CN109860964B

CN109860964B - 一种多通带带通滤波器

Info

Publication number: CN109860964B
Application number: CN201811370691.9A
Authority: CN
Inventors: 毕晓君; 王露华
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-17
Filing date: 2018-11-17
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-11-17
Also published as: CN109860964A

Abstract

本发明公开了一种多通带带通滤波器，包括：两个十字形谐振器及一个短路的微带线组成的多模谐振器；短路的微带线的一端接地短路，另一端分别连接两个十字形谐振器第一条微带线的一端，两个十字形谐振器第一条微带线的另一端均与其第二条微带线的一端、第三条微带线的一端和第四条微带线的一端相连接；两个十字形谐振器第三条微带线的另一端均接地短路；两个十字形谐振器第四条微带线的另一端均开路；一个十字形谐振器第二条微带线的另一端作为多模谐振器的输入端，另一个十字形谐振器第二条微带线的另一端作为多模谐振器的输出端。本发明通过单个谐振器实现了多通带滤波器，具有非常广阔的研究意义与实用价值。

Description

一种多通带带通滤波器

技术领域

本发明属于带通滤波器领域，更具体地，涉及一种多通带带通滤波器。

背景技术

随着通信业的迅猛发展，微波射频电路与系统已经受到越来越多的科研工作者关注。无源滤波器作为射频电路中的重要组成部分，有着关键性滤波的作用，所以更多的不同频段无源滤波器应用到了人们的日常生活中，包括WLAN、GPRS、Bluetooth、WAP以及WiMAX、GPS和LTE等。这使我们的生活更加便利和丰富，但也提高了对滤波器的小型化、集成化、高可靠化等的要求。然而我们可以使用的频谱资源是有限度的，为解决日益增长的频谱需求与频谱资源限度之间的矛盾，单通带滤波器已不能很好地满足无线通信的需求。因此，高性能多通带滤波器的研究具有极其重要的理论意义、极大的潜在经济效益和广阔应用远景。

近年来对于多通带滤波器的设计，主要采用的方法有两大类：

第一类是用多个谐振器共用I/O端口形成多通带，这种方法思路简单，但通常占用面积大，因过多的端口耦合产生的插入损耗高且为规避耦合过多带来对应的高插损。

第二类方法是仅采用单个谐振器产生多通带。此类方法又分为两种：一种是通过在宽带通结构中添加带阻或零点结构，分裂单通带形成多通带，这种设计思路类似陷波，所产生的多通带之间的阻带抑制往往不够，导致通带选择性不高；第二种采用单个谐振器的方法即采用多模谐振器，这种方法设计灵活，避免了因过多耦合产生的高插损和陷波引起的阻带抑制不够的问题，但又会存在中心频率和带宽难以调控的问题。

因而在设计多通带带通滤波器的同时，需要兼顾尺寸、损耗、通带间阻带抑制、通带选择性以及中心频率带宽可调等各方面性能，这是一个非常有意义的挑战。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有多通带带通滤波器无法兼顾尺寸、损耗、通带间阻带抑制、通带选择性以及中心频率带宽可调等各方面性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种多通带带通滤波器，包括：两个十字形谐振器及一个短路的微带线组成的多模谐振器；

每个十字形谐振器包括呈十字分布的第一条至第四条微带线，四条微带线的参数均不相同，每条微带线的参数包括：特征导纳和电长度；所述两个十字形谐振器的结构呈镜像对称，且两者分别包括的第一条至第四条微带线的位置也一一对应呈镜像对称；

所述短路的微带线的参数与所述四条微带线的参数也不相同；短路的微带线的一端接地短路，另一端分别连接两个十字形谐振器第一条微带线的一端，

两个十字形谐振器第一条微带线的另一端均与其第二条微带线的一端、第三条微带线的一端和第四条微带线的一端相连接；

两个十字形谐振器第三条微带线的另一端均接地短路；

两个十字形谐振器第四条微带线的另一端均开路；

一个十字形谐振器第二条微带线的另一端作为多模谐振器的输入端，另一个十字形谐振器第二条微带线的另一端作为多模谐振器的输出端，所述多模谐振器可以产生多个零点和多个极点，十字形谐振器包括的四条微带线的参数和短路的微带线的参数可以调控所述多模谐振器零点和极点的位置，使得多个零点穿插在多个极点之间，进而使得所述多模谐振器产生多个通带，具备多通带带通滤波器的功能，所述多个零点和多个极点的位置决定所述多通带带通滤波器中心频率和带宽。

可选地，在每个十字形谐振器第四条微带线的开路端引入自耦合结构，在每个十字形谐振器第三条微带线的短路端引入Y型结，以进一步调节每个十字形谐振器的零点，增强多通带带通滤波器中心频率和带宽的调控自由度。

可选地，当每个十字形谐振器第三条微带线的短路端引入Y型结时，所述Y型结替换第三条微带线；

所述Y型结结构包括：第五条微带线、第六条微带线和第七条微带线，所述第六条微带线插入所述第五条微带线和第七条微带线之间；

第五条微带线的一端连接所述第一条微带线的另一端，第五条微带线的另一端连接第六条微带线的一端和第七条微带线的一端；

第六条微带线的另一端和第七条微带线的另一端均接地短路；

所述第五条微带线的特征导纳值和第七条微带线的特征导纳值均等于第三条微带线的特征导纳值，所述第五条微带线的电长度值和第七条微带线的电长度值之和等于第三条微带线的电长度值。

可选地，当每个十字形谐振器第四条微带线的开路端引入自耦合结构时，所述第四条微带线开路的另一端选取预设电长度的微带线进行对半弯折，设置一定的耦合间距，达到自身与自身耦合的效果；

所述对半弯折的微带线成为自耦合结构，所述对半弯折的微带线变成两条微带线，所述两条微带线中一条微带线的一端开路，且该开路端连接另一条微带线的一端，一条微带线的另一端分别连接另一条微带线的两端，另一条微带线中未连接所述开路端的端口连接所述第四条微带线的另一端，其中一条微带线的开路端作为所述自耦合结构的另一端，另一条微带线中未连接所述开路端的端口作为所述自耦合结构的一端，减去预设电长度后的第四条微带线连接所述自耦合结构的一端。

可选地，通过调节插入的第六条微带线的参数和其插入在第五条微带线与第七条微带线之间的位置，调节Y型结结构所在短路线产生的多模谐振器零点的位置。

可选地，通过调节自耦合结构包括的两条微带线的间距和所述预设电长度值，调节自耦合结构所在开路线产生的多模谐振器零点的位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的多通带带通滤波器，包括：两个十字形谐振器及一个短路的微带线组成的多模谐振器，多模谐振器可以产生多个零点和多个极点，十字形谐振器包括的四条微带线的参数和短路的微带线的参数可以调控多模谐振器零点和极点的位置，使得多个零点穿插在多个极点之间，进而使得多模谐振器产生多个通带，具备多通带带通滤波器的功能。本发明基于非等线宽十字形连接谐振器，会产生多个可调的谐振模式，合理的调制这些谐振点的频率，使其相互接近，可以设计出宽带滤波器，并且所设计出来的宽带滤波器依然具有插入损耗小、结构简单、回波损耗高和通带选择性高的特点。

本发明提供的多通带带通滤波器可应用至不同的滤波器类型上，如宽带滤波器，其应用将能够大幅提升通信系统的小型化和集成化。

附图说明

图1是本发明提供的非等线宽十字形谐振器的结构示意图；

图2是本发明提供的多模谐振器结构示意图；

图3是本发明提供的多模谐振器奇偶模等效电路示意图；

图4是本发明所用谐振器采用不同电长度产生的零极点频率图；

图5是本发明提供的多通带带滤波器的结构示意图；

图6是本发明提供的多通带带通滤波器的仿真与测试结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种非等线宽十字形连接谐振器，通过连接两个非等线宽十字形连接谐振器并在中间添加短路的微带线构成新型多模谐振器，利用该单个多模谐振器产生多个中心频率和带宽可调的通带，利用简单的结构，减小了尺寸，降低了插入损耗，增大了带间抑制，提高选择性。在多模谐振器的开路端和短路端分别引入自耦合和Y型结，能够有助于通带中心频率和带宽的调制，增大了中心频率和带宽的可调性。由此解决多通带滤波器插入损耗大、带间抑制不足和频段难以控制的技术问题。

具体地，图1是本发明提供的非等线宽十字形谐振器的结构示意图；如图1所示，其中Y表示特征导纳，θ表示微带线的电长度。十字形结构中四段微带线特征导纳与电长度各不相同，上下分别为开路支节和短路支节，产生多个零极点。Y_j表示第j条微带线的特征导纳，θ_j表示第j条微带线的特征导纳，j＝1,2,…。Y_in表示输入导纳。

图2是本发明提供的多模谐振器结构示意图；如图2所示，包括：两个十字形谐振器及一个短路的微带线组成的多模谐振器；

两个十字形谐振器的结构参数相同，每个十字形谐振器包括呈十字分布的四条微带线，四条微带线的参数均不相同，每条微带线的参数包括：特征导纳和电长度；

短路的微带线的参数(Y₅,θ₅)与所述四条微带线的参数((Y₁,θ₁)、(Y₂,θ₂)、(Y₃,θ₃)、(Y₄,θ₄))也不相同；短路的微带线的一端接地短路，另一端分别连接两个十字形谐振器第一条微带线的一端，

两个十字形谐振器第三条微带线的另一端均接地短路；

两个十字形谐振器第四条微带线的另一端均开路；

此外，本发明可以在十字形谐振器的开路端和短路端分别引入自耦合结构与Y型结，增大零点的可调性增大中心频率与带宽的可调性。

进一步的，基于本发明提供的多通带滤波器本发明可以实现八通带带通滤波器，八通带是目前业界所能达到的最多通带数。本发明仅仅通过单个谐振器就能设计出八通带带通滤波器。并且该谐振器具有16种谐振模式和8个零点。

进一步的，通过连接两个十字形谐振器并在中间添加短路线形成多模谐振器，调节十字形谐振器各段特征导纳的导纳比及电长度，以及中间短路线的特征导纳和电长度，可以调控零点与极点的位置，从而调控中心频率和带宽。

进一步的，在非等线宽十字形连接谐振器的开路支节和短路支节上分别添加了自耦合和Y型线结构，更大程度地提升了零点的可调性，增强中心频率和带宽的调控自由度。

除了所述的八通带，还可进一步采取不同的电长度与特征导纳，灵活控制产生通带的数目。

图3是本发明提供的多模谐振器的偶模和奇模等效电路。左半部分是偶模等效电路，在偶模信号的激励下，电路的中间视为开路即中间的短路支节阻抗变为原来的两倍。通过偶模分析法可以得到偶模激励下的等效输入导纳为：

其中，

右半部分是奇模等效电路，在奇模信号的激励下，中间的短路枝节电势恒为零，因此可将其忽略。即通过调控中间短路线的导纳可以单独调控偶模。且中间短路线还有提高该多模谐振器回波损耗与高频抑制的效果。通过奇模分析法可以得到奇模激励下的等效输入导纳为：

当偶模激励下的等效输入导纳Y_ine和/或奇模激励下的等效输入导纳Y_ino为零时，多模谐振器发送谐振，产生极点。

其中，电长度θ与谐振频率f之间的关系为：

其中，β为相位常数，l为微带线实际长度，v表示信号的传输速度，λ表示波长。

由上式可得，谐振器的谐振频率由特征导纳和电长度共同决定的。

其中，第三条短路微带线和第四条开路微带线产生的零点分别为：

其中f₀表示第一个通带的中心频率，n表示倍数，f_zs表示第三条短路微带线产生的零点，f_zo表示第四条开路微带线产生的零点。

图4是本发明所用谐振器采用不同电长度产生的零极点频率图。其中f_zi表示产生零点频率，f_ei表示产生偶模谐振频率，f_oi表示产生奇模谐振频率。下标i表示序号，i＝1,2,…。横坐标是产生的零点与极点频率，纵坐标是电长度之比系数l_o，l_o＝θ₄/(6θ₁)，此前已设定θ₃＝θ₄等参数。从图中可看出，通过调控电长度，可产生多个零点与极点频率，图4以可产生八通带所需的16个谐振点与8个零点为例进行说明。

图5是多通带滤波器结构示意图。通过调节自耦合结构耦合部分的电长度和间距，可以调节开路线产生的零点位置；通过调节Y型线的插入支节长度、特征导纳与插入支节的位置，改变原短路线产生的零点的位置。从而增加了通带中心频率与带宽的调控自由度，能够有助于更多通带的调制与设计。

图6是本发明的多通带滤波器的仿真与测试结果图。其中S₂₁表示插入损耗，S₁₁表示回波损耗，虚线表示仿真结果，实线表示测试结果。该滤波器的面积仅为0.237λ_g×0.098λ_g，λ_g为第一个通带中心频率对应的波长，尺寸小。可见，本发明提供的多通带滤波器的插入损耗小、回波损耗高且结构简单，具有较好的应用前景。

本发明通过对各个枝节合理的调制，可以使得本发明提供的多通带带通滤波器具备八通带带通滤波器的功能，可以将通带的中心频率设计到0.8GHz、1.8GHz、2.7GHz、3.3GHz、4.2GHz、4.8GHz、5.8GHz和6.7GHz，这些频率有一部分可以应用到GSM、WIFI、4G/5G、RFID中。八个通带的相对带宽分别是24.8％,17.8％,7.1％,6.0％,6.3％,5.6％,7.4％和3.8％。在通带内，各个通带的最低插入损耗为0.5dB,0.6dB,1.4dB,1.6dB,1.4dB,1.7dB,1.4dB和2.2dB，实现了低插入损耗的效果。同时该回波损耗分别是11.3dB,24.1dB,20.6dB,18.3dB,35.9dB,20.7dB,24.5dB和24dB，性能优异。其八个通带的带间最高抑制点为50dB,34dB,45dB,29dB,25dB,28dB和30dB，得到了较高的通带选择性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多通带带通滤波器，其特征在于，包括：两个十字形谐振器及一个短路的微带线组成的多模谐振器；

两个十字形谐振器第三条微带线的另一端均接地短路；

两个十字形谐振器第四条微带线的另一端均开路；

2.根据权利要求1所述的多通带带通滤波器，其特征在于，在每个十字形谐振器第四条微带线的开路端引入自耦合结构，在每个十字形谐振器第三条微带线的短路端引入Y型结，以进一步调节每个十字形谐振器的零点，增强多通带带通滤波器中心频率和带宽的调控自由度。

3.根据权利要求2所述的多通带带通滤波器，其特征在于，当每个十字形谐振器第三条微带线的短路端引入Y型结时，所述Y型结替换第三条微带线；

4.根据权利要求2所述的多通带带通滤波器，其特征在于，当每个十字形谐振器第四条微带线的开路端引入自耦合结构时，所述第四条微带线开路的另一端选取预设电长度的微带线进行对半弯折，设置一定的耦合间距，达到自身与自身耦合的效果；

5.根据权利要求3所述的多通带带通滤波器，其特征在于，通过调节插入的第六条微带线的参数和其插入在第五条微带线与第七条微带线之间的位置，调节Y型结结构所在短路线产生的多模谐振器零点的位置。

6.根据权利要求4所述的多通带带通滤波器，其特征在于，通过调节自耦合结构包括的两条微带线的间距和所述预设电长度值，调节自耦合结构所在开路线产生的多模谐振器零点的位置。