CN110994094A

CN110994094A - 基于t支节加载uir的差分三通带滤波器

Info

Publication number: CN110994094A
Application number: CN201911255017.0A
Authority: CN
Inventors: 谢靖; 张友俊
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明公开了一种新型的基于T支节加载均匀阻抗谐振器(UIR)的新型差分三通带滤波器。该滤波器的特征在于：所述滤波器外形主要由四个T支节加载UIR的谐振器，2个开路支节和耦合线组成。由于谐振器微带线复用，保证了滤波器结构的紧凑性；在滤波器的中心对称处增加了2段开路枝节，可以实现很好的共模抑制。另外，信号输入端口和信号输出端口分别设置在主滤波器的左侧和右侧。本发明提供了一种新型的基于T枝节加载UIR的差分三通带滤波器拓扑结构，该结构较为紧凑，满足小型化的要求，损耗低，且性能优于其他结构的差分三通带滤波器。

Description

基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种抗干扰性好、结构紧凑，并可用于微波电路进行滤波的基于T型加载UIR的差分三通带滤波器。

背景技术：

随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，作为区分有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中不可或缺的重要器件，其性能的好坏直接影响着通信系统的质量。现在，微波滤波器已经广泛应运于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域。然而随着无线通信系统的更新换代越来越快，使得系统中存在较为严重的噪声和电磁干扰。对于普通的单端非平衡滤波器来讲，其性能容易受到这些有害信号的影响，造成其滤波性能和频率选择性能的降低。近年来，由于差分电路的提出和研究，实现了对系统中有害信号的有效抑制。与单端非平衡滤波器相比，差分电路对系统中的环境噪声和电磁干扰具有本征的抑制作用。越来越多的微波器件都采用差分结构的方式来设计，例如有源器件：功率放大器、混频器和低噪声放大器等，无源器件：滤波器、天线等，其中差分滤波器扮演者举足轻重的角色。它不仅需要在所需要的频段具有良好的差模响应，而且还需要在该频段内实现良好的共模抑制。同时，差分滤波器还应该具有良好的频率选择性，尽可能在差模通带的两侧都出现传输零点，另外较宽和较好的带外抑制也是必须具备的特性。因此，差分滤波器受到了广泛的关注，吸引了大批的研究者研究。

滤波器一般分为低通、高通、带通和带阻滤波器。而带通滤波器是最常用的选频元件。在无线通信系统中，带通滤波器的作用是实现让有用的信号通过，对通信系统中的干扰信号进行抑制，从而提高通信系统的性能。在无线通信系统中，带通滤波器主要使用方式是置于系统接收机的前端，来进行信号的“选择”。一个好的差分带通滤波器要达到小型化和高性能的要求，其中高性能又分为好的频率选择性和高共模抑制性。目前，常常采用增加支节或者地板缝隙线来达到提升共模抑制这一目的。并且小型化、高性能的带通滤波器对抑制谐波和杂散信号的通信系统提出了更高的要求。所以，这两个特性就成为近些年带通滤波器的研究方向和重点。

随着科技的进步、社会的发展和对滤波器的研究，高性能、低损耗和小型化成为了滤波器研究的重点和滤波器发展的必然趋势。从实用的角度出发，对所有手持式电子设备，如便携移动电话等，微型化是一个重要的研究课题。在射频部分，虽然单片微波集成电路(MMIC)的出现预示着射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。但对射频滤波器和振荡器等含有谐振器的电路的尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解决的问题。因此，滤波器的小型化和性能的提高将继续是两大重要课题。微波滤波器小型化通常采用的几种方法：1、采用高介电常数材料减小滤波器的尺寸。2、采用多层技术减小滤波器的体积。3、采用对称结构设计滤波器等。

随着微带线的流行，各种基于微带线的单通带、多通带、高共模抑制、高频率选择性的差分滤波器被众多团队及学者研究出来，极大地丰富了差分带通滤波器的设计理论及应用范围。本设计中用到的基于T支节加载UIR谐振器是实现手段之一，其原理在于：对常见的T支节差分带通滤波器进行结构改进。将单独的T支节用T支节加载UIR来替代，实现了三个谐振频点，以此构成差分三通带滤波器。在滤波器的中心对称处加载2段开路支节，在保证尽量不影响差模响应的前提下来尽可能的提升共模抑制。该差分三通带滤波器性能优越，体积比常见的三通带滤波器要小。同时在中高频的共模抑制比一般滤波器要好。

从现有文献来看，设计差分滤波器的主要方法有：基于信号干扰技术的差分滤波器、基于缺陷地(DGS)结构的差分滤波器、基于多模谐振器的差分带通滤波器、基于基片波导(SIW)的差分滤波器、基于支节加载技术的差分滤波器。我的发明就是利用支节加载的方法来设计差分滤波器。

发明内容

为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器。

本发明提供一种基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的拓扑结构。由于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，故采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

常见的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是HFSS 13.0对提出的差分三通带滤波器结构进行优化。

本发明是一种基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器。采用介电常数ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行仿真优化。本发明新型结构的实际尺寸为20.35mm*25.52mm，其中馈线宽度为2.8mm。

所述基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器，有两对信号输入/输出端口，分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，馈线宽度为2.8mm。所述基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器有三个通带，可以通过改变谐振器的阻抗比来改变中心频点。

所述基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器。其主要包括四个T支节加载UIR的谐振器放置在口字型微带线内部，这是滤波器的主体。在T支节下部加载了UIR，其中T支节上部L4＝7.6mm，宽度W2＝0.9mm，在距离T支节最低端L5＝5mm处增加了开路支节，此时新增加的开路支节与L5形成UIR，故L5成为UIR与T支节复用段，保证了结构的紧凑性。T支节谐振产生的基波和三次谐波构成了滤波器的第一和第二通带，UIR谐振产生的谐振成为滤波器第三个通带。这就是滤波器的谐振器，相应尺寸是经过优化得来的。

所述基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器，在两个口字型微带线的最外面的水平中轴线处增加两个开路枝节，其中开路枝节的水平长度L8＝1mm，宽W4＝2mm，从而提升了滤波器的共模抑制，实现了差分滤波器良好的特性，其性能更优。

在本发明的具体实施例子中，所述谐振器，开路枝节、耦合线和馈线材质均为铜箔，无接地点。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括四个T支节加载UIR谐振器1、两个开路支节3、两个口字型微带线2和输入/输出馈线4，没有接地点。所述基于T支节加载UIR谐振器的差分三通带滤波器在距离垂直中轴线S/2处的两侧分别设置两个口字型微带线；在两个口字型微带线内部的上半部分别倒置放置两个T支节加载UIR谐振器，在两个口子型微带线内部的下半部分别正向放置两个T支节加载UIR谐振器，组成谐振结构；分别在两个口子型微带线最外部水平中轴线上设置两个小长方型开路支节，组成提高共模抑制结构；在两个口字型微带线最外部距离上下顶点L3处分别在设置馈线，作为信号输入输出端口。

本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器，具体尺寸如下：

四个所述两对对称的输入/输出端口馈线宽度为W3＝2.8mm，馈线长L7＝2.1mm，距离口字型微带线上下顶点L3＝1.95mm；所述口字型微带线最外部水平中轴线处设置的开路枝节的长L8＝1mm，垂直高度W4＝2mm；所述谐振器T支节上水平面长度L4＝7.6mm，上水平面宽度W2＝0.9mm；T型枝节的垂直长度L4＝7.6mm，微带线宽W4＝0.9mm；UIR距离口字型底边微带线的长度L5＝5mm为T支节与UIR复用段，UIR自身长度L6＝3.1mm，宽度W2＝0.9mm；口字型微带线整体上下高度L2＝18.35mm，宽度W1＝0.1mm。两个口字型微带线的耦合距离S＝0.2mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型差分三通带滤波器，即基于T型支节加载UIR的差分滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，结果表明，本发明滤波器整体性能较好：其中滤波器的三个通带中心频率分别为2GHz、6.4GHz、9.2GHz，-3dB相对带宽分别为20％(1.85～2.25GHz)，7％(6.21～6.71GHz)和5％(8.98～9.44GHz)。通带内最小插入损耗S₂₁优于-1.5dB。共模激励时，三个通带内的共模抑制分别为-7dB,-35dB和-27dB。该差分滤波器的插入损耗低，回波损耗高，具有良好的性能。而且滤波器的结构简单，尺寸较小，符合差分滤波器的设计要求。

附图说明

图1为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的微带线结构示意图。

图3为本发明谐振器微带线结构示意图。

图4为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的差模激励示意图。

图5为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的共模激励示意图。

图6为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器未增加开路支节的激励结果示意图。6a为差模激励结果图，6b为共模激励结果图。

图7为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器增加开路支节后的激励结果示意图。7a为差模激励结果图，7b为共模激励结果图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明提供的基于T支节加载UIR的滤波器几何结构示意图。该滤波器包括：四个T支节加载UIR谐振器1与两个口字型微带线2构成了滤波器主体。利用了T支节的基波和三次谐波并加上UIR的谐振频点，保证了滤波器产生三通带；在口字型微带线最外部水平中轴线处增加了两条开路支节3，可以很好的提高共模抑制；由于滤波器整体结构对称，所以采用四条50Ω微带线来作为信号输入/输出馈线4。

图2为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的微带线结构示意图(尺寸图)。

滤波器各具体参数如下：

四个所述两对对称的输入/输出端口馈线宽度为W3＝2.8mm，馈线长L7＝2.1mm，距离口字型微带线上下顶点L3＝1.95mm；所述口字型微带线最外部水平中轴线处设置的开路枝节的长L8＝1mm，垂直高度W4＝2mm；所述谐振器T支节上水平面长度L4＝7.6mm，上水平面宽度W2＝0.9mm；T型枝节的垂直长度L4＝7.6mm，微带线宽W4＝0.9mm；UIR距离口字型底边微带线的长度L5＝5mm为T支节与UIR复用段，UIR自身长度L6＝3.1mm，宽度W2＝0.9mm；口字型微带线整体上下高度L2＝18.35mm，宽度W1＝0.1mm。2个口字型微带线的耦合距离S＝0.2mm。选取介电常数ε_r＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行实物加工制作。滤波器中T支节加载UIR谐振器1(距水平中轴线0.68mm)、2个口字型微带线2(由四条微带线首尾连接而成，宽度为0.1mm，耦合间距为0.2mm)、2个用来提高共模抑制的长方形开路支节3(位于水平中轴线上)、4条长方形宽2.8mm微带线是馈线4，对应50欧的特征阻抗。

图3为本发明谐振器微带线结构示意图。本发明采用T支节加载UIR谐振器结构，由于UIR与T支节复用一段微带线L5，保证了结构的紧凑。

图4为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的差模激励示意图。当差模信号施加于端口X和端口X’，此时面A-A’为理想的电壁面，对应于金属柱接地短路。

图5为发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器的共模激励示意图。当共模信号施加于端口Y和端口Y’时，面A-A’为理想的磁壁面，对应于对称面开路。

图6为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器未增加开路支节的激励结果示意图。图6a为差模激励时的结果图，图6b为共模激励时的结果图。从图6a可以看出，差模激励时，滤波器有三个通带，频点分别为2GHz、6.2GHz、9.2GHz，三个通带内的回波损耗均大于10dB，插入损耗优于1.5dB。从图6b可以看出，共模激励时，在三个频点的抑制分别为-7dB，-35dB，-19dB。可见在中频抑制要好于低频和高频。

图7为本发明基于T型支节加载UIR的差分三通带滤波器增加开路支节后的激励结果示意图。图7a为差模激励结果图，图7b为共模激励结果图。从图7a可以看出所增加的2个开路支节几乎不影响差模激励。从图7b可以明显看出，滤波器增加2个开路支节后，高频出的共模抑制得到很大改善。

本发明是一种新型的基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器，具有结构紧凑，尺寸小，性能良好等优点。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括四个T支节加载UIR谐振器、两个开路支节、两个口字型微带线和馈线，没有接地点，其特征在于：所述基于T支节加载UIR谐振器的差分三通带滤波器在距离垂直中轴线S/2处的两侧分别设置两个口字型微带线，其中S是两个口字型微带线耦合间距；在两个口字型微带线内部的上半部分别倒置放置两个T支节加载UIR谐振器，在两个口子型微带线内部的下半部分别正向放置两个T支节加载UIR谐振器，组成谐振结构；分别在两个口子型微带线最外部水平中轴线上设置两个小长方型开路支节，组成提高共模抑制结构；

在两个口字型微带线最外部L3处分别设置馈线，作为信号输入输出端口，其中L3是馈线距口字型微带线上下顶点处的距离。

2.如权利要求1所述的基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器，其特征在于：上下左右结构沿中心线均对称；四个所述两对对称的输入/输出端口馈线宽度为2.8mm，馈线长2.1mm，距离2个口字型微带线上下顶点距离均为1.95mm；所述加载在2个口子型微带线最外部水平中轴线上的2个小长方形开路支节的长度为1mm，垂直高度为2mm；所述谐振器T支节上水平面长7.6mm，上水平面宽度0.9mm，T型枝节的垂直长度7.6mm，微带线宽0.9mm，UIR加载在T支节上，距离T支节上水平面2.6mm，距离T支节下水平面5mm，该段为T支节与UIR共用部分即谐振器复用段，除去复用段之外UIR剩余长3.1mm，宽度0.9mm；两个口字型微带线上下高度均为18.55mm，宽度为0.1mm，耦合间距为S＝0.2mm。

3.如权利要求1所述的基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器：在差模激励时拥有良好的频率选择性，频率间隔较大；共模激励时，在中高频有着良好的共模抑制性。

4.如权利要求1所述的基于T支节加载UIR的差分三通带滤波器，其特征在于：所述谐振器、开路枝节、耦合线和馈线材质均为铜箔。