CN111342186B - 一种十字形耦合谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种十字形耦合谐振器，涉及无源器件‑微带滤波器技术领域。本发明的十字形耦合谐振器，由八条金属微带线组成，金属微带线每条长度相等，每条宽度相同，所述每两条金属微带线彼此平行构成耦合线，四条耦合线固定连接在中心节点上，呈现角对称的结构，总体呈现“十字形”。谐振器本身具有滤波功能，通过奇偶模的电路分析方法，对该谐振器进行初步的分析和设计，以构建一个宽带滤波器。此外，在该设计中，通过级联的方式，将两个甚至更多的十字形耦合谐振器连接起来，可以形成一个滚降效果更好的带通滤波器，以实现目前通信系统对于宽带滤波器的要求。

Description

一种十字形耦合谐振器

技术领域

本发明涉及无源器件-微带滤波器技术领域，尤其涉及一种十字形耦合谐振器。

背景技术

多模谐振器宽带与多频带通滤波器设计法因具有简单的滤波器拓扑结构、紧凑的物理尺寸、简单的设计过程等优点成为目前的研究热点。Wang H,Yang G,Kang W,etal.Application of Cross-Shaped Resonator to the Ultra Wideband BandpassFilter Design[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2011,21(12):667-669.提出了用十字形谐振器，简单的结构来实现的UWB BPF；Duong,T.H.,&Kim,I.S.(2010).Steeply Sloped UWB Bandpass Filter Based on Stub-Loaded Resonator.IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,20(8),441–443.介绍了一种超宽带(UWB)带通滤波器(BPF)，该带通滤波器具有非常好的滚降特性；Zhang R,Lei Z,Sha L.Compactdual-band microstrip bandpass filters using composite cross and open/short-circuited E-shaped resonators[C]//2012.提出了一类使用复合交叉和开/短路E形谐振器的新型双频带微带带通滤波器(BPF)；Chen D,Bu H,Zhu L,et al.A Differential-ModeWideband Bandpass Filter on Slotline Multi-Mode Resonator With ControllableBandwidth[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2015,25(1):28-30.提出了一种新型的差模(DM)宽带带通滤波器(BPF)，它位于带宽可控制的槽线多模谐振器(MMR)上；Cheng,T.,&Tam,K.W.(2017).A Wideband Bandpass Filter WithReconfigurable Bandwidth Based on Cross-Shaped Resonator.IEEE Microwave AndWireless Components Letters,27(10),909-911.提出了一种具有可重构带宽(BW)的宽带带通滤波器(BPF)，该滤波器基于平行耦合线结构和带有开口短截线的十字形谐振器；Zakharov A,Ilchenko M.Trisection Microstrip Delay Line Filter With MixedCross-Coupling[J].IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTSLETTERS,2017.提出了具有平坦群延迟的混合交叉耦合的微带三分带通滤波器；Teng,C.,Bi,X.,Cheong,P.,Ho,S.K.,&Tam,K.W.(2019).Wideband Bandpass Filters with Reconfigurable Bandwidthand Fixed Notch Bands Based on Terminated Cross-Shaped Resonator.IETMicrowaves,Antennas&Propagation.在这项工作中，设计了具有可重新配置带宽和两个固定陷波频带的新型宽带BPF。所提出的滤波器基于具有三个极点和四个零点的端接十字形谐振器(TCSR)，实现尖锐的选择性和陷波带；Guo,Z.C.,Zhu,L.&Wong,S.W.(2019).AQuantitative Approach for Direct Synthesis of Bandpass Filters Composed ofTransversal Resonators.IEEE Transactions On Circuits And Systems—II:ExpressBriefs,66(4),577-581.为直接合成由几个横向谐振器组成的带通滤波器(BPF)提出一种定量方法。除了谐振器的谐振频率之外，通过求解反相器的值和电纳斜率，可以直接合成整个BPF的物理尺寸；Bi,X.K.,Cheng,T.Cheong,P.,Ho,S.K.,&Kam-Weng Tam,(2019).Designof Dual-Band Bandpass Filters With Fixed and

gurable Bandwidths Basedon Terminated Cross-Shaped Resonators.IEEE Transactions On Circuits AndSystems—II:Express Briefs,66(3),317-321.提出了一种新颖的微带终端十字形谐振器(TCSR)，具有固定和可重构带宽的双频带带通滤波器。不过，单只的十字形谐振器的通带边缘不够陡峭，通带回波损耗较大，性能较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种十字形耦合谐振器。

本发明所采取的技术方案是：

一种十字形耦合谐振器，由八条金属微带线组成，金属微带线每条长度相等，每条宽度相同，所述每两条宽度相等的金属微带线彼此平行构成耦合线，四条耦合线固定连接在中心节点上，呈现角对称的结构，总体呈现“十字形”。

前述十字形耦合谐振器馈电端两条耦合线的偶模阻抗为

奇模阻抗

长度θ，耦合系数为k₁，剩余两条耦合线的偶模阻抗为

奇模阻抗为

长度为θ,耦合系数为k₂，其中Z₁、Z₂是平行耦合线奇偶模阻抗参数，

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的十字形耦合谐振器，由八条金属微带线组成，金属微带线的结构是由四条耦合线组成，四条耦合线组成一个谐振器，谐振器本身具有滤波功能，通过奇偶模的电路分析方法，对该谐振器进行初步的分析和设计，以构建一个宽带滤波器。此外，在该设计中，通过级联的方式，将两个甚至更多的“十字形”耦合谐振器连接起来，可以形成一个滚降效果更好的带通滤波器，以实现目前通信系统对于宽带滤波器的要求。

附图说明

图1为本发明实施例单个耦合十字形谐振器电路示意图；

其中图(a)-十字形谐振器电路；图(b)-滤波器的偶模电路；图(c)-滤波器的奇模电路；

图2为本发明实施例滤波器电路零极点分布示意图；

图3为本发明实施例滤波器滤波器极点随参数z₁,z₂,k₁和k₂的变化示意图；

图(a)-极点随参数k₁变化；图(b)-极点随参数k₂变化；图(c)-极点随参数z₁变化；图(d)-极点随参数z₂变化。

图4为本发明实施例滤波器尺寸示意图及实物图；

其中图(a)-滤波器尺寸示意图；图(b)-滤波器实物图；

图5为本发明实施例CLCSR带通滤波器测试仿真结果；

图6为本发明实施例级联滤波器尺寸示意图及实物图；

其中图(a)-谐振器级联成滤波器原理图；(b)-滤波器尺寸示意图；图(c)-滤波器实物图；

图7为本发明实施例级联CLCSR带通滤波器测试仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种十字形耦合谐振器，由八条金属微带线组成，如图1所示，由八条金属微带线组成，金属微带线每条长度相等，每条宽度相同，所述每两条金属微带线彼此平行构成耦合线，四条耦合线固定连接在中心节点上，呈现角对称的结构，总体呈现“十字形”。

前述十字形耦合谐振器馈电端两条耦合线的奇偶模阻抗为

长度θ，耦合系数为k₁，剩余两条耦合线的奇偶模阻抗为

长度为θ,耦合系数为k₂，本实施例中输入/输出端口的微带线的特性阻抗均为50Ω。

对于该谐振器的分析设计，首先计算图1(a)的耦合线结构的输入阻抗，得到其输入阻抗为公式(1)所示，电路奇偶模结构如图1(b)所示和(c)所示，根据奇偶模电路可以得到其负载阻抗Z_Le、Z_Lo为公式(2)、(3)，将公式(2)、(3)带入到(1)中，得到奇偶模输入阻抗Z_ine、Z_ino，其中j是虚数；

Z_Lo＝0 (3)

计算谐振器的传输极点，对于对称互易二端口网络，其归一化频率响应为

其中S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂是滤波器散射矩阵[S]中的参数；

当|S₁₁|＝0，即为该结构的谐振极点；由公式(4)可以得到公式(6)，用u_p表示得到的结果，

其中f₀是滤波器的中心频率即f_p2，f_p1、f_p3是滤波器的传输极点；

|S₁₂|＝0时可以得到滤波器的传输零点。当Z_ine＝Z_ino时，Z_Le＝Z_Lo，即可得零点的位置，零极点分布曲线如图2所示。

其中f_Z1、f_Z2是带通滤波器的的传输零点；

谐振器的结构特性完全由Z₁,Z₂,k₁和k₂这四个参数决定。如图3所示为谐振器极点随参数的变化图，其中z₁,z₂是Z₁和Z₂的归一化阻抗，z₁＝Z₁/Z,z₂＝Z₂/Z，Z是本实施例中输入/输出端口的微带线的特性阻抗均为50Ω,图3(a)，随着k₁的增大，滤波器的回波损耗变大，f_p1、f_p3与中心频率距离变大；图3(b)，随着k₂增大，滤波器的回波损耗变大，f_p1、f_p3与中心频率距离变大；图3(c)，随着Z₁增大，滤波器的回波损耗变大，f_p1、f_p3与中心频率距离变大；图3(d)，随着Z₂增大，滤波器的回波损耗变大，f_p1、f_p3与中心频率距离变大；由上，滤波器的回波损耗在一个可以接受的范围中，在此基础上，结合仿真软件的实际情况以及加实际加工的能力，最终本实施例选定Z₁＝Z₂＝1.6，k₁＝k₂＝0.6。

本实施例在ADS软件中建立图1中谐振器传输线模型，并进行参数优化，选取合适的带通滤波器设计参数。对于采用耦合线结构的带通滤波器，往往要求耦合线有较强的耦合以获得宽通带特性，在这样的要求下，在结合实际的工程情况，确定最终的微带线宽度。在优化过程中，用四个参数的改变来调节传输零点与传输极点的位置。

此外，在优化过程中也要考虑PCB微带电路的可加工性，选出便于加工的设计参数。

谐振器带通滤波器设计在Rogers RT5880(m＝0.508mm,m是介质板的厚度,ε_re＝2.2,ε_re是介电常数，tanδ＝0.0009，tanδ是介电损耗角正切)微波介质板上，如图4所示，其中图(a)为滤波器尺寸示意图，a＝14.1,b＝7.19,c＝5,d＝0.255,e＝0.15,g＝1.54,h＝6.58,l＝0.2,Unit:mm；图(b)为滤波器实物图；滤波器的初始尺寸可以通过ADS LineCalc工具计算得到，然后在三维全波电磁仿真软件HFSS中对滤波器中的不连续微带线、T型接头以及微带弯头等进行优化。实测结果与仿真结果在低频通带吻合较好，在高频通带有较大的误差。这些误差主要归咎于加工误差以及SMA连接头等非理想因素。此外，实际的微波介质材料随着频率的升高，金属损耗、介质损耗等也增加，这也造成了高频部分比低频部分的插入损耗更大。

如图5所示，CLCSR带通滤波器实测相对带宽FBW＝40％，HFSS仿真的3dB的绝对带宽为3.2-4.8GHz，中心频率是4GHz；在整个通带内的回波损耗实测结果优于10dB。此外，CLCSR UWB滤波器在2～3.2GHz频率范围内，阻带抑制优于12dB；在4.8～7GHz频率范围内，阻带抑制优于12dB。

为了提高带外性能，扩大通带频率，边缘滚降衰减更加迅速，可以在滤波器中使用两个或多个十字形谐振器。如图6(a)所示显示了由两个级联的十字形谐振器组成的BPF的布局，其中a＝1.54,b＝0.15,c＝1.05,d＝43.12,e＝10.78,f＝5.92,g＝16.66,h＝4.9,i＝0.7,j＝0.2,k＝4.5,Unit:mm。它使用图1所示的相同尺寸略有不同，具体标注如图6(b)所示。为了设计BPF，应适当选择线路的宽度和长度以获得适当的谐振频率。可以使用上述设计过程选择初始尺寸，然后使用HFSS优化尺寸。仿真与测试结果还是有些差异的。这些差异可归咎于加工误差以及SMA测试头等，这些方面未能在HFSS中考虑到。

级联CLCSR带通滤波器实测相对带宽FBW＝38％，在整个通带内的回波损耗实测结果优于10dB。此外，滤波器在2～4.2GHz频率范围内，阻带抑制优于12dB；在6.2～8GHz频率范围内，阻带抑制优于12dB，仿真结果如图7所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种十字形耦合谐振器，其特征在于：由八条金属微带线组成，金属微带线每条长度相等，每条宽度相同，每两条所述 金属微带线彼此平行构成耦合线，四条耦合线固定连接在中心节点上，呈现角对称的结构，总体呈现“十字形”；

所述十字形耦合谐振器馈电端两条耦合线的偶模阻抗为

奇模阻抗

长度θ，耦合系数为k₁，剩余两条耦合线的偶模阻抗为

奇模阻抗为

长度为θ,耦合系数为k₂，其中Z₁、Z₂是平行耦合线奇偶模阻抗参数，

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