CN110556614A - 一种由c形谐振对构成的微带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波电路领域，公开了一种C形谐振对构成的微带滤波器，包括：N个C形谐振对，一个C形谐振对由两个C形谐振器构成，谐振对中两个C形谐振器开口相对，C形谐振对按照线性拓扑结构在一条直线上排列，C形谐振对队列中，第一个C形谐振对的左侧C形谐振器为输入谐振器，50欧姆馈线通过高阻抗线与之耦合；最后一个C形谐振对的右侧C形谐振器为输出谐振器，50欧姆馈线通过高阻抗线与之耦合，上述谐振对制作在介质基板表面。本发明中构成的滤波器拓扑简单，设计容易，极大的简化高带外抑制滤波器设计难度和结构实现难度；同时，滤波器的宽度方向相对较窄，十分利于在微波集成电路中应用。

Description

一种由C形谐振对构成的微带滤波器

技术领域

本发明涉及微波电路领域，尤其涉及一种由C形谐振对构成的微带滤波器。

背景技术

微波滤波器在微波集成电路中起到信号滤波的作用，微带滤波器由于体积小，易集成，在微波电路及产品中得到广泛使用。通常意义上，特定的应用场景会对滤波器的带外抑制提出特别的要求，为了达到需求的抑制度，实践中可选用不同的阶数结合不同的耦合类型以及拓扑结构实现较高的带外抑制。高阶数可以实现更高的带外抑制，缺点则是插入损耗会随阶数增加而增加。相同阶数下，不同的耦合类型和拓扑结构组合亦可用于提高滤波器的带外抑制，实践的理论基础为：利用不同的耦合类型和拓扑组合实现广义切比雪夫响应、准椭圆函数响应、椭圆函数响应，在通带附近引入传输零点，提高带外抑制。

工程实践中，上述技术最为基本的两个拓扑类型为CT结构和CQ结构，其基本结构如图1所示。拓扑结构中一个黑原点代表一个谐振器，线段代表耦合，虚线代表交叉耦合。通过在滤波器拓扑中设置该类基础结构，可快速灵活的在有限频点处引入传输零点，提高滤波器带外抑制。由CT结构构成的滤波器拓扑如图2所示，由CQ结构构成的滤波器拓扑如图3所示。虽然该方法对提高滤波器的带外抑制极为灵活，缺点则是常常需要使用复杂的拓扑结构，谐振器通常不在一条直线上排列，非相邻谐振器间需要引入交叉耦合，增加了设计综合难度和结构实现难度，滤波器在水平面内尺寸也相对较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种由C形谐振对构成的微带滤波器，通过将C形谐振对按线形排列，实现广义切比雪夫响应，在通带两端各引入一个传输零点，简单线形拓扑即可实现高带外抑制，极大的简化高带外抑制滤波器设计难度和结构实现难度。

本发明采用的技术方案如下：一种由C形谐振对构成的微带滤波器，包括：N个C形谐振对，所述N为大于等于1的自然数；所述N个C形谐振对按线性拓扑结构在一条直线上排列成C形谐振对队列；所述C形谐振对队列两端设有输入谐振器和输出谐振器；所述输入谐振器通过高阻抗线与输入馈线连接，所述输出谐振器通过高阻抗线与输出馈线连接，实现滤波器外部耦合。

进一步的，所述C形谐振对由两个C形谐振器左右对称构成，所述C形谐振器两者之间形成电耦合。

进一步的，所述C形谐振对的结构包括两种，一种为两个C形谐振器开口相对形成的结构，另一种为两个C形谐振器开口背向形成的结构。

进一步的，所述输入谐振器为C形谐振对队列中的最左侧C形谐振器，所述输出谐振器为C形谐振对队列中的最右侧C形谐振器。

进一步的，所述C形谐振对设置在基板20上。

进一步的，所述基板材料采用有机基板、无机基板、高阻硅、化合物半导体、超导材料中的任意一种。

进一步的，所述输入馈线和输出馈线都采用50欧姆阻抗线，所述50欧姆阻抗线通过Z形走线将信号输入、信号输出位置设置在滤波器宽度方向的正中间。

进一步的，所述N为大于1的奇数时，C形谐振对个数为奇数，形成的电耦合为奇数，磁耦合为偶数，滤波器获得广义切比雪夫响应。

进一步的，所述C形谐振对队列中的C形谐振对与相邻放置的C形谐振对之间形成磁耦合。

进一步的，所述滤波器通过增加C形谐振对的个数，提高带外抑制度。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明技术方案构成的滤波器拓扑简单，设计容易，谐振器使用直线排列(In-line)结构即可实现通带高端和低端各引入一个传输零点，极大提高滤波器带外抑制。同时，由于滤波器的线形排列拓扑将滤波器的主要尺寸转移到信号流向方向，宽度方向可以做的相对较窄，十分利于在微波集成电路中应用。由于宽度方向尺寸较小，该结构在毫米波频段使用不易引起滤波器安装腔体的谐振或波导模式传播，亦有特别的优势。如果采用较薄的基板，还可以更进一步缩小滤波器长度方向的尺寸。

附图说明

图1是CT结构和CQ结构示意图

图2是CT结构构成的滤波器拓扑示意图

图3是CQ结构构成的滤波器拓扑示意图

图4是C形谐振器CR结构示意图

图5是C形谐振对CRP结构示意图

图6是3个C形谐振对构成的6阶滤波器结构示意图

图7是本发明提出的6阶微带滤波器响应曲线示意图

图8是本发明提出的6阶微带滤波器宽带响应曲线示意图

图9是5个C形谐振对构成的10阶微带滤波器结构示意图

图10是6阶和10阶X波段滤波器宽带响应曲线示意图

图11是10阶X波段滤波器窄带响应曲线示意图

图12是6阶Ka频段滤波器结构示意图

图13是10阶Ka频段滤波器结构示意图

图14是本发明提出的6阶滤波器与10阶滤波器响应曲线对比示意图

附图标记：11-50欧姆馈线、12-高阻抗线

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

为方便理解和描述，定义以下术语：

a.谐振对(Resonator pair，RP)：由两个类似的单独谐振器(Resonator)组成的双谐振单元；

b.C形谐振器(C-shaped resonator，CR)：形状类似字母C的开口谐振器，可以理解其电长度一般为二分之波长或四分之波长或其整数倍，如图4所示；

c.C形谐振对(C-shaped resonator pair，CRP)：结合以上二者定义，由两个C形谐振器CR 1和CR 2组成的双谐振单元，其开口可以是相对的“[]”，结构如图5所示，也可是背向的“][”结构，谐振对中的两个C形谐振器基本可视为对称结构，仅在线宽和线长上有微小区别；

d.线形排列结构(In-line)：本领域是指谐振器在一条直线上排列实现滤波的方式，是滤波器拓扑最基本的排列方式。

e.50欧姆馈线：是指输入、输出馈线采用的是50欧姆阻抗线。

实施例1

如图6所示，一种由C形谐振对构成的微带滤波器，包括：N个C形谐振对，其中N取值为3,3个C形谐振器分别为CRP 1、CRP 2、CRP 3，构成的滤波器为6阶滤波器；所述3个C形谐振对按线性拓扑结构在一条直线上排列成C形谐振对队列；所述C形谐振对队列中设有输入谐振器和输出谐振器；所述输入谐振器和输出谐振器上分别连接有高阻抗线，所述输入端的高阻抗线与输入馈线连接，实现滤波器输入耦合，所述输出端的高阻抗线与输出馈线连接，实现滤波器的输出耦合，两者共同实现滤波器外部耦合。

优选地，CRP 1中包含两个相向摆放的C形谐振器CR 1和CR 2，两者间形成电耦合；CRP 2中包含两个相对放置的C形谐振器CR 3和CR 4，两者间形成电耦合；CRP 3中包含两个相对放置的C形谐振器CR 5和CR 6，两者间形成电耦合；CRP2与相邻放置的CRP1、以及CRP3之间两两形成磁耦合，结合CRP内部的电耦合，即可在简单的线形拓扑上实现多种耦合类型，从而为实现广义切比雪夫函数响应奠定了基础。而决定磁耦合强度的关键在于两个谐振对之间的距离和相邻的线宽、线长。

优选地，C形谐振对CRP位于基板20表面。该基板可以是有机基板、无机基板或半导体领域常用的高阻硅，化合物半导体等材料，亦可是超导材料。意味着其实现形式可以是陶瓷(或软基材)微带滤波器形式、滤波器芯片形式、MEMS滤波器形式或超导滤波器形式。基板的相对介电常数和厚度是决定谐振器长度从而决定滤波器体积的关键参数，所以，如果采用较薄的基板，就可以更进一步地缩小滤波器长度方向的尺寸。

优选地，所述输入谐振器为C形谐振对队列的第一个谐振对的左侧谐振器，即CR1；所述输出谐振器为C形谐振对队列的最后一个谐振对的右侧谐振器，即CR6。

优选地，为了实现两端口滤波结构，需在最左边和最右边的谐振器上实现输入、输出耦合，其由介于输入、输出谐振器与输入、输出馈线间的高阻抗线构成，其线宽和馈入位置决定了输入、输出耦合强度。所述输入、输出馈线皆采用50欧姆阻抗线，50欧姆阻抗线通过Z形走线布置在滤波器宽度方向的正中间。结合谐振对内的电耦合与谐振对间的磁耦合，该结构容易实现相对带宽％35以内的广义切比雪夫响应。

从图6中可见组成3对CRP的6个谐振器是排列在一条直线上的，也即在信号流向方向，从而极大的简化了高带外抑制滤波器的设计难度和物理拓扑实现难度，大大降低了设计中所需优化的变量个数，降低了对计算资源和计算时间的消耗。

更进一步，在6阶滤波器的基础上再增加一个CRP，则可构成8阶滤波器，在8阶滤波器的基础上再加一个CRP，则可构成10阶滤波器，依次类推，利用CRP可实现2N阶滤波器，其中N为大于等于1的自然数。由于谐振器排在一条直线上，滤波器主要尺寸转移到了信号流向方向，从图6中可见，该结构十分适合在微波集成电路中使用，亦十分适合毫米波频段使用。需要强调的是当N为大于1的奇数时，C形谐振对个数为奇数，形成的电耦合为奇数，磁耦合为偶数，滤波器获得广义切比雪夫相应，上、下边带附近各形成一个传输零点，即响应两侧有传输零点，可提高带外抑制；N为偶数时，C形谐振对个数为奇数，形成的电耦合为偶数，磁耦合为奇数，获得切比雪夫响应。

图7为本发明提出的6阶滤波器频率响应效果，从图中可见该结构可在滤波器通带高端和低端各产生一个传输零点TZ1和TZ2。TZ1和TZ2的存在使得滤波器近端带外抑制急速下降，与切比雪夫函数响应近端带外抑制单调缓慢下降相比，本发明提出的滤波器在相同频点的带外抑制得到极大极高，同时从曲线可见传输零点之外带外抑制回弹(Fly back)较小，有着比较良好的带外抑制。图8是同一滤波器的宽带响应曲线，从图中可见该滤波器相较传统发夹线滤波器寄生通带得到了大幅改善，寄生通带宽度得到了缩减，幅度得到了一定程度的抑制。

实施例2

图6中的6阶C波段滤波器，调整谐振对的谐振频率和谐振对间的耦合系数可得到X波段的微带滤波器，其频率响应如图10中细线所示。如果想得到近端抑制度更高，矩形系数更好的响应曲线，可在此基础上增加CRP构成更高阶的滤波器，因此，在本滤波器中，可以通过增加C形谐振对的个数，更进一步的提高带外抑制度。

因此，在实施例1的基础上，如图9所示，在6阶滤波器中增加两个CRP，构成10阶同频段滤波器。其响应曲线见图10。对比6阶和10阶滤波器响应曲线可见CRP个数增加到5个后通带左右两边的传输零点更加靠近通带边缘，S21曲线在通带附近变得更加陡峭，抑制度得到极大的提高，可以满足非常严苛的带外抑制要求。图9中X波段滤波器的窄带响应如图11所示，通带两端传输零点清晰可见，同时保持了非常简介的线形拓扑，优势突出。

实施例3

选择CRP个数N为3，也即滤波器阶数为6，在陶瓷基片上实现6阶Ka频段滤波器的结构如图12所示。其电性能曲线如图14中浅色曲线所示，通带两端均有提高带外抑制的传输零点，同时电路保持了简单的拓扑结构。

实施例4

选择CRP个数N为5，也即滤波器阶数为10阶，在陶瓷基板上实现10阶Ka频段滤波器的结构如图13所示。其电性能曲线如图14中深色曲线所示，通带两端均有提高带外抑制的传输零点，同时电路保持了简单的拓扑结构。

对比图14中6阶滤波器和10阶滤波器的响应曲线可见，两个滤波器的通带重叠，也即中心频率与带宽一样，随着CRP个数由3增加到5，滤波器通带两端的传输零点进一步向通带逼近，使得滤波器矩形系数更高，过渡带更陡峭。获得上述喜人优点的同时，滤波器设计难度并未随谐振器阶数增加而进一步增加，有效说明了本发明提出的滤波器结构具备设计与实现简单、性能优良的优势，十分合适在毫米波频段使用。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，包括：N个C形谐振对，所述N为大于等于1的自然数；所述N个C形谐振对按线性拓扑结构在一条直线上排列成C形谐振对队列；所述C形谐振对队列两端设有输入谐振器和输出谐振器；所述输入谐振器通过高阻抗线与输入馈线连接，所述输出谐振器通过高阻抗线与输出馈线连接，实现滤波器外部耦合。

2.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述C形谐振对由两个C形谐振器左右对称构成，所述C形谐振器两两相对，实现C形谐振对内部电耦合。

3.根据权利要求2所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述C形谐振对的结构包括两种，一种为两个C形谐振器开口相对形成的结构，另一种为两个C形谐振器开口背向形成的结构。

4.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述输入谐振器为C形谐振对队列中的最左侧C形谐振器，所述输出谐振器为C形谐振对队列中的最右侧C形谐振器。

5.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述C形谐振对设置在基板20上。

6.根据权利要求5所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述基板材料采用有机基板、无机基板、高阻硅、化合物半导体、超导材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述输入馈线和输出馈线都采用50欧姆阻抗线，所述50欧姆阻抗线通过Z形走线将信号输入、信号输出位置设置在滤波器宽度方向的正中间。

8.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述N为大于1的奇数时，C形谐振对个数为奇数，形成的电耦合为奇数，磁耦合为偶数，滤波器获得广义切比雪夫响应。

9.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述C形谐振对队列中的C形谐振对与相邻放置的C形谐振对之间形成磁耦合。

10.根据权利要求1所述的一种由C形谐振对构成的微带滤波器，其特征在于，所述滤波器通过增加C形谐振对的个数，提高带外抑制度。