CN109786905B

CN109786905B - 带状线低通滤波器

Info

Publication number: CN109786905B
Application number: CN201910094605.4A
Authority: CN
Inventors: 刘亚; 苏兆忠; 孔良; 宋静亮
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: CN109786905A

Abstract

本发明提出的一种带状线低通滤波器，旨在提供一种通带衰减小、近端阻带衰减陡峭、远端阻带抑制好的低通滤波器。本发明通过下述技术方案予以实现：以Y形分布的梯形带状线枝节S1、S2和S3，以及与之相连的两段高阻U形耦合串联枝节W1和W2组成第一级五阶椭圆函数滤波单元；以Y形分布的梯形带状线枝节S4、S5和S6，以及与之相连的两段高阻U形耦合串联枝节W3和W4组成了第二级五阶椭圆函数滤波单元；同一平面的带状线串联枝节L1、L2、L3、L4和L5，以及两两之间同向垂直的T型开路枝节T1‑T4和T5组成了十阶切比雪夫滤波单元；带状线阶跃阻抗P1组成了输入阶跃阻抗单元；带状线阶跃阻抗P2组成了输出阶跃阻抗单元。

Description

带状线低通滤波器

技术领域

本发明涉及无线通讯、射频测量领域、手机综测仪低通滤波器领域。更具体的是涉及带状线低通滤波器。

背景技术

低通滤波器是一种常见的微波无源器件。在微波测试系统、通信系统、雷达系统等系统中有着广泛的应用。低通滤波器作为选频器件可以用来抑制干扰信号和谐波信号。由于高频情况下传输线会产生寄生效应，运用理论计算的分布参数值和实际值出入较大，从而使得使用传统结构的带状线低通滤波器无法达到设计要求。

在经典低通滤波器设计中，主要分为椭圆函数滤波器、切比雪夫滤波器和巴特沃斯滤波器三类。在给定的阶数、通带和阻带指标下，椭圆函数滤波器具有最优的矩形系数，巴特沃斯滤波器具有最优的平坦度，而切比雪夫滤波器的性能指标则处于二者折中。在现有的滤波器设计中，为了兼顾近端抑制、带内平坦度和远端抑制，往往采用三者相结合来进行滤波器设计。在高频滤波器设计中，由于串联电容和电感比较难以实现，所以使用传统的带状线结构设计的低通滤波器的阻带衰减比较平滑，难以对低频位置的阻带进行有效的抑制。而使用传统低通滤波器和带通滤波器进行配合分段的方案虽然可以取得较好的杂散抑制，可是却加大了电路的损耗、电路的复杂度和电路体积。

近年来，随着无线通讯和射频测量领域的发展，对射频系统的体积、系统集成度和性能的要求都趋于越来越高。从而对射频滤波器的体积、性能和成本也提出了更高的要求。随着射频系统的集成度的增高、射频带宽的增大，由于多次混频技术的应用，杂散的抑制变得尤为重要，从而对射频滤波器阻带抑制和阻带衰减的陡峭度都有了更高的要求。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种具有体积小、可靠性高、通带衰减小、阻带衰减陡峭、阻带抑制好的带状线低通滤波器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种带状线低通滤波器，包括：设置在微波板材芯板(1)与半固化片(3)之间的输入阶跃阻抗单元、两级带状线椭圆函数滤波单元、十阶带状线切比雪夫滤波单元和输出阶跃阻抗单元，其特征在于：以Y形分布的梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3，以及与之相连的两段高阻U形耦合串联枝节W1，高阻U形耦合串联枝节W2组成了第一级五阶椭圆函数滤波单元；以Y 形分布的梯形带状线枝节S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6，以及与之相连的两段U形高阻耦合串联枝节W3，高阻U形耦合串联枝节W4组成了第二级五阶椭圆函数滤波单元；位于同一平面串联的带状线串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4 和串联枝节L5，以及两两之间同向垂直的T型开路枝节T1、T型开路枝节T2、T型开路枝节T3、T型开路枝节T4和T型开路枝节T5组成十阶切比雪夫滤波单元；带状线阶跃阻抗 P1组成了输入阶跃阻抗单元；带状线阶跃阻抗P2组成了输出阶跃阻抗单元。以上五个单元共同组成了带状线低通滤波器。

体积小、插损低。本发明采用设置在微波板材芯板(1)与半固化片(3)之间的输入阶跃阻抗单元、两级带状线椭圆函数滤波单元、十阶带状线切比雪夫滤波单元和输出阶跃阻抗单元，可以构成位于同一平面上的二十五阶带状线组成的低通滤波器；采用厚度为0.018mm铜质带状线，插入损耗较小；采用的U形连接方式，与常规设计连接结构相比，大大缩短了滤波器在长度方向上的尺寸。尺寸可以仅为33mm*12mm*0.5mm，在0Hz～6Ghz 的通带损耗小于-2.4dB。

近端阻带衰减陡峭。本发明基于经典滤波器理论和微波传输线理论。由三段开路梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3和高阻U形耦合串联枝节W1，高阻U形耦合串联枝节W2两段高阻带状线构成了第一级五阶椭圆函数滤波单元；由三段开路梯形带状线枝节S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6和高阻U形耦合串联枝节W3，高阻U形耦合串联枝节W4两段高阻带状线构成了第二级五阶椭圆函数滤波单元。以上两级椭圆滤波单元保证了近端阻带的陡峭衰减，实测具有在阻带6.3GHz衰减大于-10dB， 6.4GHz衰减大于-20dB的优良特性。

远端阻带抑制良好。本发明基于经典滤波器理论和微波传输线理论，带状线串联枝节L1，串联枝节L2，串联枝节L3，串联枝节L4，串联枝节L5与并联的T型开路枝节T1， T型开路枝节T2，T型开路枝节T3，T型开路枝节T4，T型开路枝节T5共同组成十阶切比雪夫滤波单元。以上十阶切比雪夫滤波单元保证了远端阻带的抑制，实测具有在阻带 7GHz～14GHz抑制大于-40dB的优良特性。

回波损耗好。本发明采用两级阶跃阻抗带状线单元P1和P2优化了输入输出端口的阻抗匹配。实测在通带DC～6GHz的回波损耗小于-8dB。

本发明具有通带损耗低，阻带衰减陡峭，远端抑制好等优良指标性能，此外还具有体积小，重量轻，温度稳定性高，可以运用在对阻带抑制要求比较高的场合中滤波器体积较小, 可以应用到无线通信射频前端和整流天线系统中，可广泛用于微波中继通讯、卫星通讯、雷达技术、电子对抗及微波测量仪等设备中。

本发明由输入阶跃阻抗单元、两级带状线椭圆函数低通滤波单元、一级带状线切比雪夫低通滤波单元和输出阶跃阻抗单元五个单元共同连接组成。根据五个滤波单元不同的射频特性，有效的优化了整体滤波器的输入回波损耗、阻带衰减斜率、阻带抑制比和输出回波损耗。

附图说明

下面结合附图，具体描述说明本发明提供的一种新型带状线结构的低通滤波器。

图1是本发明的带状线阶跃阻抗低通滤波器实施例图示意图；

图2是本发明的带状线阶跃阻抗低通滤波器结构图电路图；

图3是图1五阶带状线椭圆函数低通滤波单元的等效电路图；

图4是图1十阶带状线切比雪夫低通滤波单元的等效电路图；

图5是本发明的实测S参数的测量数据图。

图中：1为微波板材芯板，3为半固化片，2为接地平面。J1为滤波器输入端P1的 50欧姆微带线，J2为滤波器输出端P2的50欧姆微带线。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种带状线低通滤波器，包括：设置在微波板材芯板1与半固化片3之间的输入阶跃阻抗单元、两级带状线椭圆函数滤波单元、十阶带状线切比雪夫滤波单元和输出阶跃阻抗单元。其中：以Y形分布的梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3，以及与之相连的两段高阻U形耦合串联枝节W1，高阻U形耦合串联枝节W2组成了第一级五阶椭圆函数滤波单元；以Y形分布的梯形带状线枝节 S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6，以及与之相连的两段U形高阻耦合串联枝节 W3，高阻U形耦合串联枝节W4组成了第二级五阶椭圆函数滤波单元；位于同一平面串联的带状线串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5，以及两两之间同向垂直的T型开路枝节T1、T型开路枝节T2、T型开路枝节T3、T型开路枝节T4 和T型开路枝节T5组成十阶切比雪夫滤波单元；带状线阶跃阻抗P1组成了输入阶跃阻抗单元；带状线阶跃阻抗P2组成了输出阶跃阻抗单元。所有的滤波单元都使用带状线构成，所有的带状线都在同一平面。

]微波板材芯板1和半固化片3共同组成了长方体介质基板，其下表面为接地平面2，介质基板上表面以一侧短边中点为输入端，从相对输入端向远端另一侧短边方向延伸设置输出端。为方便进行电路的安装和测试，输入端通过50欧姆微带线相接的接地参考信号过孔H1连接到短边起点的信号过孔J1，输出端通过50欧姆微带线相接的接地参考信号过孔H2 连接到另一侧终端短边终点的信号过孔J2；两对接地参考信号过孔，减小信号信号过孔的串联电感，防止谐振。

输入端J1通过接地参考信号过孔H1经过阶跃阻抗单元P1连接第一级带状线椭圆函数滤波单元(高阻U形耦合串联枝节W1，高阻U形耦合串联枝节W2，梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3)，通过带状线串联枝节L6连接第二级带状线椭圆函数滤波单元(高阻U形耦合串联枝节W3，高阻U形耦合串联枝节W4，梯形带状线枝节 S4，梯形带状线枝节S5和梯形带状线枝节S6)，经带状线串联枝节L1相连接十阶带状线切比雪夫滤波单元，最后经阶跃阻抗单元P2通过接地参考信号过孔H2连接到输出端J2。

每级带状线椭圆滤波单元包括三段梯形开路带状线和两段高阻带状线。输入端和输出端为两段阶跃阻抗变换带状线，每段变换线由两级特征阻抗不同的带状线组成。输入端经过输入阶跃阻抗单元P1将输入阻抗匹配到50Ω，输出端经过输出阶跃阻抗单元P2，将输出阻抗匹配到50Ω。

第一级五阶带状线椭圆函数滤波单元的梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3之间由高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两级高阻线连接，其中高阻U形耦合串联枝节W1连接梯形带状线枝节S1和梯形带状线枝节S2，高阻U形耦合串联枝节W2连接梯形带状线枝节S1和梯形带状线枝节S3，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2并行耦合排列。其中，梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为并联电容，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻 U形耦合串联枝节W2共同等效为串联电容和电感。

第二级五阶带状线椭圆函数滤波单元的梯形带状线枝节S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6之间由高阻U形耦合串联枝节W3和高阻U形耦合串联枝节W4两级高阻线连接，其中，高阻U形耦合串联枝节W3连接梯形带状线枝节S4和梯形带状线枝节S5，高阻U形耦合串联枝节W4连接梯形带状线枝节S4和梯形带状线枝节S6，高阻U形耦合串联枝节W3和高阻U形耦合串联枝节W4并行耦合排列；其中，梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为并联电容，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2共同等效为串联电容和电感。

两级五阶带状线椭圆滤波单元之间由一段带状线串联枝节L6相连接。从而共同组成一个两级椭圆函数滤波器滤波单元。调整串联枝节L6的长度可以影响该滤波单元的回波损耗。

]串联枝节L1，串联枝节L2，串联枝节L3，串联枝节L4，串联枝节L5和T型开路枝节T1，T型开路枝节T2，T型开路枝节T3，T型开路枝节T4，T型开路枝节T5十段串并联带状线组成了十阶切比雪夫低通滤波器滤波单元，该滤波单元主要保证远端高频阻带抑制。

]参阅图2、图3。信号通过信号过孔H1进入输入阶跃阻抗单元P1优化回波损耗，减少通带信号损耗后进入第一级带状线椭圆函数滤波单元。其中梯形带状线枝节S1、梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为并联电容C1、C3和C5。高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两条高阻耦合线的耦合特性等效为C2和C4两个串联电容。高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两条高阻耦合线的高阻特性等效为L1和L2两个串联电感。通过改变梯形带状线枝节S1、梯形带状线枝节S2、梯形带状线枝节S3的长度和宽度从而改变三阶并联电容的大小，通过改变高阻U形耦合串联枝节W1、高阻U形耦合串联枝节W2的长度和宽度从而改变串联电感的大小，通过改变高阻 U形耦合串联枝节W1、高阻U形耦合串联枝节W2的间距从而改变串联电容的大小。通过以上参数的改变从而将第一级信号的谐振设在6.4Ghz左右，获得较为陡峭的阻带下降沿。

经过第一级五阶带状线的椭圆函数滤波器的信号通过带状线串联枝节L6进入第二级五阶带状线的椭圆函数滤波器，通过改变串联枝节L6的长度和宽度可以控制第一级、第二级两级滤波器间的信号反射，减小通带损耗。可选地修改第二级五阶带状线的椭圆函数滤波单元，使得第二级谐振信号对第一级谐振信号进行补充，进一步加大低频阻带的衰减，使得 6.3Ghz阻带衰减高于-10dB，6.4Ghz阻带衰减高于-20dB。

随后信号进入如图3所示十阶带状线切比雪夫滤波单元。其中，串联带状线串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5等效为串联电感，间隔插入在串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5之间的T型开路枝节T1、T型开路枝节T2、T型开路枝节T3、T型开路枝节T4和T型开路枝节T5被等效为并联电容C1、C2、C3、C4和C5。可选地修改T型开路枝节路带状线长度和宽度的可以改变并联电容的大小；可选地对串联枝节L带状线的长度和宽度修改，可以改变串联电感的大小。通过对以上参数的优化，从而提高远端阻带的抑制，使得高频阻带抑制高于-40dB。

最后信号通过阶跃阻抗单元匹配进入输出端口J2，可选地通过调整阶跃阻抗滤波单元的阶跃阻抗，可以优化输出端口J2的回波损耗。

以上描述的本发明的实施例是以预定形式的本发明的元素和特征的组合。元素或特征可以被看作选择性的，除非另外说明。每一个元素或特征可以不与其他元素或特征组合地被实施。而且，可以通过组合元素和/或特征的部分来构造本发明的实施例。可以重新排列在本发明的实施例中描述的操作顺序。任何一个实施例的一些构造可以被包括在另一个实施例中，并且可以被替换为另一个实施例的对应的构造。

Claims

1.一种带状线低通滤波器，包括：设置在微波板材芯板（1）与半固化片（3）之间的输入阶跃阻抗单元、两级带状线椭圆函数滤波单元、十阶带状线切比雪夫滤波单元和输出阶跃阻抗单元，其特征在于：以Y形分布的梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3，以及与之相连的两段高阻U形耦合串联枝节W1，高阻U形耦合串联枝节W2组成了第一级五阶椭圆函数滤波单元；以Y形分布的梯形带状线枝节S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6，以及与之相连的两段U形高阻耦合串联枝节W3，高阻U形耦合串联枝节W4组成了第二级五阶椭圆函数滤波单元；位于同一平面串联的带状线串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5，以及两两之间同向垂直的T型开路枝节T1、T型开路枝节T2、T型开路枝节T3、T型开路枝节T4和T型开路枝节T5组成十阶切比雪夫滤波单元；带状线阶跃阻抗P1组成了输入阶跃阻抗单元；带状线阶跃阻抗P2组成了输出阶跃阻抗单元；输入端J1通过接地参考信号过孔连接至输入阶跃阻抗单元P1，串联至第一级带状线椭圆函数滤波单元，通过带状线串联枝节L6连接第二级带状线椭圆函数滤波器，经带状线串联枝节L1相连接十阶带状线切比雪夫滤波单元，最后经过输出端阶跃阻抗单元P2，通过接地参考信号过孔H2连接到输出端J2；第一级五阶带状线椭圆函数滤波单元的梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2，梯形带状线枝节S3之间由高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两级高阻线连接，其中高阻U形耦合串联枝节W1连接梯形带状线枝节S1和梯形带状线枝节S2，高阻U形耦合串联枝节W2连接梯形带状线枝节S1和梯形带状线枝节S3，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2并行耦合排列，其中，梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为并联电容，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2共同等效为串联电容和电感；第二级五阶带状线椭圆函数滤波器的梯形带状线枝节S4，梯形带状线枝节S5，梯形带状线枝节S6之间由高阻U形耦合串联枝节W3和高阻U形耦合串联枝节W4两级高阻线连接，其中，高阻U形耦合串联枝节W3连接梯形带状线枝节S4和梯形带状线枝节S5，高阻U形耦合串联枝节W4连接梯形带状线枝节S4和梯形带状线枝节S6，高阻U形耦合串联枝节W3和高阻U形耦合串联枝节W4并行耦合排列；其中，梯形带状线枝节S1，梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为并联电容，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2共同等效为串联电容和电感。

2.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：所有的滤波单元都使用带状线构成，所有的带状线都在同一平面。

3.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：微波板材芯板（1）和半固化片（3）共同组成了长方体介质基板，其下为接地平面（2），介质基板上表面以一侧短边中点为输入端，从相对输入端向远端另一侧短边方向延伸设置输出端。

4.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：为方便进行电路的安装和测试，输入端通过50欧姆微带线相接的接地参考信号过孔H1连接到短边起点的信号输入端J1，输出端通过50欧姆微带线相接的接地参考信号过孔H2连接到另一侧终端短边终点的信号输出端J2，两对接地参考信号过孔，减小信号过孔的串联电感，防止谐振。

5.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：每级带状线椭圆滤波单元包括三段梯形开路带状线和两段高阻带状线；输入端和输出端两段阶跃阻抗变换带状线，每段变换线由两级特征阻抗不同的带状线组成。

6.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：信号通过信号过孔H1进入输入端阶跃阻抗单元P1优化回波损耗，减少通带信号损耗，第一级带状线椭圆函数滤波单元的梯形带状线枝节S1、梯形带状线枝节S2和梯形带状线枝节S3等效为电容C1、C3和C5，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两条高阻耦合线的耦合特性等效为C2和C4两个串联电容，高阻U形耦合串联枝节W1和高阻U形耦合串联枝节W2两条高阻耦合线的高阻特性等效为L1和L2两个串联电感。

7.如权利要求1所述的带状线低通滤波器，其特征在于：带状线串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5等效为串联电感，间隔插入在串联枝节L1、串联枝节L2、串联枝节L3、串联枝节L4和串联枝节L5之间的T型开路枝节T1、T型开路枝节T2、T型开路枝节T3、T型开路枝节T4和T型开路枝节T5被等效为并联电容C1、C2、C3、C4和C5。