CN111463527A - 基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法 - Google Patents

基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法 Download PDF

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李钰莹
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Abstract

本发明提供一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法，涉及无源器件‑微带滤波器技术领域。本发明包括十字形谐振器以及平行耦合线馈电结构，十字形谐振器由两条微带线垂直交叉构成，其中一条微带线长度是另一条微带线长度的两倍，交叉节点分别为两条微带线的中点，呈现“十字形”；长微带线的宽度与短微带线的宽度不同，在十字形谐振器的两段长枝节的1/2处分别连接一条微带线，成为平行耦合线馈电结构。平行耦合线的两条微带线的宽度相同，长枝节的馈电端口的1/2处的微带线宽度与中心节点的1/2处的微带线宽度不同，总体呈现不等长“十字形”。本发明滤波器尺寸小，易于加工，在实际工程中易于制造，具有高选择性、低插入损耗等优点。

Description

基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法
技术领域
本发明涉及无源器件-微带滤波器技术领域，尤其涉及一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法。
背景技术
双频带带通滤波器是指该元件可以在两个不同的频率下实现滤波功能。这种元件对于无线通信系统来讲，具有重要的意义，使用高性能的双频带带通滤波器可以同时滤除两个频段内各种无用信号与噪声，降低频道之间的信号干扰，达到频谱资源的有效利用，同时减少滤波器的个数。近些年，双频带带通滤波器的研究也取得一定进展，李学斌，郭建卓，韩宇南.基于非对称SIR的小型化双频带带通滤波器设计.北京邮电大学学报，2015，38(2)：104-107.李学斌及其团队基于非对称阶梯阻抗谐振器，得到带宽可调节的双频带带通滤波器设计方法；Xiao-Kun Bi,Teng Cheng,Pedro Cheong,Sut-Kam Ho,and Kam-WengTam.Design of Dual-Band Bandpass Filters with Fixed and ReconfigurableBandwidths Based on Terminated Cross-Shaped Resonators.IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMS—II:EXPRESS BRIEFS,2019,66:317-32.基于十字形谐振器，构建具有固定和可重构带宽的双频带带通滤波器；张洪欣，张旭东，贺鹏飞.基于缺陷地结构的小型化双频带带通滤波器.电波科学学报，2016，31(2)：363-367.学者张洪欣基于缺陷地结构的双频带带通滤波器，使用不同组合方式的双模开口谐振环产生两个通带；WeiminWang,Mengbo Liao,Yongle WU and Yuanan Liu.Small-size High-selectivity Band-stop Filter with Coupled-line Stubs for Dual-band Applications.ElectronicsLetters,2014,50(4):286-288；Ramy Sharaf基于平行耦合线和终端短路枝节提出的结构紧凑性能良好的双频带带通滤波器；Yongle Wu,Lixia Nan,Lingxiao Jiao,Weimin Wang,Yuanan Liu.Dual-band Coupled-line Band-pass Filter with Independently TunableBandwidths.China Communications,2016,13(9):60-64.吴永乐团队基于平行耦合线理论，在引入两个变容二极管之后，可以通过改变变容二极管的电容来连续改变四个谐振之一，因此可以独立地调谐两个频率带宽；Wenjie J.Feng,Member,Meiling L.Hong,WenquanQ.Che,Quan Xue,.Dual-band Microstrip Band-stop Filter with MultipleTransmission Poles Using Coupled Lines.IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters.2017,27(3):236-238；Xiao-Kun Bi,Xiao Zhang,Sai-Wai Wong,Tao Yuan,andShao-Hua Guo.Design of Equal-Ripple Dual-Wideband Bandpass Filter withMinimum Design Parameters Based on Cross-Shaped Resonator.IEEE Transactionson Circuits and Systems II:Express Briefs，2019，2951781.通过常规的耦合线和开放/短路传输线实现两个阻带附近的传输极点，更改耦合线的偶/奇模，就可以灵活地调节双频带阻滤波器的两个中心频率。
发明内容
本发明提供一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器及设计方法。
一方面本发明提供了一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器，包括十字形谐振器以及平行耦合线馈电结构，所述十字形谐振器由两条微带线垂直交叉构成，其中一条微带线的长度是另一条微带线长度的两倍，交叉节点分别为两条微带线的中点，总体呈现“十字形”；长微带线的宽度与短微带线的宽度不同，在十字形谐振器的两段长枝节的1/2处分别连接一条微带线，成为平行耦合线馈电结构。平行耦合线的两条微带线的宽度相同，长枝节的馈电端口的1/2处的微带线宽度与中心节点的1/2处的微带线宽度不同，总体呈现不等长“十字形”。
另一方面本发明提供了一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器设计方法，包括以下步骤：
步骤1：设计不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器的电路，通过微带传输线理论，对称电路的奇偶模分析理论对滤波器电路进行分析研究；
步骤2：得到滤波电路的奇偶模输入阻抗，零极点表达式，分析平行耦合线的阻抗系数k、不等长十字形谐振器中短微带线的特征阻抗Z2，长微带线的特征阻抗Z3、平行耦合线奇偶模阻抗表达中的参数Z1；研究上述四个参数的变化对于零极点位置的影响，从而确定参数取值范围，进而利用参数的变化来调节传输零点与传输极点的位置；
步骤3：得到参数的取值后，通过仿真软件，计算耦合线之间的距离和耦合线的宽度，在实际制作工艺的基础上实现最大耦合；
步骤4：将得到的滤波器的初始尺寸画在三维全波电磁仿真软件HFSS中，得到滤波器的仿真结果。
本发明的有益效果：
本发明所提供滤波器尺寸小，并且易于加工，理论分析简单，并且在实际工程中易于制造，具有高选择性、低插入损耗等优点。
附图说明
图1为本发明实施例滤波器电路示意图；
其中图(a)-不等长十字形谐振器双频带带通滤波器电路图，(b)-偶模等效电路图，(c)奇模等效电路图；
图2本发明实施例滤波器电路的零极点分布示意图；
图3滤波器结构中z1、z2、z3、k对fpo1/f0、fpo2/f0、fpe1/f0、fpo2/f0的影响曲线图；
图4为本发明实施例不等长十字形谐振器双频带带通滤波器结构尺寸示意图；
图5为本发明实施例滤波器实物图；
图6为本发明实施例滤波器实测结果与仿真结果对比示意图。
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。
一方面本发明提供了一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器，包括十字形谐振器以及平行耦合线馈电结构，所述十字形谐振器由两条微带线垂直交叉构成，其中一条微带线的长度是另一条微带线长度的两倍，交叉节点分别为两条微带线的中点，总体呈现“十字形”；较长微带线的宽度与较短微带线的宽度不同，在十字形谐振器的两段长枝节的1/2处分别连接一条微带线，成为平行耦合线馈电结构。平行耦合线的两条微带线的宽度相同，长枝节的馈电端口的1/2处的微带线宽度与中心节点的1/2处的微带线宽度略有不同，但总体呈现不等长“十字形”。
另一方面本发明提供了一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器设计方法，包括以下步骤：
步骤1：设计不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器的电路，通过微带传输线理论，对称电路的奇偶模分析理论对滤波器电路进行分析研究；
步骤2：得到滤波电路的奇偶模输入阻抗，零极点表达式，分析平行耦合线的阻抗系数Z1、不等长十字形谐振器中较短微带线的特征阻抗Z2，较长微带线的特征阻抗Z3、平行耦合线的耦合系数k；研究上述四个参数的变化对于零极点位置的影响，从而确定参数取值范围，进而利用参数的变化来调节传输零点与传输极点的位置；
步骤3：得到参数的取值后，通过仿真软件，本实施例中使用ADSLineCale软件，计算耦合线之间的距离和耦合线的宽度，在实际制作工艺的基础上实现最大耦合；
步骤4：将得到的滤波器的初始尺寸画在三维全波电磁仿真软件中，得到滤波器的仿真结果。
如图1所示给出了本实施例不等长十字形谐振器双频带带通滤波器电路图，本实施例中输入/输出端口微带线的特性阻抗均为50Ω，利用平行耦合线和不等长十字形谐振器结构组成了滤波器。在等效电路中，平行耦合线的偶模阻抗为
Figure BDA0002400837200000041
奇模阻抗为
Figure BDA0002400837200000042
电长度为θ，不等长十字形谐振器的特征阻抗分别为Z2，Z3，其中较短微带线的特征阻抗为Z2，较长微带线的特征阻抗为Z3，电长度为θ，k为平行耦合线的耦合系数，Z1为平行耦合线的奇偶模阻抗表达式中的参数，
Figure BDA0002400837200000043
其中图1(a)为不等长十字形谐振器双频带带通滤波器理想电路，图1(b)和(c)为偶模等效电路和奇模等效电路。首先在图1(b)和(c)中将平行耦合线馈电结构后到滤波器中心的位置看作是平行耦合线的负载。平行耦合线四端口的电压和电流如公式(1a)和(1b)所示，得到电路的奇模和偶模输入阻抗为公式(2)。
Figure BDA0002400837200000044
Figure BDA0002400837200000045
Figure BDA0002400837200000046
其中Zine(o)为电路的奇偶模输入阻抗，ZLe为偶模电路的负载，ZLo为奇模电路的负载，i1-i4是平行耦合线四个端口的电流值，v1-v4是平行耦合线四个端口的电压值，Yce和Yco是Zce和Zco的倒数。
根据传输线理论得到奇模负载阻抗和偶模负载阻抗的表达式，如公式(3)、公式(4)所示，将负载阻抗表达式，如公式(3)和公式(4)带入公式(1)中，得到奇偶模输入阻抗；
Figure BDA0002400837200000047
ZLo＝Z3jtanθ (4)
对于对称互易二端口网络，归一化频率响应为
Figure BDA0002400837200000051
Figure BDA0002400837200000052
其中S11、S12、S21、S22是滤波器散射矩阵[S]中的参数；
滤波器的传输零点的条件为Zine＝Zino。通过公式(2)计算得到公式(7)如下所示；
Figure BDA0002400837200000053
由公式(7)可知，当θ等于0，π与2π时满足Zine＝Zino，即滤波器结构在0，f0，2f0有固定的传输零点，其中f0为滤波器的中心频率。
根据双频带带通滤波器的偶模谐振条件为Zine＝∞，奇模谐振条件为Zino＝∞，得到公式(7a)(7b)，进而得到奇模谐振极点如公式(9a)(9b)所示，以及偶模谐振极点如公式(9c)(9d)所示；
Figure BDA0002400837200000054
Figure BDA0002400837200000055
Figure BDA0002400837200000056
Figure BDA0002400837200000057
Figure BDA0002400837200000058
Figure BDA0002400837200000059
Figure BDA00024008372000000510
Figure BDA00024008372000000511
其中fpe1、fpe2为一对关于f0对称的偶模传输极点,fpo1、fpo2为一对关于f0对称的奇模传输极点，
Figure BDA00024008372000000512
具体的取值由公式(9a)(9b)(9c)(9d)决定。
如图2所示为滤波器理想电路的零极点分布情况，有三个固定的零点fz1,fz2,fz3，分别在0,f0,2f0处；有四个可调的传输极点fpo1,fpe1,fpo2,fpe2，第1个偶模传输极点fpe1和第1个奇模传输极点fpo1构成了第一个通带，剩下两个传输极点fpo2,fpe2构成了第2个通带；
不等长谐振器双频带带通滤波器的特性主要由Z1、Z2、Z3和k这四个参数决定。图3给出了归一化阻抗和耦合系数对传输极点位置的影响，其中z1、z2、z3是Z1和Z2和Z3的归一化阻抗，z1＝Z1/Z,z2＝Z2/Z，z3＝Z3/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。在实际滤波器设计中，根据所要设计的滤波器带宽，中心频率等要求，在图3中选择相应的阻抗值和耦合系数，可得到由四个传输极点和三个传输零点形成双频带带通滤波器。
滤波器在[0,2f0]的频率范围内传输极点和传输零点的关系满足
fz1<fpo1<fpe1<fz2<fpe2<fpo2<fz3 (10)
本实施例中选取电路初始参数为Z1＝1、Z2＝0.8、Z3＝1.2、和k＝0.6的情况下，图3给出了Z1、Z2、Z3和k对于传输极点的影响，图1为本实施例中滤波器结构中z1、z2、z3和k对fpo1/f0、fpo2/f0、fpe1/f0、fpo2/f0的影响，其中加□的为z1；加*的为z2；加Δ的为z3；加○的为k，由图可知，在Z1的归一化阻抗大于1.2时，通带内两个极点间距会变小，带宽会变窄，随着Z2的归一化阻抗变大，通带内两个零极点里的距离相对较远，带宽变大；k在大于0.6时，通带内零极点间距变小，但是，带宽的变化并不明显。传输极点的位置也随着这四个参数的变化有不一样的趋势，可以根据通过调节这些设计参数来调节传输极点的位置，获得双通带,进而调节带宽的宽度。
在滤波结构中，馈电端需要实现较高强度的耦合，考虑PCB板的加工能力，采用双耦合线的办法达不到设计标准与要求，因此，借鉴学者许进所提出的三线耦合代替两线耦合的办法，提高耦合线强度，满足设计要求(Jin Xu.多模谐振器宽带与多频带带通滤波器的研究与设计.南京理工大学.2013：18.)。
双频带通滤波器设计在Rogers RT5880(m＝0.508mm,m是介质板的厚度,εre＝2.2,εre是介电常数，tanδ＝0.0009，tanδ是介电损耗角正切)微波介质板上。滤波器的最初物理结构参数可以通过ADS LineCalc计算得到，然后在HFSS中对滤波器结构参数进行优化仿真，得到滤波器结构的最终物理参数，如图4所示。滤波器的具体结构参数为：a＝1.8mm；b＝5mm；c＝22.8mm；d＝1.54mm；e＝0.2mm；g＝0.4mm；h＝1.1mm；j＝24mm；k＝0.4mm；l＝13.4mm。同时制作并且测试滤波器，图5为滤波器的实物图。
仿真结果和测试结果如图6所示，虚线为仿真结果，实线为测试结果。可以看到，滤波器的两个通带分别是2.2GHz-2.7GHz和7.2GHz-7.6GHz，通带内的回波损耗小于-10dB，带外抑制良好，低于20dB，实测结果与仿真结果在低频通带吻合较好，在高频通带有一些误差，主要归咎于加工误差，金属损耗和介质损耗以及SMA连接头等非理想因素。
本发明利用不等长十字形谐振器和耦合线结构组成双频带带通滤波器。然后运用奇偶模电路分析法对其进行分析，得到等效电路的奇偶模输入阻抗以及传输零点和传输极点表达式。对传输零点和传输极点进行了讨论分析，接着将电路参数转化成物理结构参数。在HFSS软件上对滤波器结构进行仿真，同时制作和测试了滤波器实物。仿真结果和实测结果呈现良好的一致性，滤波器的两个通带分别位于2.2GHz-2.7GHz和7.2GHz-7.6GHz，通带内的回波损耗小于-10dB，带外抑制良好。与现有的同类双频带带通滤波器相比，所提出的滤波器尺寸小，仅为0.14λg×0.216λg，理论设计简单，并且在实际工程中易于制造，同时具有高选择性、低插入损耗等优点。
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 (2)

1.一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器，其特征在于：包括十字形谐振器以及平行耦合线馈电结构，所述十字形谐振器由两条微带线垂直交叉构成，其中一条微带线的长度是另一条微带线长度的两倍，交叉节点分别为两条微带线的中点，总体呈现“十字形”；长微带线的宽度与短微带线的宽度不同，在十字形谐振器的两段长枝节的1/2处分别连接一条微带线，成为平行耦合线馈电结构；平行耦合线的两条微带线的宽度相同，长枝节的馈电端口的1/2处的微带线宽度与中心节点的1/2处的微带线宽度不同，总体呈现不等长“十字形”。
2.一种基于不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计不等长十字形谐振器的双频带带通滤波器的电路，通过微带传输线理论，对称电路的奇偶模分析理论对滤波器电路进行分析研究；
步骤2：得到滤波电路的奇偶模输入阻抗，零极点表达式，分析平行耦合线的阻抗系数Z1、不等长十字形谐振器中短微带线的特征阻抗Z2，长微带线的特征阻抗Z3、平行耦合线的耦合系数k；研究上述四个参数的变化对于零极点位置的影响，从而确定参数取值范围，进而利用参数的变化来调节传输零点与传输极点的位置；
步骤3：得到参数的取值后，通过仿真软件，计算耦合线之间的距离和耦合线的宽度，在实际制作工艺的基础上实现最大耦合；
步骤4：将得到的滤波器的初始尺寸画在三维全波电磁仿真软件中，得到滤波器的仿真结果。
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