CN110350286A - 一种四模谐振器及毫米波双通带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四模谐振器及毫米波双通带滤波器，该四模谐振器，其关于一轴结构对称，包括矩形传输线、设置在传输线两端的枝节、设置在传输线对应两侧的短路枝节和为短路枝节提供接地设置的贴片，所述枝节、传输线、短路枝节均为均匀阻抗，所述枝节包括两成对称分布的第一枝节和两成对称分布的第二枝节，所述第一枝节、第二枝节均与传输线连接，所述短路枝节的长度、传输线的宽度均为枝节宽度的2倍。其结构紧凑，传输零点多，阻带宽。

Description

一种四模谐振器及毫米波双通带滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，更具体的说是涉及一种四模谐振器及毫米波双通带滤波器。

背景技术

卫星通信、WLAN、GPRS、4G等系统采用的工作频率多分布于电磁波的微波频段，造成了频谱资源的拥挤和匮乏。为了获得充足的频谱资源，人们将注意力转移到了毫米波频段。毫米波一般是指频率为30GHz-300GHz的电磁波，相应的波长为10mm-1mm，工程上主要分为Ka频段(26.5-40GHz)、V频段(40GHz-75GHz)、W频段(75GHz-110GHz)、T频段(110-180GHz)。毫米波具有信号频带宽，数据传输速率高以及频谱资源丰富等优点，毫米波相关技术已广泛应用于军事、医疗、通讯、航空航天等领域。随着5G通信技术，智慧城市和物联网的进一步发展和商业化，人们对信道容量和传输速率提出了更高的要求，使现有的通信技术面临着巨大的挑战。作为无线通信系统前端部分的重要器件，滤波器主要用于频带选择以保证系统免受杂波干扰，使得系统发挥正常功能。传统形式的滤波器如腔体滤波器、介质滤波器等虽然带内损耗低，选择性好，但是其体积大，成本高，无法满足系统对小型化和低成本的要求。微带滤波器具有重量轻，体积小，制造成本低廉以及易于集成等不可替代的优势。因而，毫米波频段的微带滤波器具有重要的研究和应用价值。越来越多人的研究和关注设计制造高性能的毫米波微带滤波器这一课题。现有毫米波双通带滤波器结构复杂，调试困难，设计过程冗长，尺寸大，传输零点少。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种四模谐振器及毫米波双通带滤波器。

本发明通过下述技术方案实现：

一种四模谐振器，其关于一轴结构对称，包括矩形传输线、设置在传输线两端的枝节、设置在传输线对应两侧的短路枝节和为短路枝节提供接地设置的贴片，所述枝节、传输线、短路枝节均为均匀阻抗，所述枝节包括两成对称分布的第一枝节和两成对称分布的第二枝节，所述第一枝节、第二枝节均与传输线连接，所述短路枝节的长度、传输线的宽度均为枝节宽度的2倍。谐振器为对称结构，可以利用多次运用奇偶模理论分析并得到准确的谐振频率计算式，大大简化设计过程，减少设计时间。短路枝节的长度、传输线的宽度均为枝节宽度的2倍，枝节、传输线、短路枝节均为均匀阻抗，以保证可以利用奇偶模理论分析，使得复杂的求解谐振频率的过程简单有效，最终简化得到等效四分之一波长均匀阻抗谐振器。

作为优选，为了减小谐振器所占面积，减小滤波器的体积，第一枝节、第二枝节至少经一次弯折且每次弯折的角度为90度。枝节采用弯折结构，即可减小谐振器所占面积，作为滤波器的一部分，也能使引入的馈线之间的距离缩小了，有利于源与负载的耦合作用。

作为优选，为了便于第一枝节、第二枝节、传输线的连接设置，所述第一枝节、第二枝节在与传输线的连接处相互垂直。

一种毫米波双通带滤波器，包括介质基板、设置在介质基板下表面的接地板和设置在介质基板上表面的谐振器与馈线，所述谐振器为上述四模滤波器。

作为优选，第一枝节包括依次连接的第一水平枝节和第一垂向枝节，所述馈线包括依次连接的第一馈线、50欧姆馈线和第二馈线，所述第一馈线包括依次连接的第一水平馈线、第一垂向馈线，所述第二馈线包括依次连接的第二水平馈线、第二垂向馈线、第三水平馈线、第三垂向馈线，所述第二垂向馈线、第三水平馈线、第三垂向馈线位于第一枝节的一侧且与第一馈线位于第一枝节的不同侧，所述第二垂向馈线与第一垂向枝节的距离大于第三垂向馈线与第一垂向枝节的距离。

作为优选，为了进一步的减小谐振器所占面积，减小滤波器的体积，第二枝节包括依次连接的第二垂向枝节、第二水平枝节、第三垂向枝节，所述第二垂向枝节、第三垂向枝节均位于第二水平枝节的一侧。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的谐振器为对称结构，可以利用多次运用奇偶模理论分析并得到准确的谐振频率计算式，大大简化设计过程，减少设计时间。

2、本谐振器的短路枝节的长度、传输线的宽度与枝节宽度之间均存在2倍关系，可以利用奇偶模理论分析，使得复杂的求解谐振频率的过程简单有效，最终简化得到等效四分之一波长均匀阻抗谐振器，可得到较宽的阻带。

3、将上述谐振器应用到滤波器中，馈线和枝节均弯折结构，形成源与负载耦合，产生更多传输零点，有效的提高了对通带外杂波的抑制效果，获得了较宽的阻带。

4、本方案的双通带滤波器，仅需一个谐振器，减少了谐振器数量，并对该四模谐振器进行折叠，大大减小了其总体尺寸。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明谐振器的结构示意图。

图2为本发明滤波器的结构示意图。

图3为电磁仿真软件仿真结果图。

图4为本谐振器的奇模等效结构。

图5为本谐振器的偶模等效结构。

图6为图4中奇模等效结构再次运用奇偶模理论分析得到的等效图一。

图7为图4中奇模等效结构再次运用奇偶模理论分析得到的等效图二。

图8为图5中偶模等效结构再次运用奇偶模理论分析得到的等效图一。

图9为图5中偶模等效结构再次运用奇偶模理论分析得到的等效图二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示的一种四模谐振器，其关于一轴结构对称，包括矩形传输线2、枝节1、短路枝节3，短路枝节3设置在传输线2的长度方向的两侧，枝节1设置在传输线2的宽度方向的两侧，短路枝节3上连接有用于提供接地设置的贴片4，可在贴片4上打孔的方式实现接地。枝节1包括两成对称分布的第一枝节和两成对称分布的第二枝节，第一枝节、第二枝节均与传输线2连接，所述短路枝节3的长度W₃、传输线2的宽度W₂均为枝节1的宽度W₁的2倍，即W₂＝2W₁，W₃＝2W₁。第一枝节、第二枝节的长度、宽度分别相等。此处对图1中的各符号进行说明：L₁即枝节1的长度，L₂即传输线2的长度，L₃即短路枝节3的宽度，L₄即贴片4的长度，R为贴片上接地孔的半径。贴片结构可根据情况做适应性选择。

图1谐振器左右对称，应用奇偶模理论分析得到图4的奇模等效结构和图5的偶模等效结构。图4左右对称再次运用奇偶模理论分析得到图6和图7。图5也左右对称，再次运用奇偶模理论分析得到图8和图9。图6和图9这四个谐振器结构是常见的四分之一波长均匀阻抗谐振器结构。可以直接得到其谐振频率计算式：

图6的谐振频率为：

图7的谐振频率为：

图8的谐振频率为：

图9的谐振频率为：

其中，c为真空中的光速，ε_eff是等效介电常数。

采用上述谐振器结构，可以利用多次运用奇偶模理论分析并得到准确的谐振频率计算式，使得复杂的求解谐振频率的过程简单有效，大大简化设计过程，减少设计时间。

短路枝节3设置在传输线2的对应两侧，本方案中沿该两侧的方向为长度方向，另对应两侧为宽度方向。

第一枝节、第二枝节可采用如图1中所示的结构，即第一枝节、第二枝节均成平直结构；也可采用如图2所示的结构，对其进行弯折，以减小谐振器的作占面积。弯折时，优先保持90度的弯折角度，如图2所示，弯折次数可仅弯折1次，也可弯折2次、3次、4次等，弯折次数根据使用需求并在枝节长度允许的情况下做调整。

第一枝节、第二枝节均与传输线相连，其设置在传输线的两端，第一枝节、第二枝节、短路枝节3均成方形，第一枝节、第二枝节在与传输线2的连接处相互垂直。当然，采用垂直结构进行优选实施方式，并不是对其结构的限定，采用垂直结构是为了便于连接设置，本领域的技术人员应该知晓的是，采用其他结构，譬如第一枝节、第二枝节之间角度小于90度，即斜向设置也在本方案的保护范围内。

实施例2

基于实施例1谐振器的结构，本实施例公开一结构紧凑、多传输零点、宽阻带、通带带宽和中心频率可独立控制的毫米波双通带滤波器，包括介质基板、设置在介质基板下表面的接地板和设置在介质基板上表面的谐振器与馈线，谐振器为上述实施例1中的四模滤波器。

为了减小滤波器的体积，本实施例中谐振器的枝节均采用弯折结构，馈线结构也要随之改变，具体的，第一枝节包括依次连接的第一水平枝节和第一垂向枝节，即第一枝节经1次弯折成L形。馈线包括依次连接的第一馈线7、50欧姆馈线5和第二馈线6，第一馈线7包括依次连接的第一水平馈线、第一垂向馈线。为了产生源与负载耦合，所述第二馈线6包括依次连接的第二水平馈线61、第二垂向馈线62、第三水平馈线63、第三垂向馈线64，所述第二垂向馈线62、第三水平馈线63、第三垂向馈线64位于第一枝节的一侧且与第一馈线7位于第一枝节的不同侧，如图2所示，第一枝节置于馈线围城的区域内。第二垂向馈线62与第一垂向枝节的距离大于第三垂向馈线64与第一垂向枝节的距离。馈线均采用弯折结构，可更靠近枝节，以获得获得更强的耦合。

第二枝节可采用多种结构实现，本实施例其采用2次弯折，即第二枝节包括依次连接的第二垂向枝节、第二水平枝节、第三垂向枝节。为了减小滤波器的体积，第二垂向枝节、第三垂向枝节均位于第二水平枝节的一侧。

具体的，基板材料选用rogers5880，其厚度h＝0.254mm，介电常数ε_r＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009，该滤波器的总尺寸可缩小至为0.31λ_g*0.24λ_g，其中，λ_g表示第一通带中心频率对应的波导波长，通带附近存在多达4个传输零点，阻带带宽分别达到19.83GHz和30.38GHz，且通带的中心频率和带宽都可独立控制。并且该滤波器可以采用PCB工艺制作，大大降低生产成本。

采用本方案谐振器的滤波器，其具有以下优势：

1、采用四模谐振器设计双通带滤波器，仅需一个谐振器，减少了谐振器数量，并对该四模谐振器进行折叠，大大减小了其总体尺寸，结构紧凑化，总体尺寸仅为0.31λ_g*0.24λ_g。

2、通过延长并折叠馈线，形成源与负载耦合，产生更多传输零点，经电磁仿真软件仿真，如图3所示，通带附近共有4个传输零点，有效的提高了对通带外杂波的抑制效果，获得了较宽的阻带，在第一通带频率下方，抑制小于-25.47dB的阻带为0到19.83GHz，而在第二通带上方，抑制低于-16.02dB的阻带为34.23GHz到64.61GHz，阻带带宽达到30.38GHz。图3中，

其中，VSWR为驻波比，P1为输入功率，P2为输出功率。

3、利用奇偶模理论最终简化得到等效四分之一波长均匀阻抗谐振器，此种谐振器二次谐波是基频的3倍，因而可以获得较宽的阻带。以上四模谐振器结构可以等效化简得到四个四分之一波长均匀阻抗谐振器，如图6，这里取四个谐振频率中最小的等效谐振结构，因为最小的谐振频率的二次谐波离这四个谐振频率最近，所以它是影响阻带带宽的主要因素，四分之一波长均匀阻抗谐振器如图6所示，则导纳由于上述关系，则Y1＝Y₂/2＝Y₃/2；

输入导纳虚部为0，可得谐振条件为：

θ₁＝kπ-π/2，k为正整数

k＝1，θ₁＝π/2，

k＝2，θ₁＝3π/2，

其中，k为正整数，C表示光速，θ₁为谐振器的电长度，c为真空中的光速，ε_eff是等效介电常数，f₁表示谐振频率，f₂表示二次谐波，所以可推导，f₂＝3f₁，即二次谐波是基频的3倍。

4、该4模谐振器产生4个谐振频率，分为2组，每2个谐振频率形成一个通带，每个通带带宽可以通过调节该2个谐振频率的分布进行调节，可实现两个通带的带宽可独立控制。

5、实现可多次运用奇偶模理论，简化分析过程，准确计算谐振频率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四模谐振器，其关于一轴结构对称，其特征在于，包括矩形传输线(2)、设置在传输线(2)两端的枝节(1)、设置在传输线(2)对应两侧的短路枝节(3)和为短路枝节(3)提供接地设置的贴片(4)，所述枝节(1)、传输线(2)、短路枝节(3)均为均匀阻抗，所述枝节(1)包括两成对称分布的第一枝节和两成对称分布的第二枝节，所述第一枝节、第二枝节均与传输线(2)连接，所述短路枝节(3)的长度、传输线(2)的宽度均为枝节(1)宽度的2倍。

2.根据权利要求1所述的一种四模谐振器，其特征在于，所述第一枝节、第二枝节至少经一次弯折且每次弯折的角度为90度。

3.根据权利要求1所述的一种四模谐振器，其特征在于，所述第一枝节、第二枝节在与传输线(2)的连接处相互垂直。

4.一种毫米波双通带滤波器，包括介质基板、设置在介质基板下表面的接地板和设置在介质基板上表面的谐振器与馈线，其特征在于，所述谐振器为权利要求1至3任一所述的四模滤波器。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述第一枝节包括依次连接的第一水平枝节和第一垂向枝节，所述馈线包括依次连接的第一馈线(7)、50欧姆馈线(5)和第二馈线(6)，所述第一馈线(7)包括依次连接的第一水平馈线、第一垂向馈线，所述第二馈线(6)包括依次连接的第二水平馈线(61)、第二垂向馈线(62)、第三水平馈线(63)、第三垂向馈线(64)，所述第二垂向馈线(62)、第三水平馈线(63)、第三垂向馈线(64)位于第一枝节的一侧且与第一馈线(7)位于第一枝节的不同侧，所述第二垂向馈线(62)与第一垂向枝节的距离大于第三垂向馈线(64)与第一垂向枝节的距离。

6.根据权利要求4所述的一种毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述第二枝节包括依次连接的第二垂向枝节、第二水平枝节、第三垂向枝节，所述第二垂向枝节、第三垂向枝节均位于第二水平枝节的一侧。