CN109818118A - 一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，包括基板，一个或多个半波长谐振器安装在基板顶层，相邻的半波长谐振器之间耦合连接，所述半波长谐振器由一个或多个等效为电感的微带线一、一个或多个等效为电容的微带线二级联构成，每个等效为电感的微带线一与每个等效为电容的微带线二相互间隔排列；带通滤波器的输入端、输出端分别设在带通滤波器的两端且均为等效为电感的微带线一，所述基板的底层为接地信号层；该带通带通滤波器的总体尺寸仅为15×2×0.508mm，与传统的实现相比尺寸减少了60％，同时得到了3.3％的相对带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，属于滤波器技术领域。
背景技术
窄带带通滤波器在军用相控阵雷达前端系统中的应用越来越广泛。窄带带通滤波器可以采用组合结构，高温超导（HTS）技术，空腔谐振器，开路/短路短截线，慢波谐振器和末端耦合谐振器主要包括如下几种类型：
参考文献[1] Hiraga, K., Seki, T., Nishikawa, K., and Uehara, K. Multi-layercoupled band-pass filter for 60 GHz LTCC system-on-package. in Proc.IEEEAsia-Pacific Conference Proceedings (APMC), Japan, Dec. 2010;259-262.（中文译文：Hiraga, k., Seki, T., Nishikawa, K. 和 Uehara, k.在2010年12月, 日本 IEEE亚太会议记录 (APMC);259-262页 60 GHz LTCC 系统的封装用多层耦合带通滤波器。）；
参考文献[2] Choi B G, Stubbs M G, Park C S. A Ka-band narrow bandpassfilterusing LTCC technology. IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,2003;13: 388-389.（中文译文：Choi B g, Stubbs M g, Park C s，2003年在IEEE亚太微波会议发表了 一种采用 LTCC 技术的 ka 波段窄带通滤波，IEEE 微波和无线器件快报。）；
参考文献[3] Ambak, Z., Ibrahim, A., Hizan, H. M., Rahim, A. I. A.,Yusoff, M. Z.M., Ngah, R., and Lee, Y. C. Design of 40 GHz multilayer endcoupledband pass filter using LTCC technology. in Proc. IEEEInternationalConference on Semiconductor Electronics (ICSE), Kuala Lumpur,Malaysia, 2014; 294-297.（中文译文：Ambak, Z., Ibrahim, A., Hi-han, H. m.,Rahim, a. i. a., Yusoff, m. z. m., ngah, R. 和 Lee, y. c. 在吉隆坡举行的IEEE半导体电子国际会议上，发表了采用LTCC技术设计了40GHz多层端耦合带通滤波器。）；
参考文献[4] Bo Zhou, Qipeng Wang, Pu Ge, Qiang Ma , Yue Lu and Chong-huCheng. Compact LTCC filter with end-coupled resonators. in Proc.IEEEInternational Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits(EDSSC) Proceedings，Hsinchu, Taiwan, 2017; 1-2.（中文译文：周波、王启鹏、浦歌、马强、岳路、重庆，在 Proc. IEEE 电子器件和固态电路国际会议 (EDSSC) 会议,发表了带有端耦合谐振器的紧凑型 LTCC 滤波器）。
由于半波长谐振器的长度没有减小，参考文献[1]和参考文献[2]中的滤波器仅实现了约2％的尺寸的减小。尽管参考文献[4]中的带通滤波器在低温共烧陶瓷（LTCC）基板中使用堆叠结构实现了80％的尺寸减小，但其输入和输出端口分别位于在顶部和底部，因此难以安装或焊接在PCB板上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，以解决带通滤波器小型化的问题。
一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，包括基板，一个或多个半波长谐振器安装在基板顶层，相邻的半波长谐振器之间耦合连接，所述半波长谐振器由一个或多个等效为电感的微带线一、一个或多个等效为电容的微带线二级联构成，每个等效为电感的微带线一与每个等效为电容的微带线二相互间隔排列；带通滤波器的输入端、输出端分别设在带通滤波器的两端且均为等效为电感的微带线一，所述基板的底层为接地信号层。
优选的，每个半波长谐振器中，等效为电感的微带线一的长度小于等效为电容的微带线二；半波长谐振器的慢波结构通过减小微带线宽获得电感，增加微带线宽获得电容，通过级联电容和电感，从而减小半波长谐振器的长度。
优选的，在每个半波长谐振器中，所有等效为电感的微带线一的长度相同，所有等效为电容的微带线二的长度相同。
优选的，每个半波长谐振器中，等效为电感的微带线一的电感值与等效为电容的微带线二的电容值的比值与其它半波长谐振器中等效为电感的微带线一的电感值与等效为电容的微带线二的电容值的比值相同；所述半波长谐振器对给定的传输线，特征阻抗Z0和相速度Vp，通过相同的比率增加电感、电容，得到特性阻抗不变且波长减小。
优选的，所述基板为高频板RO4003C。
优选的，所述基板的介电常数为3.38，厚度为0.508 mm。
优选的，所述半波长谐振器的特征阻抗为50Ω，电长度为中心频率12.2 GHz所对应的半波长长度。
优选的，所述半波长谐振器为5个。
优选的，所述相邻的半波长谐振器之间的间距为可变。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：该带通滤波器由五节长度为半波长的谐振器级联构成，每个谐振器都采用慢波结构，该结构由等效为电感、电容的微带线级联构成，减小微带线宽获得电感，增加微带线宽获得电容，通过级联电容和电感，从而减小半波长谐振器的长度，实现小型化，该带通滤波器的总体尺寸仅为15×2×0.508mm，与传统的实现相比尺寸减少了60％，同时得到了3.3％的相对带宽。
附图说明
图1为本发明的慢波结构半波长谐振器的结构图；
图2为本发明慢波结构半波长谐振器的等效电路图；
图3为本发明的带通滤波器的侧视图；
图4为本发明的带通滤波器等效电路图；
图5为本发明的带通滤波器的3D视图；
图6为本发明的带通滤波器具有尺寸参数定义的顶视图；
图7为本发明S参数的仿真结果。
具体实施方式
为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，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-7所示一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，包括基板3，一个或多个半波长谐振器2安装在基板3顶层，相邻的半波长谐振器2之间耦合连接，所述半波长谐振器2由一个或多个等效为电感的微带线一、一个或多个等效为电容的微带线二级联构成；每个等效为电感的微带线一与每个等效为电容的微带线二相互间隔排列；带通滤波器1的输入端、输出端分别设在带通滤波器1的两端且均为等效为电感的微带线一，所述基板的底层为接地信号层；输入端和输出端口分别为半波谐振器1和半波谐振器5。
如图1-2所示，在本实施例中，所述慢波结构通过减小线宽获得电感L，增加线宽获得电容C，通过级联电容和电感，进行减小半波长谐振器2的长度；所述半波长谐振器2对给定的传输线、理想的特征阻抗和相速度，得到特性阻抗不变而波长减小；使用这种改进的慢波结构，可以减小半波长谐振器2的长度。通过给定传输线理想的特征阻抗和相速度的公式可知通过以相同的比率增加电感L和电容C，可以使波长变小而特性阻抗保持不变，对于给定的传输线，理想的特征阻抗Z0和相速度Vp是众所周知的
(1)
(2)
(3)
从（1）-（3）可以得出，通过以相同的比率增加电感L和电容C，可以使波长变小而特性阻抗保持不变。
如图3所示在本实施例中的级联多个半波谐振器拓扑结构；所述的带通滤波器1由5个长度为半波长的谐振器2级联构成，5个长度为半波长的谐振器2安装在具有介电常数为3.38的单层RO4003C高频板基板3顶层。
所述半波长谐振器2的特征阻抗为50Ω，电长度为中心频率12.2 GHz所对应的半波长长度。
如图4和图6所示，邻的半波长谐振器之间的间距为可，相邻的半波长谐振器2之间的端耦合强度由图6中S1和S2 所示的间距大小控制，半波长谐振器2之间的耦合效应越弱，获得的频带特性就越窄；由于每个谐振器长度为半波长，所以图4中的慢波结构可以减小每个谐振器的长度。由于使用了改进的慢波谐振器，每个谐振器的长度减少了约60％。
如图5、6所示，RO4003C基板具有3.38的介电常数和0.508mm厚度。下表列出了所提出的带通滤波器1的最终最佳尺寸参数；
W1表示谐振器 1中等效为电容的微带线宽度；
W2表示谐振器 2中等效为电容的微带线宽度；
W3表示谐振器 3中等效为电容的微带线宽度；
g1表示谐振器 1中等效为电感的微带线宽度；
g2表示谐振器 2中等效为电感的微带线宽度；
g3表示谐振器 3中等效为电感的微带线宽度；
L1表示谐振器 1中等效为电容的微带线长度；
L2表示谐振器 2中等效为电容的微带线长度；
L3表示谐振器 3中等效为电容的微带线长度；
S1表示谐振器 1和谐振器 2的间距；
S2表示谐振器 2和谐振器 3的间距。
表1 为本发明中的带通滤波器的优选尺寸参数
表1
| 外形尺寸 | W<sub>1</sub> | W<sub>2</sub> | W<sub>3</sub> | g<sub>1</sub> | g<sub>2</sub> | g<sub>3</sub> |
| 单元(mm) | 0.25 | 0.508 | 0.5084 | 0.11 | 0.14 | 0.16 |
| 外形尺寸 | L<sub>1</sub> | L<sub>2</sub> | L<sub>3</sub> | S<sub>1</sub> | S<sub>2</sub> | |
| 单元(mm) | 1.1 | 1.2 | 1.22 | 0.1 | 0.15 |
图7为本发明S参数的仿真结果，测量的中心频率为12.2 GHz，所提带通滤波器1的带宽为0.4 GHz，相当于FBW的3.3％。测量的通带S21和S11分别优于-2 dB和-40 dB。所提带通滤波器1的总体尺寸仅为15×2×0.508mm，与平面尺寸相比减小了60％。
综上所述，该带通滤波器1由五节长度为半波长的谐振器2级联构成，每个谐振器都采用慢波结构，以减小其长度，实现小型化。该带通滤波器1的总体尺寸仅为15×2×0.508mm，与传统的实现相比尺寸减少了60％，同时得到了3.3％的相对带宽。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，包括基板（3），一个或多个半波长谐振器（2）安装在基板（3）顶层，相邻的半波长谐振器（2）之间耦合连接，所述半波长谐振器（2）由一个或多个等效为电感的微带线一、一个或多个等效为电容的微带线二级联构成；每个等效为电感的微带线一与每个等效为电容的微带线二相互间隔排列；带通滤波器（1）的输入端、输出端分别设在带通滤波器（1）的两端且均为等效为电感的微带线一，所述基板的底层为接地信号层。
2.根据权利要求1所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，在每个半波长谐振器（2）中，等效为电感的微带线一的长度小于等效为电容的微带线二。
3. 根据权利要求2所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，在每个半波长谐振器（2）中，所有等效为电感的微带线一的长度相同，所有等效为电容的微带线二的长度相同。
4.根据权利要求1所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，每个半波长谐振器（2）中，等效为电感的微带线一的电感值与等效为电容的微带线二的电容值的比值与其它半波长谐振器（2）中等效为电感的微带线一的电感值与等效为电容的微带线二的电容值的比值相同
根据权利要求1所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，所述基板（3）为高频板RO4003C。
5. 根据权利要求5所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，所述基板（3）的介电常数为3.38，厚度为0.508 mm。
6. 根据权利要求1所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，所述半波长谐振器（2）的特征阻抗为50Ω，电长度为中心频率12.2 GHz所对应的半波长长度。
7.根据权利要求1所述的紧凑型基于慢波结构的末端耦合带通滤波器，其特征在于，所述半波长谐振器（2）为5个。
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