CN109786904A - 宽阻带带线低通滤波器及介质波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽阻带带线低通滤波器，用于介质波导滤波器的谐波抑制。所述宽阻带带线低通滤波器由至少一个介质带状线低通滤波结构上下层叠而成；所述介质带状线低通滤波结构由至少一个椭圆函数低通单元和至少两个阶梯阻抗低通单元构成，各低通单元之间通过高阻传输线耦合；所述介质带状线低通滤波结构包括：由上至下层叠的第一接地金属层、第一介质层、电路层、第二介质层、第二接地金属层。本发明还公开了一种介质波导滤波器。本发明具有良好的通带特性和近、远端抑制特性，并且具有体积小，重量轻，便于同介质滤波器连接，成本低，便于大量生产的优点。

Description

宽阻带带线低通滤波器及介质波导滤波器

技术领域

本发明涉及一种低通滤波器，尤其涉及一种用于介质波导滤波器的谐波抑制的宽阻带带线低通滤波器。

背景技术

随着通信技术的广泛应用和发展，对无线通信网络容量要求不断提高，越来越多的频谱资源也被规划投入使用。随着频谱的增加及对频谱资源利用率的提高，对频带的划分也越加细致，因此，对系统中的元器件的要求也越来越高。在现代通信系统中，低通滤波器是一个不可或缺的器件，它的主要功能是通过低频率（通带）的有用信号，阻止高频率（阻带）的干扰信号。低通滤波器也经常同带通滤波器级联使用以抑制带通滤波器中的高阶谐波。一般来说，低通滤波器要求有尽量低的通带内的损耗，尽量高的阻带抑制和尽量宽的阻带带宽。

在5G无线通信的应用中，将大量使用MIMO技术，系统中滤波器的数目也将大量提高，因此，对滤波器的小型化提出了更高的要求。随着介质材料的性能和工艺水平的提高，介质波导滤波器成为滤波器小型化技术中一种很有吸引力的方案。介质波导滤波器有着体积小，制作工艺简单，成本低，便于大量生产等优点，成为5G通信中滤波器小型化技术的热点。介质波导滤波器虽有上述优点，然而其缺点也是非常明显：它的高次谐波响应离通带较近，因此大大降低了滤波器的带外抑制性能。为解决这一问题，需要有与介质滤波器相应的谐波抑制低通滤波器解决方案。这种低通滤波器的体积要求大大小于介质滤波器的体积，一般都采用电路板实现。

在用于谐波抑制的低通滤波器领域，已有大量的研究工作和文献报道，绝大部分这方面的工作都是基于微带线电路实现的。然而，基于微带线的低通滤波器并不适合于介质波导滤波器的应用，因为低通电路板的接地层必须同介质滤波器外导体连接，这就使微带电路暴露，受外部环境的影响，也不便于介质滤波器和低通合成后的整体部件的安装使用。因此，对于介质滤波器的应用，带状线低通滤波器是较好的选择，它可将内部电路与外部完全隔离，也使整体部件便于安装；另外，带状线电路的损耗低于微带电路的损耗，有助于改善介质滤波器整体的插入损耗。然而现有带状线低通滤波器普遍存在远端抑制特性差的问题，难以满足5G无线通信的应用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种用于介质波导滤波器谐波抑制的宽阻带带线低通滤波器，具有良好的通带特性和近、远端抑制特性，并且具有体积小，重量轻，便于同介质滤波器连接，成本低，便于大量生产的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种宽阻带带线低通滤波器，用于介质波导滤波器的谐波抑制，所述宽阻带带线低通滤波器由至少一个介质带状线低通滤波结构上下层叠而成；所述介质带状线低通滤波结构由至少一个椭圆函数低通单元和至少两个阶梯阻抗低通单元构成，各低通单元之间通过高阻传输线耦合；所述介质带状线低通滤波结构包括：由上至下层叠的第一接地金属层、第一介质层、电路层、第二介质层、第二接地金属层。

优选地，所述宽阻带带线低通滤波器的两个端口分别设置于该滤波器层结构的顶层和底层，且至少一个端口为垂直于该滤波器层结构的底部凹陷的圆柱状导体结构。

进一步地，所述介质带状线低通滤波结构还包括设置于电路层以外的一组电性连通第一接地金属层和第二接地金属层的金属化过孔，用于抑制高次谐波。

优选地，所述宽阻带带线低通滤波器只包含一个介质带状线低通滤波结构，且该介质带状线低通滤波结构中有两个阶梯阻抗低通单元分别与该宽阻带带线低通滤波器的两个端口直接连接。

优选地，所述介质波导滤波器的使用频段为3.4-3.6GHz；所述第一介质层和第二介质层均为介电常数为2.2且厚度为0.508mm的高频板；所述第一接地金属层和第二接地金属层均为铜；介质带状线低通滤波结构中的椭圆函数低通单元和阶梯阻抗低通单元的数量分别为4和2。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种介质波导滤波器，包括介质波导滤波器本体以及与介质波导滤波器本体串联的用于谐波抑制的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器为以上任一技术方案所述宽阻带带线低通滤波器。

相比现有技术，本发明技术方案及其优选和进一步改进技术方案具有以下有益效果：

本发明宽阻带带线低通滤波器除具有良好的通带特性和近端抑制特性以外，还具有优异的远端抑制特性（在19GHz抑制达到21dB）和低损耗特性（在3.4GHz-3.6GHz损耗<0.3dB），这是现有技术所无法达到的；

本发明宽阻带带线低通滤波器利用多层电路板带线电路实现，具有体积小，重量轻，便于同介质滤波器连接，成本低，便于大量生产的优点。

附图说明

图1为本发明宽阻带带线低通滤波器一个具体实施例的透视结构示意图；

图2为实施例中电路层的具体结构示意图；其中，1为端口，2为开路阶梯阻抗谐振器，3为阶梯阻抗低通单元，4为高阻传输线；

图3为实施例宽阻带带线低通滤波器的ADS电路模型；

图4为初步优化后的低通S参数响应曲线；

图5为精确优化后的低通S参数响应曲线。

具体实施方式

针对现有低通滤波器难以满足5G无线通信中介质波导滤波器的谐波抑制应用要求的问题，本发明提出了一种宽阻带带线低通滤波器，其利用多层电路板带线电路实现，并采用椭圆函数低通单元和阶梯阻抗低通单元相结合的方式来获得良好的通带和近、远端抑制特性。

具体而言，本发明的宽阻带带线低通滤波器由至少一个介质带状线低通滤波结构上下层叠而成；所述介质带状线低通滤波结构由至少一个椭圆函数低通单元和至少两个阶梯阻抗低通单元构成，各低通单元之间通过高阻传输线耦合；所述介质带状线低通滤波结构包括：由上至下层叠的第一接地金属层、第一介质层、电路层、第二介质层、第二接地金属层。

其中，介质带状线低通滤波结构的数量可以是一个，也可以是多个；各介质带状线低通滤波结构的电气结构可以相同，也可以不同，具体可根据实际应用环境灵活设计。从工艺难度和生产成本考虑，通常采用一个介质带状线低通滤波结构，可通过增减该介质带状线低通滤波结构中的椭圆函数低通单元和/或阶梯阻抗低通单元数量（即横向扩展）的方式来满足所需的滤波性能；多个介质带状线低通滤波结构层叠串联使用的方式特别适用于横向尺寸受限而不得不向垂直方向进行扩展的情况

为了便于与电路板结构的介质波导滤波器集成连接，优选地，所述宽阻带带线低通滤波器的两个端口分别设置于该滤波器层结构的顶层和底层，且至少一个端口为垂直于该滤波器层结构的底部凹陷的圆柱状导体结构。

为了更好地抑制高次谐波，进一步地，所述介质带状线低通滤波结构还包括设置于电路层以外的一组电性连通第一接地金属层和第二接地金属层的金属化过孔。

优选地，所述宽阻带带线低通滤波器只包含一个介质带状线低通滤波结构，且该介质带状线低通滤波结构中有两个阶梯阻抗低通单元分别与该宽阻带带线低通滤波器的两个端口直接连接。

为了便于公众理解，下面结合以一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

本实施例中的宽阻带带线低通滤波器用于5G通信3.4-3.6GHz频段介质波导滤波器的谐波抑制，由一个介质带状线低通滤波结构构成，其基本的物理结构如图1所示，包括由上至下层叠的第一接地金属层、第一介质层、电路层、第二介质层、第二接地金属层。本实施例的介质带状线低通滤波结构由两块介电常数2.2厚度为0.508mm的高频板材沾合而成，电路层位于两层板中间，顶层和底层分别覆铜构成两个接地金属层；这样，整个单元就构成了介质带状线结构，因此称其为带状线低通滤波单元。如图1所示，在电路层以外的部分，顶层和底层覆铜通过一组金属化圆孔电性连接，以抑制高次模的产生。滤波器的两个端口（端口1和端口2）分别设置于该滤波器层结构的顶层和底层，且两个端口均为垂直于该滤波器层结构的底部凹陷的圆柱状导体结构。使用此种形式的端口可方便地通过相适配的圆柱形导体探针实现与电路板结构介质波导滤波器的串联连接，且结构紧凑，另外一个端口则形成介质波导滤波器与低通滤波器所合成的整体部件的一个端口。

本实施例中电路层的结构如图2所示，其主体电路是一个四阶椭圆函数低通滤波器，该四阶椭圆函数低通滤波器由四个开路阶梯阻抗谐振器2（椭圆函数低通单元）通过高阻传输线4耦合构成；在该四阶椭圆函数低通滤波器与两个端口1之间分别设置有一个阶梯阻抗低通单元3，用于改善低通滤波器的远端抑制特性，阶梯阻抗低通单元3与开路阶梯阻抗谐振器2同样通过高阻传输线4耦合。椭圆函数低通滤波器有很好的近端抑制特性，然而其远端抑制特性不足，通过与具有很好远端抑制特性的阶梯阻抗低通滤波器的结合，可以改善远端抑制特性。。

利用微波电路仿真软件ADS所得到的该低通滤波器的带状线传输线电路模型如图3所示，为了提高电路模型的准确度，两个端口的垂直转换用三维电磁场仿真软件HFSS获得。图3所示的低通模型由四个开路阶梯阻抗谐振器通过高阻传输线耦合构成，它具有四个传输零点，零点的位置可通过改变四个开路阶梯阻抗谐振器和高阻传输线的尺寸调节，通过调节零点可以实现所需要的阻带抑制要求。利用ADS软件中的优化功能，也可以得到所需的最佳响应。图4即显示了优化后的低通S参数响应曲线。

由图3的ADS模型优化后的电路尺寸参数可以建立低通滤波器的三维模型，经过电磁场仿真，得到的S-参数响应曲线与图4有较大的区别，因为ADS模型为近似模型，不能精确描述实际电路。应用空间映射技术，可以对电路进行进一步的精确优化，最后得到如图5所示的三维模型的S-参数响应曲线。从三维仿真结果看出，该低通滤波器具有很好的通带特性和近端抑制，同时也具有合理的宽频远端抑制。

Claims (6)

1.一种宽阻带带线低通滤波器，用于介质波导滤波器的谐波抑制，其特征在于，所述宽阻带带线低通滤波器由至少一个介质带状线低通滤波结构上下层叠而成；所述介质带状线低通滤波结构由至少一个椭圆函数低通单元和至少两个阶梯阻抗低通单元构成，各低通单元之间通过高阻传输线耦合；所述介质带状线低通滤波结构包括：由上至下层叠的第一接地金属层、第一介质层、电路层、第二介质层、第二接地金属层。

2.如权利要求1所述宽阻带带线低通滤波器，其特征在于，其两个端口分别设置于该滤波器层结构的顶层和底层，且至少一个端口为垂直于该滤波器层结构的底部凹陷的圆柱状导体结构。

3.如权利要求1所述宽阻带带线低通滤波器，其特征在于，所述介质带状线低通滤波结构还包括设置于电路层以外的一组电性连通第一接地金属层和第二接地金属层的金属化过孔，用于抑制高次谐波。

4.如权利要求1所述宽阻带带线低通滤波器，其特征在于，所述宽阻带带线低通滤波器只包含一个介质带状线低通滤波结构，且该介质带状线低通滤波结构中有两个阶梯阻抗低通单元分别与该宽阻带带线低通滤波器的两个端口直接连接。

5.如权利要求1~4任一项所述宽阻带带线低通滤波器，其特征在于，所述介质波导滤波器的使用频段为3.4-3.6GHz；所述第一介质层和第二介质层均为介电常数为2.2且厚度为0.508mm的高频板；所述第一接地金属层和第二接地金属层均为铜；介质带状线低通滤波结构中的椭圆函数低通单元和阶梯阻抗低通单元的数量分别为4和2。

6.一种介质波导滤波器，包括介质波导滤波器本体以及与介质波导滤波器本体串联的用于谐波抑制的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器为如权利要求1~5任一项所述宽阻带带线低通滤波器。