CN110137644B - 一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于平衡滤波器技术领域，公开了一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器，包括：依次设置的微带，介质基板以及导电层；导电层上通过刻蚀槽线形成了通带选择模块和阻带抑制模块，通带选择模块包括：两个沿水平方向对称设置的开口环形谐振器，一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈入端，另一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈出端；阻带抑制模块包括：两个沿竖直方向对称设置的槽线π型网络，一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈入端连接，另一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈出端连接。本发明通过采用槽线π型网络和两个槽线开口环形谐振器构成的二阶谐振电路分别实现宽阻带和通带高选择性。

Description

一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器

技术领域

本发明属于平衡滤波器技术领域，更具体地，涉及一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器。

背景技术

随着射频通信系统的高速发展，人们对于电路的抗干扰能力和噪声抑制水平的要求越来越高。而平衡电路作为解决这个问题的主要有效手段得到了更多的关注与研究。其中，平衡滤波器是平衡电路中最基本的器件。一个有竞争性的平衡滤波器应该能够有效地传输需要的差模信号，同时有效地抑制通带内共模信号。具有高选择性、宽阻带特性的新型平衡滤波器能够更好满足通信系统的需求，也是研究的一个趋势。

为了同时获得高的选择特性和宽的阻带特性，已有的平衡滤波器技术主要如下：

2017年，Xin Gao等人提出了一种基于具有开路或短路枝节的对称/非对称的耦合线结构平衡滤波器。题目名为：“High-selectivity wideband balanced filters usingcoupled lines with open/shorted stubs”，通过奇偶模电路分别实现差分带通传输特性和宽带共模抑制特性。提出的平衡滤波器一实现的性能如下：中心频率5GHz，3dB带宽22％，20dB的阻带抑制可以到2.9倍的中心频率。提出的平衡滤波器二实现的性能如下：中心频率5GHz，3dB带宽21％，25dB的阻带抑制范围可以到2.9倍的中心频率。

2018年，Marc Sans等人结合多段镜像对称阶跃阻抗谐振器和交指电容提出了具有宽阻带的平衡滤波器。题目名为：“Compact wideband balanced bandpass filterswith very broad common-mode and differential-mode stopbands”，其同样也是基于微带奇偶模分析分别实现预期的差分传输与共模抑制。提出的平衡滤波器实现的性能如下：中心频率1.8GHz，3dB带宽为55.4％，插入损耗1dB，22dB的阻带抑制范围大于3.6倍的中心频率。

2017年，Lin-Ping Feng等人基于槽线谐振器加载微带枝节，提出了阻带增强的平衡滤波器。题目名为：“Strip-loaded slotline resonator for compact differential-mode bandpass filters with improved upper stopband performance”，由于槽线固有的全带宽内的共模抑制，设计只需要考虑电路的差模响应。提出的平衡滤波器实现的性能如下：中心频率3GHz，3dB带宽为28％，插入损耗0.67dB，20dB的阻带抑制范围小于2.3倍的中心频率。

以上所提到的平衡滤波器都难以同时实现足够宽的阻带抑制范围和通带的高选择性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器，旨在解决现有技术采用微带奇偶模电路或者常规槽线架构实现的差分带通传输特性和宽带共模抑制特性时，其差分传输无法同时实现阻带足够宽的抑制范围和通带内的高选择性的问题。

本发明提供了一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器，包括：依次设置的微带，介质基板以及导电层；微带作为信号馈线与导电层耦合，实现信号的差分传输；导电层上通过刻蚀槽线形成了通带选择模块和阻带抑制模块，通带选择模块包括：两个沿水平方向对称设置的开口环形谐振器，一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈入端，另一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈出端；且信号馈入端与信号馈出端关于两个开口环形谐振器的中心对称，构成开口环形谐振器的零度馈电结构；零度馈电结构在通带两侧分别引入一个零点，用于增强通带的选择特性；阻带抑制模块包括：两个沿竖直方向对称设置的槽线π型网络，用于对高频谐波的宽频率范围进行抑制，实现了超宽的阻带抑制；一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈入端连接，另一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈出端连接。

更进一步地，每个开口环形谐振器的结构相同，均包括：环形槽线5b、第一耦合槽线6b、第二耦合槽线7b、第一加载槽线8b和第二加载槽线9b；环形槽线5b的一端与第一耦合槽线6b的一端连接，环形槽线5b的另一端与第二耦合槽线7b的一端连接，第一耦合槽线6b的另一端与第一加载槽线8b的一端连接，第二耦合槽线7b的另一端与第二加载槽线9b的一端连接，第一加载槽线8b的另一端以及第二加载槽线9b的另一端均与环形槽线5b互不连通。

更进一步地，第一耦合槽线6b与所述第一加载槽线8b垂直设置，所述第二耦合槽线7b与所述第二加载槽线9b垂直设置。这样更优于调谐开口环形谐振器中的耦合槽线的线宽与线长，进而调谐通带的带宽等特性。

更进一步地，所述第一耦合槽线6b和所述第二耦合槽线7b沿着水平方向设置，在水平方向实现均匀耦合。并且可以实现信号馈入、信号馈出的通带低损耗。

更进一步地，第一加载槽线8b的线宽小于第一耦合槽线6b的线宽。更宽的耦合槽线可以在不增加耦合槽线长度条件下，实现更强的信号耦合。

第一耦合槽线6b的线宽小于环形槽线5b的线宽；通过选择更宽环形槽线，可以等效出更大半径的环形槽线，相当于减小了环形槽线的半径，有效减小槽线的面积。

在本发明实施例中，阻带抑制模块用于对高频的谐波的宽频率范围抑制，同时其对通带特性基本没有影响。阻带抑制模块包括两个沿竖直方向对称设置的槽线π型网络，其中一个与通带选择模块的馈入端连接，另一个与通带选择模块的馈出端连接。

更进一步地，每个槽线π型网络结构相同，均包括：连接槽线1b、第一输入耦合槽线2b、第二输入耦合槽线3b和第三输入耦合槽线4b；连接槽线1b沿竖直方向设置，第三输入耦合槽线4b的一端与连接槽线1b的中心位置连接，第三输入耦合槽线4b的另一端与通带选择模块的馈入端连接；第一输入耦合槽线2b的一端和第二输入耦合槽线3b的一端均与连接槽线1b相连，且连接位置关于连接槽线1b的中心对称。

更进一步地，第一输入耦合槽线2b、所述第二输入耦合槽线3b和所述第三输入耦合槽线4b均沿着水平方向设置，且分别与连接槽线1b垂直设置。其可以保证差分传输的对称性的同时，简化设计的复杂度。同时连接槽线1b采用纵向刻蚀，相对于常规的横向槽线短路枝节有效减小了电路的面积，进而减小辐射损耗，也有助于π型网络的连接。

在本发明实施例中，第一输入耦合槽线2b、第二输入耦合槽线3b必须选择足够线宽与线长，从而可以有效地改善阻带抑制效果。其宽度一般大于第三耦合槽线的宽度，长度上应该满足能与第一匹配微带耦合且不与环形槽线连通。若线宽选择不合适，阻带抑制范围会严重受限。

更进一步地，第一输入耦合槽线2b的长度和所述第二输入耦合槽线3b的长度满足能与第一匹配微带耦合且不与环形槽线连通。

优选地，第三输入耦合槽线4b的线宽小于第一输入耦合槽线2b的线宽，第三输入耦合槽线4b的线宽小于第二耦合槽线3b的线宽。一般而言，其应该采用小线宽，实现更小的槽线特征阻抗，满足微带槽线转换中的阻抗匹配关系，实现信号更好的传输。

通过本发明所采用的以上技术方案，与现有的技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过采用两个槽线开口环形谐振器构成二阶谐振电路。其馈电结构类似微带中零度馈电架构，使得通带两侧分别额外获得一个传输零点，从而有效地增强了通带的选择特性。

(2)本发明提出的π型槽线网络通过与顶层微带多重耦合，相对于常规的连接短路槽线枝节，有效地减小了电路的面积，进而减小了通带内的损耗。最重要的是，其极大地改善了阻带抑制范围，实现了超宽的阻带抑制。

此外，将提出的平衡滤波器的差分输入微带换成单端输入微带，即去除第二输入微带，同时相应去除第一输入耦合槽线和第二输入耦合槽线，本发明还可以延伸到高选择性宽阻带巴伦滤波器上。利用提出的槽线开口环形谐振器和π型槽线匹配电路，同样可以实现通带内的高选择性和通带外的宽阻带。由于槽线反相电场传输特性，实现的巴伦具有优异的输出平衡特性。

附图说明

图1是本发明高选择性宽阻带平衡滤波器系统架构框图；

图2是本发明高选择性宽阻带平衡滤波器的横截面示意图；

图3是本发明高选择性宽阻带平衡滤波器平面结构示意图；

图4是本发明高选择性宽阻带平衡滤波器频率响应曲线图。

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。

本发明提供了一种高选择性宽阻带平衡滤波器，同时实现了通带的高选择性和通带外阻带的宽抑制范围，且滤波器具有低插入损耗和紧凑的电路尺寸。

图1是本发明所提出的高选择性宽阻带平衡滤波器的架构框图。其中，π型槽线网络(阻带抑制模块)用来实现宽阻带，采用的开口环形谐振器(通带选择模块)用来实现高选择性。

图2是本发明提出的平衡滤波器的横截面图，1表示顶层微带金属，2表示基板介质，3表示底层导电金属。

本发明提供的高选择性宽阻带平衡滤波器，包括：依次设置的微带1，介质基板2以及导电层3；其中，所述导电层3中的槽线为刻蚀在底层的特殊传输线。由于槽线激励传输时，具有反向电场朝向特性，当微带1差分输入时，导电层3中与之耦合的槽线反向传输电场模式才会被激励，从而实现差分信号的有效传输。而当微带1共模输入时，与之耦合的槽线两侧受到相同电场方向信号激励，不能满足槽线电场反向传输模式，从而具有天然的共模抑制特性；所述导电层上通过刻蚀槽线形成了通带选择模块和阻带抑制模块。

图3是本发明提出的平衡滤波器具体的平面结构示意图。所述的P1和P1’表示两个差分输入端口，P2和P2’表示两个差分输出端口。

微带1作为信号馈线，与导电层耦合，实现信号的差分传输；微带1包括：沿着竖直方向对称设置的输入微带和输出微带，输入微带与阻带抑制模块中的一个槽线π型网络层间耦合，输出微带与阻带抑制模块中的另一个槽线π型网络层间耦合。

输入微带和输出微带的结构相同，输入微带包括：依次设置的第一输入微带1a、第一匹配微带2a和第二输入微带3a；第一输入微带1a的线宽与第二输入微带3a的线宽相同，其对应于微带的50欧姆特征阻抗；第一匹配微带2a的线宽大于第一输入微带1a的线宽，其对应微带特征阻抗小于50欧姆，用来实现最优的微带与槽线输入耦合阻抗匹配。

输出微带包括：依次设置的第一输出微带4a、第二匹配微带5a和第二输出微带6a；第一输出微带4a的线宽与第二输出微带6a的线宽相同，其对应于微带的50欧姆特征阻抗；第二匹配微带5a的线宽大于第一输出微带4a的线宽，其对应微带特征阻抗小于50欧姆，用来实现最优的微带与槽线输出耦合阻抗匹配。

其中，第一输入微带1a和第二输入微带3a，第一输出微带4a和第二输出微带6a，第一匹配微带2a和第二匹配微带5a构成顶层微带1。第一、第二输入输出微带都是特征阻抗为50欧姆的线宽，其用来实现差分信号的输入与输出。第一、第二匹配微带线宽比输入输出微带线宽更宽，具有更小的特征阻抗，其与槽线耦合可以实现更好的阻抗转换匹配。顶层微带1关于对称面水平和竖直对称，用来满足输入输出差分传输的对称特性。

在本发明实施例中，通带选择模块用于通带中心频率，通带带宽，通带矩形系数(量化通带选择性的参数)等通带特性的确定；通带选择模块采用两个开口环形谐振器构成二阶谐振电路。具体地，通带选择模块包括：两个沿水平方向对称设置的开口环形谐振器，其中一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈入端，另一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈出端；其馈入馈出关于两个开口环形谐振器的中心对称，构成开口环形谐振器的零度馈电结构；所述结构可以在通带两侧分别引入额外的一个零点，增强了通带的选择特性。

每个开口环形谐振器的结构相同，均包括：环形槽线5b、第一耦合槽线6b、第二耦合槽线7b、第一加载槽线8b和第二加载槽线9b；环形槽线5b的一端与第一耦合槽线6b的一端连接，环形槽线5b的另一端与第二耦合槽线7b的一端连接，第一耦合槽线6b的另一端与第一加载槽线8b的一端连接，第二耦合槽线7b的另一端与第二加载槽线9b的一端连接，第一加载槽线8b的另一端以及第二加载槽线9b的另一端均与环形槽线5b互不连通。

槽线零度馈电引入的两个零点与开口环形谐振器的两条支路相关联。支路一：由第一耦合槽线6b和第一加载槽线8b构成；支路二：由环形槽线5b，第二耦合槽线7b和第二加载槽线9b构成。每条支路的电长度满足90°电长度，就会在相应频率产生一个零点。其中，支路一确定通带右侧零点位置，支路二确定通带左侧零点位置。调谐所述的两支路，通带具有灵活的可控性。

优选地，第一耦合槽线6b和第二耦合槽线7b沿着水平方向设置，在水平方向实现均匀耦合。并且其采用水平设置可以实现信号馈入馈出的通带低损耗。

阻带抑制模块包括两个沿竖直方向对称设置的槽线π型网络，其中一个与通带选择模块的馈入端连接，另一个与通带选择模块的馈出端连接。每个槽线π型网络结构相同，均包括：连接槽线1b、第一输入耦合槽线2b、第二输入耦合槽线3b和第三输入耦合槽线4b，连接槽线1b沿竖直方向设置，第三输入耦合槽线4b的一端与连接槽线1b的中心位置连接，第三输入耦合槽线4b的另一端与通带选择模块的馈入端连接；第一输入耦合槽线2b的一端和第二输入耦合槽线3b的一端均与连接槽线1b相连，且连接位置关于连接槽线1b的中心对称。

优选地，第一输入耦合槽线2b、第二输入耦合槽线3b和第三输入耦合槽线4b均沿着水平方向设置，且分别与连接槽线1b垂直设置；其可以保证差分传输的对称性的同时，简化设计的复杂度。同时连接槽线1b采用竖直刻蚀，相对于常规的水平槽线短路枝节有效减小了电路的面积，进而减小辐射损耗，也有助于π型网络的连接。

π型槽线网络通过与微带1之间的多重耦合，相对于常规的槽线短路枝节极大地改善了其阻带抑制。常规的槽线短路枝节20dB阻带抑制一般只能抑制到2到3倍的中心频率处，本发明提出的π型网络，可以将20dB的阻带抑制范围提升到7倍中心频率以上。

优选地，第一输入耦合槽线2b、第二输入耦合槽线3b必须选择足够线宽与线长，从而可以有效地改善阻带抑制效果。其宽度一般大于第三耦合槽线的宽度，长度上应该满足能与第一匹配微带耦合且不与环形槽线连通。若线宽选择不合适，阻带抑制范围会严重受限。

优选地，第三输入耦合槽线4b的线宽小于第一输入耦合槽线2b和第二耦合槽线3b。一般而言，其应该采用小线宽，实现更小的槽线特征阻抗，满足微带槽线转换中的阻抗匹配关系，实现信号更好的传输。

为验证本发明，第一介质基板的介电常数为3.66，厚度为0.762毫米，损耗角正切为0.004，铜厚0.035毫米的Rogers 4350B。

图4说明了本发明上述高选择性宽阻带平衡滤波器的S参数仿真与测试结果。对于平衡滤波器的差模响应，测试的3dB的带宽为2.47GHz-4.35GHz(相对带宽55.1％)，且通带内的回波损耗大于20dB。通带中心频率3.5GHz对应的插入损耗为1.07dB。并且，具有20dB的阻带抑制至少可以到25GHz。通带的20dB带宽比3dB带宽的矩形系数为1.34。对与平衡滤波器的共模响应，通带内的测试共模抑制大于40.5dB。与现有技术相比，本发明提出的平衡滤波器具有更宽的阻带抑制范围和优异的通带选择特性，同时保证了紧凑的电路尺寸，低插入损耗和具有竞争性的通带共模抑制。

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 (7)

1.一种基于槽线的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，包括：依次设置的微带(1)，介质基板(2)以及导电层(3)；

所述微带(1)作为信号馈线与所述导电层(3)耦合，实现信号的差分传输；所述微带(1)包括沿着竖直方向对称设置的输入微带和输出微带，输入微带包括依次设置的第一输入微带(1a)、第一匹配微带(2a)和第二输入微带(3a)；输出微带包括依次设置的第一输出微带(4a)、第二匹配微带(5a)和第二输出微带(6a)；

所述导电层(3)上通过刻蚀槽线形成了通带选择模块和阻带抑制模块，所述通带选择模块包括：两个沿水平方向对称设置的开口环形谐振器，一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈入端，另一个开口环形谐振器的耦合端作为通带选择模块的信号馈出端；且所述信号馈入端与所述信号馈出端构成开口环形谐振器的零度馈电结构，所述零度馈电结构在通带两侧分别引入一个零点，用于增强通带的选择特性；

每个开口环形谐振器的结构相同，均包括：环形槽线(5b)、第一耦合槽线(6b)、第二耦合槽线(7b)、第一加载槽线(8b)和第二加载槽线(9b)；环形槽线(5b)的一端与第一耦合槽线(6b)的一端连接，环形槽线(5b)的另一端与第二耦合槽线(7b)的一端连接，第一耦合槽线(6b)的另一端与第一加载槽线(8b)的一端连接，第二耦合槽线(7b)的另一端与第二加载槽线(9b)的一端连接，第一加载槽线(8b)的另一端以及第二加载槽线(9b)的另一端均与环形槽线(5b)互不连通；

所述阻带抑制模块包括：两个沿竖直方向对称设置的槽线π型网络，用于对高频谐波的宽频率范围进行抑制；一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈入端连接，另一个槽线π型网络与通带选择模块的信号馈出端连接；每个槽线π型网络结构相同，均包括：连接槽线(1b)、第一输入耦合槽线(2b)、第二输入耦合槽线(3b)和第三输入耦合槽线(4b)；连接槽线(1b)沿竖直方向设置，第三输入耦合槽线(4b)的一端与连接槽线(1b)的中心位置连接，第三输入耦合槽线(4b)的另一端与通带选择模块的馈入端连接；第一输入耦合槽线(2b)的一端和第二输入耦合槽线(3b)的一端均与连接槽线(1b)相连，且连接位置关于连接槽线(1b)的中心对称。

2.如权利要求1所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，所述第一耦合槽线(6b)与所述第一加载槽线(8b)垂直设置，所述第二耦合槽线(7b)与所述第二加载槽线(9b)垂直设置。

3.如权利要求2所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，所述第一耦合槽线(6b)和所述第二耦合槽线(7b)沿着水平方向设置，在水平方向实现均匀耦合。

4.如权利要求2或3所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，所述第一加载槽线(8b)的线宽小于所述第一耦合槽线(6b)的线宽；所述第一耦合槽线(6b)的线宽小于所述环形槽线(5b)的线宽。

5.如权利要求1所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，所述第一输入耦合槽线(2b)、所述第二输入耦合槽线(3b)和所述第三输入耦合槽线(4b)均沿着水平方向设置，且分别与连接槽线(1b)垂直设置。

6.如权利要求1所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，第三输入耦合槽线(4b)的线宽小于第一输入耦合槽线(2b)的线宽，第三输入耦合槽线(4b)的线宽小于第二输入耦合槽线(3b)的线宽。

7.如权利要求1所述的高选择性宽阻带平衡滤波器，其特征在于，所述第一输入耦合槽线(2b)的长度和所述第二输入耦合槽线(3b)的长度满足能与第一匹配微带(2a)耦合且不与环形槽线连通。

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