通滤波器外形近似长方形，相对于长方形的对角线上下反对称，滤波器采用源-负载单指端耦合结构，共有两条馈线，滤波器左右两边部分为馈线,宽度最宽,呈U形结构，作为信号输入端口和信号输出端口，所述滤波器外形由两条馈线与多枝节加载四模谐振器耦合而成，单个四模谐振器呈梳状结构。

2.根据权利要求1所述的基于伪交指耦合的四频带通滤波器，其特征在于：滤波器左右两边馈线部分呈U形结构的单臂边长10.5mm，宽0.6mm，馈线呈U形结构的横边宽2.86mm，长3mm；所述梳状四模谐振器的最长齿插入U形结构的馈线间，长为11mm，宽为1mm，与U形结构的馈线缝隙为0.4mm；梳状四模谐振器另外还有三个齿，两个较宽的短齿位于对面梳状四模谐振器的齿间，与对面梳状四模谐振器的齿呈交错状，两个较宽的短齿宽为1.8mm，上面谐振器的左边宽齿较短，长为4.8mm，中间的宽齿长为7.5mm，右边的齿较窄, 宽为1mm，长为11.6mm，紧邻U形结构馈线的一边, 缝隙为0.6mm。

3.根据权利要求1所述的基于伪交指耦合的四频带通滤波器，其特征在于：所述基于伪交指耦合的四频带通滤波器的微带线和馈线材质均为铜箔。