CN112072229A - 对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，包括三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、一个位于三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器上方的阶梯阻抗微带线谐振器以及输入输出馈线；所述三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相互之间存在缝隙，所述阶梯阻抗微带线谐振器与三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙。本发明不仅可以实现两个有限传输零点按需配置的特性，包括非对称频率响应、近似椭圆响应和线性相位响应，还可实现产品小型化。

Description

对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别涉及一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器。
背景技术
微波滤波器作为选频器件，广泛应用于通信系统前端电路。随着无线通信技术的飞速发展，通信系统对射频前端电路的重量、体积、集成度和电气性能等提出越来越高的要求。
为了实现提高滤波器通带的选择性，在非毗邻的谐振器之间增加交叉耦合路径，从而在滤波器通带两侧实现有限传输零点(finitetransmissionzeros,FTZs)。
基于传统三角元件耦合拓扑结构可以实现一个三阶滤波器，并实现一个FTZ，当交叉耦合系数为正时，在通带上方产生一个FTZ；当交叉耦合系数为负时，在通带下方产生一个FTZ。基于传统四角元件耦合拓扑结构可以实现一个四阶滤波器，并实现两个关于中心频率对称的FTZs，当耦合系数为正时，两个FTZs位于S域实轴，提高滤波器通带传输系数相位的线性度；当耦合系数为负时，两个FTZs位于S域虚轴，提高滤波器通带的选择性。
因此，基于传统三角和四角拓扑结构设计的滤波器，有限传输零点只能位于通带一侧任意位置，或通带两侧对称分布。实现不同的非对称响应时，需要改变耦合符号，需要重新设计物理结构。而对于已经建好的仿真模型，改变响应类型，需要重新建模，过程繁琐，增加时间成本。
为了实现有限传输零点位置能够按需配置的滤波器，采用双模方形环和单模谐振器组合实现盒型拓扑结构微带带通滤波器，例如文献“Q.Liu,D.Zhou and D.Zhang,"Generalised Chebyshev function bandpass filters in box-like topologies basedon the properties of dual-mode loop microstrip resonator,"IET Microwaves,Antennas&Propagation,vol.13,no.10,pp.1515-1521,14 8 2019.”但是对角耦合强度不易控制，且方形环谐振器占用较大的尺寸，不利于滤波器小型化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，不仅可以实现两个有限传输零点按需配置的特性，包括非对称频率响应、近似椭圆响应和线性相位响应，还可实现产品小型化。
为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，包括三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、一个位于三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器上方的阶梯阻抗微带线谐振器以及输入输出馈线；所述三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相互之间存在缝隙，所述阶梯阻抗微带线谐振器与三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙。
进一步地，所述四阶微带带通滤波器以中心垂直线成镜像对称结构。
进一步地，所述三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器从左至右依次为第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器；所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器具有相等的底边长，记为L2，第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器的底边长记为L1。
进一步地，所述四阶微带带通滤波器等效为对角耦合盒型拓扑结构，第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器分别记为谐振节点1、2和4，阶梯阻抗微带线谐振器记为谐振节点3。
进一步地，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器同时与第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-2-4。
进一步地，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器通过交指结构互相耦合，形成一条交叉耦合路径1-4，即为对角耦合路径。
进一步地，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器沿着x和y方向移动的距离分别是Dx和Dy，通过改变Dx和Dy控制对角耦合系数。
进一步地，所述交指结构的重叠区域长度记为g1。
进一步地，所述阶梯阻抗微带线谐振器分别与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-3-4。
进一步地，所述输入输出馈线采用微带馈线，输入馈线与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连，输出馈线与第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，采用三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器将其等效为阶梯阻抗谐振器，进一步结合直线型的阶梯阻抗微带线谐振器，从而大大减小了盒型拓扑结构滤波器的尺寸，具有小型化的优点，从而降低生产成本、易于产品制造。
2、本发明实现了独立可控的对角耦合路径，进而实现两个有限传输零点按需配置的特性，使用一个物理结构，在仅改变结构参数的情况下，可以实现非对称频率响应、近似椭圆响应和线性相位效应，具有非常高的设计自由度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的结构示意图；
图2是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的等效拓扑结构图；
图3是本发明实施例的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器中主模电场分布图；
图4是本发明实施例的阶梯阻抗微带线谐振器中主模电场分布图；
图5是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的近似椭圆响应的仿真和综合曲线；
图6是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的非对称频率响应的仿真和综合曲线(两个FTZs同时位于下阻带)；
图7是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的非对称频率响应的仿真和综合曲线(两个FTZs同时位于上阻带)；
图8是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的线性相位响应的仿真和综合曲线；
图9是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器改变g1进而控制FTZs位置的仿真曲线；
图10是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器改变g2进而控制FTZs位置的仿真曲线；
图11是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的散射参数仿真与测试曲线；
图12是本发明实施例的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的宽频带测试结果。
图1中序号所代表的含义为：
1.第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器，2.第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器，3.第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器，4.阶梯阻抗微带线谐振器，5.输入馈线，6.输出馈线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图3和图4所示，本实施例提出的一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，包括三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、一个位于三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器上方的阶梯阻抗微带线谐振器以及输入输出馈线；其中三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相互之间存在缝隙，阶梯阻抗微带线谐振器与三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙，记为g2。作为优选的，四阶微带带通滤波器以中心垂直线成镜像对称结构。
阶梯阻抗微带线谐振器的总长为L3，中间部分的长度为L4、宽度为W2，两边部分的长度为(L3-L4)/2、宽度为W1。
三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器从左至右依次为第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器；所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器具有相等的底边长，记为L2，第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器的底边长记为L1。第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器与第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙，记为g3，第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器与第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙，也记为g3。
四阶微带带通滤波器等效为对角耦合盒型拓扑结构，如图2所示，第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器分别记为谐振节点1、2和4，阶梯阻抗微带线谐振器记为谐振节点3。
三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器互相耦合，其中第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器同时与第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-2-4。
第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器通过交指结构互相耦合，形成一条交叉耦合路径1-4，即为对角耦合路径。交指结构的重叠区域长度记为g1，并用于控制对角交叉耦合强度。
第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器沿着x和y方向移动的距离分别是Dx和Dy，通过改变Dx和Dy控制对角耦合系数|K14|。
阶梯阻抗微带线谐振器分别与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-3-4。
输入输出馈线均采用50Ω微带馈线，输入馈线与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连进行馈电，输出馈线与第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连进行馈电。
在本实例中，交指结构的耦合缝隙宽度为0.2mm，金属带宽度为0.3mm。四个谐振器均采用相对介电常数为10的介质板材，其厚度为0.635mm，损耗因子为0.0035，表面金属层的厚度为35μm。直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器的金属通孔直径Cr＝0.6mm，微带馈线宽度W0＝0.59mm，Din＝5.81mm，Dx＝1.5mm，Dy＝1.8mm，L1＝28.19mm，L2＝27.28mm，L3＝47.43mm，L4＝20mm，W1＝0.8mm，W2＝0.3mm，g1＝3mm，g2＝0.21mm，g3＝0.21mm。
如图5所示，基于上述结构参数的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器可以实现一个近似椭圆频率响应，也就是两个FTZs分别位于通带两侧。图11给出了上述对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的散射参数仿真与测试结果，测得的中心频率为0.995GHz，1dB带宽为75MHz(相对带宽7.54％)，通带内损耗为2.1dB，通带内反射损耗为19.1dB。测得的两个FTZs分别位于0.87GHz和1.134GHz，实现了通带两侧分别有一个有限传输零点，表明滤波器具有很好的通带选择性。图12给出了上述对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器的宽频带测试结果，在0.62GHz测得一个额外的FTZ，这是由于耦合路径1-3和3-4的混合电磁耦合产生的，上阻带抑制水平大于20dB的频带达到2.21GHz。本发明的滤波器的归一化尺寸仅为0.073λg 2，其中λg为中心频率处的波导波长。
如图6所示，改变结构参数，具体为：W0＝0.59mm，Din＝6.01mm，Dx＝1.57mm，Dy＝1.8mm，Cr＝0.6mm，L1＝27.14mm，L2＝27.28mm，L3＝50.5mm，L4＝22mm，W1＝0.9mm，W2＝0.3mm，g1＝3.6mm，g2＝0.2mm，g3＝0.11mm；基于这组结构参数的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器可以实现一种非对称频率响应，也就是两个FTZs同时位于下阻带。
如图7所示，改变结构参数，具体为：W0＝0.59mm，Din＝6.01mm，Dx＝0.8mm，Dy＝1.8mm，Cr＝0.6mm，L1＝25.93mm，L2＝27.13mm，L3＝48.5mm，L4＝14mm，W1＝0.9mm，W2＝0.3mm，g1＝3.5mm，g2＝0.22mm，g3＝0.71mm；基于这组结构参数的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器可以实现一种非对称频率响应，也就是两个FTZs同时位于上阻带。
如图8所示，改变结构参数，具体为：W0＝0.59mm，Din＝5.91mm，Dx＝1.49mm，Dy＝1.8mm，Cr＝0.6mm，L1＝26.53mm，L2＝27.3mm，L3＝50.5mm，L4＝20mm，W1＝0.8mm，W2＝0.3mm，g1＝3.7mm，g2＝0.2mm，g3＝0.22mm，基于这组结构参数的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器可以实现群时延响应，滤波器通带内具有很好的线性度，也就是两个FTZs位于S域实轴，提高滤波器通带传输系数相位的线性度。
如图9所示，改变参数g1进而控制FTZs位置，图中给出了当g1＝2mm、3mm、4mm时的FTZs位置的仿真曲线，通过改变参数g1可以很好地控制两个FTZs同时靠近或者远离通带。
如图10所示，改变参数g2进而控制FTZs位置，图中给出了当g2＝0.16mm、0.21mm、0.26mm时的FTZs位置的仿真曲线，通过改变参数g2可以很好地控制一个FTZ靠近或者远离通带，另一个FTZ远离或者靠近通带。
由图5至图10可知，本发明使用一个物理结构，在改变结构参数的情况下，可以实现两个FTZs位置按需配置的特性，实现高自由度设计，可以满足多种场景的需求，扩大了该滤波器应用范围。
本发明通过加工出的一个四阶微带带通滤波器进行测试验证，但是完全可以验证滤波器结构的合理性，而且其它频率响应类型也能够得到间接性的验证。与现有技术相比，本发明的滤波器具有小型化、更好的上阻带抑制特性和高设计自由度的优点。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，包括三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、一个位于三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器上方的阶梯阻抗微带线谐振器以及输入输出馈线；所述三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相互之间存在缝隙，所述阶梯阻抗微带线谐振器与三个直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器之间存在缝隙。
2.根据权利要求1所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述四阶微带带通滤波器以中心垂直线成镜像对称结构。
3.根据权利要求1所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述三个并排呈阶梯状的直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器从左至右依次为第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器；所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器具有相等的底边长，记为L2，第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器的底边长记为L1。
4.根据权利要求3所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述四阶微带带通滤波器等效为对角耦合盒型拓扑结构，第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器、第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器分别记为谐振节点1、2和4，阶梯阻抗微带线谐振器记为谐振节点3。
5.根据权利要求4所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器同时与第二直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-2-4。
6.根据权利要求5所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器通过交指结构互相耦合，形成一条交叉耦合路径1-4，即为对角耦合路径。
7.根据权利要求6所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器沿着x和y方向移动的距离分别是Dx和Dy，通过改变Dx和Dy控制对角耦合系数。
8.根据权利要求6所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述交指结构的重叠区域长度记为g1。
9.根据权利要求4所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述阶梯阻抗微带线谐振器分别与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器和第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器耦合，形成一条主耦合路径1-3-4。
10.根据权利要求3所述的对角耦合盒型拓扑结构的四阶微带带通滤波器，其特征在于，所述输入输出馈线采用微带馈线，输入馈线与第一直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连，输出馈线与第三直角端短路的等腰直角三角形贴片谐振器相连。
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