CN109755706A - 高带外抑制的电磁分路耦合滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器。本发明一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，包括：顶层金属板、底层金属板、中间介质层以及嵌入在所述中间介质层中的金属通孔阵列；所述顶层金属板、底层金属板和中间介质层从上到下依次设置；所述滤波器还包括两个谐振单元，所述谐振单元呈对称结构；所述谐振单元之间通过磁耦合实现电磁能量传输。本发明的有益效果：采用电磁分路耦合的方法是在相邻谐振器之间同时引入电耦合与磁耦合路径，并且电、磁耦合路径相互独立。与交叉耦合与电磁混合耦合相比，电磁分路耦合设计更加灵活，而且具有更小的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器领域，具体涉及一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器。
背景技术
随着当代移动通信技术日新月异的发展，无线电通信频率资源日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，多通道工作的要求越来越普遍，对分隔频率的要求也越来越高，通信设备中滤波器的数量也越来越多。为了改善通信系统的性能指标，抑制外部信号以及混频器、振荡器等器件产生的高次谐波，提高接收机的灵敏度，要求滤波器具有良好的频率选择性与带噪声外抑制能力。
国内外诸多学者在滤波器带外噪声抑制方面做了大量的研究工作。最直接的方法是增加额外的带阻结构来抑制噪声，而且引入的阻带可独立调节，例如：缺陷地结构(DGS)。但是，这样的设计方法往往会造成滤波器尺寸的增加与结构的复杂，而且会造成损耗的增大。
传统技术存在以下技术问题：
利用低通原型滤波器理论的综合设计方法不需要外加结构，可引入额外的零点来抑制带外噪声。准椭圆型滤波器可在通带两端引入对称的零点，但这种滤波器目前难以实现。与之相比，广义切比雪夫滤波器可在通带内引入任意的零点，而且具有较好的群延时特性。采用谐振器之间交叉耦合的方法可较容易实现广义切比雪夫滤波器，目前已得到广泛的应用。这种设计方法普遍应用于波导滤波器设计或发夹型滤波器当中，但是需要增加滤波器的阶数，进而造成尺寸的增加与损耗的增大。与交叉耦合不同，电磁混合耦合不需要复杂的拓扑结构，可在直线拓扑的滤波器中引入独立可控的传输零点，但是只能在通带的一侧引入零点，且谐振器之间的电磁混合耦合不易独立调节。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，采用电磁分路耦合的方法是在相邻谐振器之间同时引入电耦合与磁耦合路径，并且电、磁耦合路径相互独立。与交叉耦合与电磁混合耦合相比，电磁分路耦合设计更加灵活，而且具有更小的尺寸。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，包括：顶层金属板、底层金属板、中间介质层以及嵌入在所述中间介质层中的金属通孔阵列；所述顶层金属板、底层金属板和中间介质层从上到下依次设置；所述顶层金属板和底层金属板相互平行，所述金属通孔阵列与顶层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列与底层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列上下两端分别与顶层金属板、底层金属板相连接；所述滤波器还包括两个谐振单元，所述谐振单元呈对称结构；所述谐振单元之间通过磁耦合实现电磁能量传输。
在其中一个实施例中，所述滤波器的输入端与输出端设计在所述顶层金属板上，由微带传输线构成，通过容性槽线实现了源端与负载端之间的能量耦合。
在其中一个实施例中，所述谐振单元为三角或矩形结构。
在其中一个实施例中，所述谐振单元之间通过金属通孔构成的磁壁实现能量耦合。
在其中一个实施例中，所述谐振单元包括两个对称的SIR谐振器，两个SIR谐振器之间通过电磁分路耦合实现能量传输。
在其中一个实施例中，所述SIR谐振器之间的电耦合由容性槽线控制，磁耦合由感性金属通孔控制，电、磁耦合相互独立。
在其中一个实施例中，所述容性槽线的长度与宽度控制电耦合强度，所述感性金属通孔的直径控制磁耦合的强度。
一种高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，包括：N个任一项所述滤波器耦合为N阶滤波器；第一个滤波器的输入端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输入端口；第n-1个滤波器的输出端口与第n个滤波器的输入端口连接，2≤n≤N，n和N为正整数，第N个滤波器的输出端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输出端口。
本发明的有益效果：
采用电磁分路耦合的方法是在相邻谐振器之间同时引入电耦合与磁耦合路径，并且电、磁耦合路径相互独立。与交叉耦合与电磁混合耦合相比，电磁分路耦合设计更加灵活，而且具有更小的尺寸。采用SIR谐振器，可有效抑制微带滤波器的高次谐波；通过电磁分路耦合与源-负载耦合相结合，在滤波器的通带两端各引入两个传输零点；可以单独控制电、磁耦合对传输零点进行单独控制。由此，最终实现了滤波器的高频率选择性与高带外抑制性能。
附图说明
图1是本发明高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3为本发明高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的耦合拓扑结构示意图。
图4为本发明高带外抑制的电磁分路耦合滤波器下通带传输零点的位置随容性槽线宽度变化的S21参数曲线。
图5为本发明高带外抑制的电磁分路耦合滤波器上通带传输零点的位置随感性金属通孔直径变化的S21参数曲线。
图6为本发明高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的仿真与测试S参数对比图。
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说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，包括：顶层金属板、底层金属板、中间介质层以及嵌入在所述中间介质层中的金属通孔阵列；所述顶层金属板、底层金属板和中间介质层从上到下依次设置；所述顶层金属板和底层金属板相互平行，所述金属通孔阵列与顶层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列与底层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列上下两端分别与顶层金属板、底层金属板相连接；所述滤波器还包括两个谐振单元，所述谐振单元呈对称结构；所述谐振单元之间通过磁耦合实现电磁能量传输。
在其中一个实施例中，所述滤波器的输入端与输出端设计在所述顶层金属板上，由微带传输线构成，通过容性槽线实现了源端与负载端之间的能量耦合。
在其中一个实施例中，所述谐振单元为三角或矩形结构。
在其中一个实施例中，所述谐振单元之间通过金属通孔构成的磁壁实现能量耦合。
在其中一个实施例中，所述谐振单元包括两个对称的SIR谐振器，两个SIR谐振器之间通过电磁分路耦合实现能量传输。
在其中一个实施例中，所述SIR谐振器之间的电耦合由容性槽线控制，磁耦合由感性金属通孔控制，电、磁耦合相互独立。
在其中一个实施例中，所述容性槽线的长度与宽度控制电耦合强度，所述感性金属通孔控制磁耦合的强度。
一种高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，包括：N个任一项所述滤波器耦合为N阶滤波器；第一个滤波器的输入端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输入端口；第n-1个滤波器的输出端口与第n个滤波器的输入端口连接，2≤n≤N，n和N为正整数，第N个滤波器的输出端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输出端口。
本发明的有益效果：
采用电磁分路耦合的方法是在相邻谐振器之间同时引入电耦合与磁耦合路径，并且电、磁耦合路径相互独立。与交叉耦合与电磁混合耦合相比，电磁分路耦合设计更加灵活，而且具有更小的尺寸。采用SIR谐振器，可有效抑制微带滤波器的高次谐波；通过电磁分路耦合与源-负载耦合相结合，在滤波器的通带两端各引入两个传输零点；可以单独控制电、磁耦合对传输零点进行单独控制。由此，最终实现了滤波器的高频率选择性与高带外抑制性能。
图1为电磁分路耦合滤波器的三维模型示意图。由图1所示，本发明包括顶层金属板1、底层金属板2、中间介质层3和金属通孔阵列4以及至少两个谐振单元5。具体的，中间介质层3位于顶层金属板1和底层金属板2之间。中间介质层3中还嵌入有金属通孔阵列4。金属通孔阵列4与顶层金属板1、底层金属板2相互垂直，金属通孔4上下两端分别与顶层金属板1、底层金属板2相连接。金属通孔阵列4的设计不仅便于接地，而且可以防止电磁能量的泄露。
进一步的，图1所示的滤波器的输入端101与输出端102均为微带传输线，设计在顶层金属板1上。
图2所示为该滤波器的顶部视图。如图2所示，输入端101与输出端102之间通过容性槽线103实现能量耦合；通过控制容性槽线103的宽度S2，可以调节源-负载耦合强度的大小。本发明通过引入源-负载之间的耦合，可在滤波器带外引入额外的传输零点。
进一步的，本发明的电磁分路耦合滤波器包括至少两个耦合单元5，相邻谐振单元之间通过容性磁壁403实现能量耦合，磁壁的长度决定耦合强度的大小；
进一步的，每个谐振单元5为三角形或矩形，包括两个对称的SIR谐振器。SIR谐振器因设计灵活，并且可以抑制微带滤波器的寄生通带效应，广泛应用于滤波器设计之中。
进一步的，对称的SIR谐振器之间分别通过电耦合与磁耦合实现能量传输。其中，电耦合通过设计在顶层金属板1上的容性槽线104实现，通过调节容性槽线104的宽度S1的值可调节耦合强度的大小；磁耦合通过感性金属通孔401来实现，通过调节金属通孔401的直径d1可以调节磁耦合强度的大小。而且，电耦合路径与磁耦合路径相互独立，互不影响。因此，可通过调节容性槽线104与金属通孔401的参数，对电、磁耦合强度进行独立的控制，从而实现对传输零点的单独控制。
图3所示为本发明滤波器的耦合拓扑结构示意图。如图3所示，相对于传统的滤波器结构，增加了源-负载之间的耦合路径，而且独立于源、负载与谐振器之间的耦合路径；相邻谐振器之间同时存在电耦合路径与磁耦合路径，且相互独立。
图4所示为金属通孔直径d1为不同参数时的S21仿真结果。由图可知，该滤波器在通带两边各有两个传输零点，其中，TZ1与TZ2代表磁耦合路径引入的传输零点，分布在通带的左侧；而TZ3与TZ4代表电耦合路径引入的传输零点，分布在通带的右侧。将感性金属通孔的直径d1的值由0.5mm增加到0.7mm，磁耦合的强度随之减小，相应的TZ1的频率由2.91GHz增加到3.20GHz，TZ2的频率由3.74GHz增加到4.19GHz，而受电耦合控制的传输零点TZ3与TZ4的位置几乎不变。
图5所示为容性槽线104为不同参数时的S21仿真结果。由图可知，将容性槽线104的宽度S1的值由0.25mm增加到0.35mm，电耦合的强度随之减小，相应的TZ3的频率由5.25GHz增加到5.52GHz，TZ4的频率由5.79GHz增加到6.13GHz，而受磁耦合控制的TZ1与TZ2的位置几乎不变。
综上可知，本发明的电磁分路耦合与源-负载耦合结构可在滤波器的滤波器的通带两边各引入两个传输零点，且可通过调节电、磁耦合强度对传输零点进行单独调节。
图6所示为图1所示滤波器的S参数仿真与测试结果。该滤波器采用厚度为1.524mm的标准RO4350高频板材，封装尺寸为19mm×22mm。该滤波器的-3dB通带范围为4.28-4.97GHz，通带内最小插入损耗为1.63dB，具有较好的通带平坦度；带内回波损耗均在-15dB以下，4个传输零点的频率分别为2.16GHz，3.94GHz，5.24GHz与5.84GHz，在5.2-7.9GHz范围内带外衰减在-30dB以下，实现了较好的频率选择性与带外噪声抑制能力。仿真与测试结果的高度一致性体现了本设计方法的可靠性。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，包括：顶层金属板、底层金属板、中间介质层以及嵌入在所述中间介质层中的金属通孔阵列；所述顶层金属板、底层金属板和中间介质层从上到下依次设置；所述顶层金属板和底层金属板相互平行，所述金属通孔阵列与顶层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列与底层金属板相互垂直，所述金属通孔阵列上下两端分别与顶层金属板、底层金属板相连接；所述滤波器还包括两个谐振单元，所述谐振单元呈对称结构；所述谐振单元之间通过磁耦合实现电磁能量传输。
2.如权利要求1所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述滤波器的输入端与输出端设计在所述顶层金属板上，由微带传输线构成，通过容性槽线实现了源端与负载端之间的能量耦合。
3.如权利要求1所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述谐振单元为三角或矩形结构。
4.如权利要求1所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述谐振单元之间通过金属通孔构成的磁壁实现能量耦合。
5.如权利要求1所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述谐振单元包括两个对称的SIR谐振器，两个SIR谐振器之间通过电磁分路耦合实现能量传输。
6.如权利要求5所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述SIR谐振器之间的电耦合由容性槽线控制，磁耦合由感性金属通孔控制，电、磁耦合相互独立。
7.如权利要求6所述的高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于，所述容性槽线的长度与宽度控制电耦合强度，所述感性金属通孔的直径的直径控制磁耦合的强度。
8.一种高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器，其特征在于：包括：N个权利要求1至7任一项所述滤波器耦合为N阶滤波器；第一个滤波器的输入端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输入端口；第n-1个滤波器的输出端口与第n个滤波器的输入端口连接，2≤n≤N，n和N为正整数，第N个滤波器的输出端口作为该高阶高带外抑制的电磁分路耦合滤波器的输出端口。
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