CN110416670B - 具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，该滤波器是一种小型化的并且可大大提高选频性能的微带双模带通滤波器，该滤波器包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括微波传输支路，用于构建双模谐振单元(1)、50欧姆输入输出馈线、耦合臂；其中，50欧姆输入输出馈线包括输入馈线(2)和输出馈线(3)，耦合臂包括输入耦合臂(4)和输出耦合臂(5)；其中谐振单元依据实际带宽以及插损需求进行确定数量，每个谐振单元由开环矩形微带单元(11)。

Description

具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，特别是涉及一种具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器。可用于无线通信系统等领域。

背景技术

最近几十年里，尤其是近几年，随着无线通信技术的愈加广泛的应用，使得射频微波电路得到了长足的发展与广泛的应用。

而在无线通信系统与雷达系统中，尤其是卫星通信系统中，对通道的选择性具有很高的要求，而这就需要射频微波滤波器来实现。滤波器的作用就是滤波选频，滤除无用的频率信号，选择有用的频率信号以及分离各种不同的频率信号。

微带结构的滤波器因为容易进行设计，容易集成等优点，使得其在通信电子系统中得到了及其广泛的应用，伴随着集成电路技术的更新换代，收发信机单元的体积正日益减小，在这种发展趋势的整体要求下，滤波器的小型化研究越来越成为科研单位和产业厂商的研究热点。但是普通的微带结构滤波器体积较大，不能满足目前各种小型化的通信系统对于射频滤波器的要求。

在射频与微波应用领域，分布式传输线结构通常具有多个谐振模式，表现出多模谐振特性，这种特性能够应用于射频微波滤波器等电路的设计与实现。其中双模滤波器是由于其谐振器的双模谐振效应，一个谐振器可以等效为两个调谐电路，利用这两个模式构建二阶滤波器。通过应用双模谐振器，实现相同阶数滤波器所需的谐振器数目较普通单模谐振器减半，从而实现小型化的目的。双模结构的微带滤波器具有体积小、重量轻和成本低的有点，受到了普遍的关注和重视，广泛应用在收发机系统中。但一般的双模微带滤波器具有相对较大的带内插损和微带结构滤波器所固有的谐振频率的特点，这在一定程度上限制了双模微带滤波器在无线通信中的应用。

本发明采用了一种新的微带带通滤波器结构。该结构很好的解决了传统双模滤波器损耗较大的问题，同时在一般双模微带滤波器体积小的优点上，进一步减小了滤波器的面积，而且具有灵活的设计手段，在给定带宽要求的前提下，可以使用级联的方式实现较大的带宽。这种滤波器有希望在多种微波系统中得到应有的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，以解决目前技术中对小型化，插损大等问题。

基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单的具有紧凑的带通滤波器。

一种具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属地层，其特征在于，所述信号金属层包括：

50欧姆输入输出馈线，用于进行将射频微波信号的输入以及输出；

耦合臂，通过磁耦合使得输入和输出信号能够正常的通过谐振单元；

一个或多个双模谐振单元，用于构建双模谐振；其中双模谐振单元由以下几个部分构成：

所述双模谐振单元包含一个以开环矩形微带线构成的主体单元，开环的大小和阻抗决定了双模谐振点频率之间的间隔；

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于开环侧对边，并位于对边中线的一段矩形微带线，该微带线相当于引入一个等效电感，其特征阻抗满足

欧姆，且电长度需要根据实际设计需求微调。其中FBW为相对带宽。

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于矩形微带的并与矩形微带中线重合的一个电长度为67.6deg的微带线，其特征阻抗需要根据所述的开环矩形微带线的开环窗口大小决定，并在不大于开环窗口尺寸的条件下进行优化确认。

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于微带线，并且位于开环矩形微带外侧，其长度等同于开环矩形微带线的平行一边，特征阻抗需要初始值一般为70.7Ω，并在实际设计过程中需要优化微调。

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于所述微带线，并且满足该微带线位于开环矩形微带线内部，并以微带线为对称轴对称，其电长度不大于开环矩形微带线开环一侧的长度，特征阻抗初始值为82.5Ω，并在实际设计过程中需要优化微调。

所述的多阶带通滤波器如果使用双模谐振单元超过两个，则两个谐振单元直接的耦合方式为点耦合。

所述的多阶带通滤波器如果使用双模谐振单元超过两个，则谐振单元的走向方式为关于耦合臂中心对称，即如果第一耦合单元开环处位于矩形上侧，则相邻谐振单元的开环必位于矩形下侧，诸如此类。

上述具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属地层。所述信号金属层包括：输入输出馈电线，输入输出耦合臂以及1个以上的谐振单元，给与谐振单元适当的结构参数，使得双模谐振单元具有两个合理的谐振点，通过加之于谐振单元两侧的耦合臂将信号可以传输到谐振单元并传输出去，从而构成一个完整的具有带通选频功能的滤波器，该谐振单元具有双模特点，比之传统的滤波器要少一半阶数，从而实现小型化的作用。

在其中一个实施例中，所述带通滤波器包含输入输出端口2和3；

在其中一个实施例中，包含输入耦合臂4和输出耦合臂5。

在其中一个实施例中，包含了两个双模谐振单元统一编号为1，其中两个双模谐振单元通过磁耦合进行信号传输，并且该两个谐振单元关于磁耦合中点对称，即开环方向一个在上侧，一个在下侧。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个开环微带矩形单元11，起到双模谐振主体作用。其特征阻抗初始值为40欧姆。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 13，等效为一个电感。其特征阻抗初始值为

欧姆。其中FBW 为相对带宽。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 12。其特征阻抗初始值为特征阻抗初始值为82.5Ω。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 15。其特征阻抗初始值为个电长度为67.6deg的微带线，其特征阻抗需要根据所述的开环矩形微带线的开环窗口大小决定。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 14，其长度等同于开环矩形微带线的平行一边，特征阻抗需要初始值一般为70.7Ω。

在其中一个实施例中，所述信号金属层和金属底层的材质均为铜，铜厚1oz。

在其中一个实施例中，所属的介质材料为Rogers RO5880，介质厚度为1.575mm。

附图说明

图1为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的一般示意图；

图2为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的采用二阶双模谐振器构成的带通滤波器示意图；

图3为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的采用二阶双模谐振器构成的带通滤波器的端口反射系数的波形图；

图4为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的采用二阶双模谐振器构成的带通滤波器的输出端口插损的波形图；

图5为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的采用二阶双模谐振器构成的带通滤波器的输出端口插损的相位图；

图6为一实施例中具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器的采用二阶双模谐振器构成的带通滤波器的输出端口群时延的波形图。

具体实施方式

参见图2，图2为一实施例中具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的结构示意图。

在一实施例中，设计的中心频率为1.55GHz。

在本实施例中，该具有小型化带通滤波器的包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属地层，所述信号金属层包括其中，50欧姆输入输出馈线包括输入馈线2和输出馈线3，耦合臂包括输入耦合臂4和输出耦合臂5；其中谐振单元依据实际带宽确定使用两个谐振单元，且谐振单元通过磁耦合进行信号传输；

每个谐振单元由开环矩形微带单元11，作为一个等效电感形式；

介于开环矩形微带单元开环对侧微带中心处的矩形微带13以及有微带单元15将开路微带单元14和开路微带单元12连接与微带单元13构成，其中微带单元14位于开环矩形微带单元开环处的外侧，开路微带单元12位于开环微带单元的内部，并且微带单元12、14与开环处平行。

两个谐振单元关于其磁耦合的中心对称，一个开环位于矩形上侧，一个开环位于矩形下侧，以上构成一个谐振单元链路。

信号通过输入端口流经输入耦合臂，之后途径第一双模耦合单元后耦合到第二双模耦合单元，然后经过输出耦合臂到达输出端口，从而构成一个小型化的双模带通滤波器。

具体的，该介质层采用介电常数为2.2的RO5880板材，介质厚度为1.575mm，信号金属层和金属地层均采用1oz铜厚。

在其中的一个实施例中，输入端口微带线2和输出端口微带线3 在本实施案例中参数一致，其特征阻抗为50Ω，电长度为10deg。

在其中的一个实施例中，由于本实施案例中所设计的小型化双模带通滤波器具有二阶双模谐振单元，因而采用关于谐振单元磁耦合耦合中心对称的方式进行设计电路，故而左右两边电路关于磁耦合中心对称，其电路参数两边完全一样。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个开环微带矩形单元11，起到双模谐振主体作用。其特征阻抗初始值为40欧姆。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 13，等效为一个电感。其特征阻抗初始值为

欧姆。其中FBW 为相对带宽。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 12，其特征阻抗初始值为特征阻抗初始值为82.5Ω。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 15。其特征阻抗初始值为个电长度为67.6deg的微带线，其特征阻抗需要根据所述的开环矩形微带线的开环窗口大小决定。

在其中一个实施例中，所述的谐振单元包含一个微带矩形单元 14，其长度等同于开环矩形微带线的平行一边，特征阻抗需要初始值一般为70.7Ω。

参见图3，图3为一实施例中具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器端口反射系数在HFSS仿真环境下的波形图。横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，单位为分贝，其为二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输入端口和输出端口的反射系数随频率的变化情况。其中，曲线31表示输入端口反射系数S(1，1)的波形图，曲线32表示一输出端口反射系数S(2，2)的波形图，可以看到，该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器在频率为1.5-1.6GHz频带内，其输入端口反射系数S(1，1)小于-25dB，两个输出端口反射系数S(2，2)，小于-25dB。该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的反射系数小，反射功耗低，传输功率高。

参见图4，图4为一实施例中具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输出端口插损的波形图。横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，单位为分贝，其为具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输出端口的插损S(2，1)随频率的变化情况。可以看到，该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器在频率为1.5-1.6GHz 频带内，两个输出端口的插损S(2，1)小于0.6dB，可见该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器对输出端口的插损也比较小。同时可以看到该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的左侧抑制效果较好，其矩形系数很高，对低频具有很好的抑制功能。

参见图5，图5为一实施例中具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输出端口插损的相位图。横坐标表示频率，纵坐标表示相位，单位为度，其为具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输出端口的插损S(2，1)的相位随频率的变化情况。可以看到，该二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器在频率为1.5-1.6GHz 频带内，输出端口的插损相位变换平缓，具有很好的过度性能。功分效果好。

参见图6，图6为一实施例中具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的输出端的群时延。横坐标表示频率，纵坐标表示群时延，单位为毫秒。可以看到，该具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器在整个频段内的群时延都很好，传输延迟小。

上述具有二阶双模谐振单元构成的小型化带通滤波器的整体尺寸为50mm*40mm，在1.5-1.6GHz频段中，该滤波器尺寸较小，相比发夹型滤波器尺寸要小20％左右，具有明显的小型化特征。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，包括介质层，附着在所述介质层一侧的信号金属层，和附着在所述介质层另一侧的金属地层，其特征在于，所述信号金属层包括：

一个或多个双模谐振单元，用于构建双模谐振；

50欧姆输入输出馈线，用于进行将射频微波信号的输入以及输出；

耦合臂，通过磁耦合使得输入和输出信号能够正常的通过谐振单元；

以及若所构造滤波器所用的谐振单元超过2个时，谐振单元之间通过磁耦合进行信号传输；

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于开环侧对边，并位于对边中线的一段矩形微带线，该微带线相当于引入一个等效电感，其特征阻抗满足

且电长度需要根据实际设计需求微调；其中FBW为相对带宽；

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于矩形微带的并与矩形微带中线重合的一个电长度为67.6deg的微带线，其特征阻抗需要根据所述的开环矩形微带线的开环窗口大小决定，并在不大于开环窗口尺寸的条件下进行优化确认；

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于微带线，并且位于开环矩形微带外侧，其长度等同于开环矩形微带线的平行一边，特征阻抗需要初始值一般为70.7Ω，并在实际设计过程中需要优化微调；

所述双模谐振单元在矩形开环微带电路中存在垂直于所述微带线，并且满足该微带线位于开环矩形微带线内部，并以微带线为对称轴对称，其电长度不大于开环矩形微带线开环一侧的长度，特征阻抗初始值为82.5Ω，并在实际设计过程中需要优化微调。

2.根据权利要求1所述的具有小型化双模带通滤波器及其组成的多阶带通滤波器，其特征在于所述的多阶带通滤波器如果使用双模谐振单元超过两个，则谐振单元的走向方式为关于耦合臂中心对称，即如果第一耦合单元开环处位于矩形上侧，则相邻谐振单元的开环必位于矩形下侧。

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