CN109728387A - 四带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构简单的四频带通滤波器，其中滤波器采用多枝节加载四模谐振器构成。该滤波器结构采用源‑负载单指端耦合结构，左右对称，且面积较小；谐振器有4条相对可控的谐振路径，滤波器产生四个中心频率不同的通带，且滤波器可以改变相应的谐振路径长度来调节各自频带位置；馈线与传输线以电容耦合的形式使滤波器工作，信号输入端口和信号输出端口分别设置在滤波器左右两侧，致使滤波器损耗较低且具有实用性；本发明提供了一种四频带通滤波器结构，滤波器结构简单，通带中心频率易控，损耗较低，性能良好。

Description

四带通滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种创新设计、结构简单，并可用于微波电路进行滤波且性能良好的四带通滤波器。

背景技术：

随着现代无线通信领域多频段运营的需求，多频带通滤波器已经成为通信系统前端射频的关键组成部分。过去有许多用不同技术制成的双频带或三频带滤波器。因为四频带通滤波器通带频率不易控制，所以此类研究并不多。

滤波器在微波电路中一直扮演着重要的角色，并且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。滤波器作为一种选频装置，其根本功能在于抑制不需要的频段的信号，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，而在阻带范围内他使信号完全不能传输。

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。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。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。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/短路多枝节加载，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。

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四通带通滤波器设计。为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

本发明提供一种新型拓扑结构的四通带通滤波器。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对提出的四通带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。

本发明是一种基于开路和短路枝节的两个谐振器的四通带通滤波器。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16.04mm*23.51mm，其中馈线宽度为2.8mm。

所述的四频带通通滤波器设置有输入、输出信号端口，分别设置在滤波器结构的左右两侧，馈线宽度为2.8mm。滤波器的外形由一对阻抗匹配线和两个谐振器构成，阻抗匹配线和两个谐振器之间以及两个谐振器间有缝隙，这些缝隙构成电容耦合，整个谐振器微带线的宽度都是0.4mm。单一谐振器由开路和短路枝节构成；开路枝节由位于上水平微带线中部的节线和位于此水平微带线一端的倒钩形节线组成，设计成这样的原因是为了开路枝节的谐振和谐振器的小型化，开路枝节线左右对称，调节间距可改变谐振频率位置。短路枝节由位于下水平微带线的一端连接一短路节线，为了加强谐波频率，在下水平微带线的中部连接一个钩形向上的开路枝节，短路枝节线左右对称，保证了滤波器结构的紧凑性，相应尺寸是经过优化得来的。

所述四频带通滤波器采用的谐振器有四个可相对控制的谐振模式，致使滤波器的中心频率位置可调控，通过调控两谐振器间的耦合系数，在一定的耦合强度下可使滤波器带宽可控，保证了滤波器通带可控。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的四频带通滤波器拓扑结构，即由二阶多枝节加载四模谐振器耦合而成的新型四频带通滤波器结构，将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，测试表明：该结构的四频带通滤波器，结构紧凑，通带可控，损耗较低，性能良好。

在本发明的具体实施例子中，所述多枝节加载四模谐振器微带线和馈线材质均为铜箔。

本发明的具体技术方案如下：

一种多枝节加载四模谐振器的四频带通滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm。该滤波器包括：二阶多枝节加载四模谐振器,滤波器结构采用源-负载单指端耦合结构，馈线在主传输线的内侧，共有两条馈线，信号输入和信号输出端口分别位于结构的左侧和右侧，并且利用耦合结构实现四通带，确保该滤波器实现四通带滤波,4个通频带中心频率依次为2.58/3.27/5.27/6.06GHz，插入损耗分别是1.02/1.31/0.93/1.66dB，每个通频带的回波损耗都优于15dB。生成了4个传输零点分别在3.0/4.3/5.6/7.0GHz，致使高选择性。

所述的四频带通滤波器设置有输入、输出信号端口，分别设置在滤波器结构的左右两侧，馈线宽度为2.8mm。所述滤波器的外形由一对阻抗匹配线和两个谐振器构成，阻抗匹配线和两个谐振器之间以及两个谐振器间有缝隙，这些缝隙构成电容耦合，整个谐振器微带线的宽度都是0.4mm。单一谐振器由开路和短路枝节构成，开路枝节由位于上水平微带线中部的节线和位于此水平微带线一端的倒钩形节线组成，设计成这样的原因是为了开路枝节的谐振和谐振器的小型化。开路枝节线左右对称，调节间距可改变谐振频率位置。短路枝节由位于下水平微带线的一端连接一短路节线，为了加强谐波频率，在水平微带线的中部连接一个钩形向上的开路枝节，短路枝节线也是左右对称，保证了滤波器结构的紧凑性。

本发明的滤波器，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2.8mm，馈线长3.2mm；连接馈线的阻抗匹配线呈L形，L形的竖边长15.5mm，宽为0.4mm，滤波器中除了馈线,其他的微带线都是0.4mm，匹配线和主传输线之间的间距为0.2mm。所述开路枝节是上面的水平微带线，长7.56mm，中部离连接主传输线的外边距离为4 mm有一条垂直向上的微带线长2.8mm，作为开路枝节，上面水平微带线的另一端连接一个倒钩形的开路枝节，倒钩的短边长为2.22mm，横边为1.85mm，钩的长边为4.8mm；主传输线连接一条下水平微带线是弯曲的短路枝节，下水平微带线的另一端连接一条向下的有过孔的微带线，长为2.15mm；下水平微带线的长为7.51mm，中部连接一个向上的钩形开路枝节，此钩距短路枝节的为距离3.2mm，钩形的长边为6mm，、短边为2.4mm，水平边为3.1mm。

本发明的积极进步效果在于：所述四频带通滤波器采用的谐振器有四个可相对控制的谐振模式，致使滤波器的中心频率位置可调控，通过调控两谐振器间的耦合系数，在一定的耦合强度下可使滤波器带宽可控，保证了滤波器通带可控。改变短路枝节和下水平微带线的长度，可调节第一个通带的中心频率。微调钩形的长度，将会改变第二通带的中心频率。在调节过程中短路枝节和钩形水平边的长度会影响到第三通带的位置。进一步改变上水平微带线开路枝节的长度对第三通带进行微调。最后微调倒钩形开路枝节的总长度可调整第四通带，图2所示为滤波器通带中心频率的调节过程。横坐标是频率，单位是GHz，纵坐标是插入损耗，单位是dB。

附图说明：

图1 为本发明四频带通滤波器的几何结构示意图。

图2 为本发明四频带通滤波器第一中心频率处的调整示意图，由于枝节间距离较近，会影响到第三频带处的中心频率。

图3 是本发明四频带通滤波器第二中心频率处的调整示意图，会影响到第三频带处的中心频率。

图4 是本发明四频带通滤波器第三中心频率处的调整示意图，当确定第一第二频带后，第三频带处的频率相对可控。

图5 是本发明四频带通滤波器第四中心频率处的调整示意图。

图6本发明四频带通滤波器的开路枝节拓扑图。

图7本发明四频带通滤波器的短路枝节拓扑图。

图8本发明四频带通滤波器的谐振器拓扑图。

图9 本发明四频带通滤波器的L形的竖边阻抗匹配线和馈线, 对应图1中的3，竖边阻抗匹配线的长15.5mm，馈线的长3.2mm，馈线的宽2.8mm。

图10本发明四频带通滤波器的拓扑结构图

图11本发明四频带通滤波器实物测试与仿真出的S参数对比图。

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为本发明提供的滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：由两个左右对称的谐振器（图中的1和2）和连接馈线的阻抗匹配线3组成；通过调控两谐振器间的耦合系数，在一定的耦合强度下可使滤波器带宽可控。改变开路枝节1的长度可对第三通带进行微调，微调钩形的长度，将会改变第二通带的中心频率。改变短路枝节2可调节第一个通带的中心频率；短路枝节和钩形水平边的长度会影响到第三通带的位置；微调倒钩形开路枝节的总长度可调整第四通带。连接馈线的阻抗匹配线3呈L形。

图2、图3、图4、图5为滤波器中心频率f _1、 f _2、 f _3、 f ₄的仿真曲线图。

图9是滤波器的结构拓扑图（尺寸图）,设置各参数尺寸如下：

主传输线到下水平微带线的距离L1=13mm，上、下水平微带线间的距离L2=1.65mm，开路枝节1向上的微带线长L3=2.8mm，倒钩形开路枝节水平边长L4=1.85mm，倒钩形开路枝节短边长L5=2.22mm，开路枝节1向上的微带线距主传输线的距离L6=4mm，上水平微带线的长L7=7.56mm，下水平微带线的长L8=7.51mm，钩形开路枝节长边的距离L9=6mm，短路枝节2接地微带线向下的长L10=2.1mm，短路枝节2钩形微带线的短边长L11=2.4mm，短路枝节2接地微带线距钩形微带线的距离L12=3.2mm，短路枝节钩形微带线的水平边长L13=3.1mm，阻抗匹配线的长L14=15.5mm，倒钩形开路枝节边长边的长L15=4.8mm，馈线的长L16=3.2mm，馈线的宽W0=2.8mm，所有微带线的宽W1=0.4mm，两个倒钩形开路枝节间的距离g0=0.12mm，两个短路枝节2接地微带线间的距离g1=0.22mm，两个钩形微带线短边间的距离g2=0.44mm，主传输线和阻抗匹配线间的距离g3=0.2mm。选取介电常数ɛ_r=2.65，馈线，对应50欧的特征阻抗。介质厚度h=1mm的材质进行实物加工制作。

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 (2)

1.一种四通带滤波器，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、两组耦合线和馈线，其特征在于：所述四通带滤波器相对于垂直的中轴线左右对称，滤波器采用源-负载单指端耦合结构，共有两条馈线，滤波器左右两边凸出部分为馈线,宽度最宽,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；滤波器中除了左右与馈线相连部分外，是对称于垂直中轴线的两个四模谐振器，两个谐振器间有缝隙；主传输线加载两段枝节其中一段为开路枝节，另一段为短路枝节，开路枝节线左右对称；主传输线连接两条水平微带线的一端，上面的水平微带线的中部连接一条垂直向上的微带线，该微带线距离主传输线的外边为4mm，微带线的长为2.8mm，作为开路枝节；上面水平微带线的另一端连接一个到钩形的开路枝节，倒钩的短边长为2.22mm，横边为1.85mm，钩的长边为4.8mm；馈线与阻抗匹配线物理连接，呈L形，L形的竖边是阻抗匹配线，宽横边为馈线,放置在主传输线的内侧，跟谐振器有缝隙，馈线宽度是2.8mm，长度为3.2mm；垂直平行于阻抗匹配线的是主传输线，长度是15.5mm，滤波器除了馈线，其他微带线的宽度都是一样的，其值是0.4mm，匹配线和主传输线之间的间距为0.2mm；短路枝节线左右对称，主传输线连接一条下水平微带线是弯曲的短路枝节，下水平微带线的另一端连接一条向下的微带线，长为2.15mm，上有一小孔，作为接地线的过孔。

2.根据权利要求1所述的四频带通滤波器，其特征在于：微带线和馈线材质均为铜箔。