CN112072231A - 基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，属于基本电气元件的技术领域。该带通滤波器由上层微带结构、中间层介质板、下层金属板组成。上层微带结构包括第一馈电网络、多个四分之一波长微带谐振器、第二馈电网络。该滤波器在相邻两个四分之一波长微带谐振器间采用斜式耦合结构，调控电耦合和磁耦合的大小，产生靠近于通带的传输零点，从而实现了滤波器带外的多个传输零点，提高了滤波器的带外抑制。本发明在不增加滤波器的尺寸的条件下，仅仅通过改变耦合的角度，即可实现良好的带外抑制特性，同时保持较低的通带损耗，广泛适用于通信、雷达等系统中的射频前端。

Description

基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器

技术领域

本发明公开了基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，此滤波器具有结构紧凑、简单、带外抑制性能优良的特点，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

高性能的微波滤波器在无线微波通信系统中的应用引起了国内外学者的广泛关注，已经成为微波领域的研究热点之一。迄今为止，多种形式的滤波器在国内外众多的高水平学术期刊上发表，具有良好选择特性及设计灵活的滤波器显得尤为抢眼。通过设计高阶数的滤波器提高滤波器的选择特性带来了诸如体积增加、损耗增加、设计复杂等缺点。在滤波器的通带外引入有限频率传输零点被认为是提高滤波器选择性的较好方法，其优点有：（1）滤波器所需谐振器个数少，这意味着滤波器的体积较小，（2）物理路径少可以使滤波器损耗较小，能够设计出不对称的滤波器响应以满足不同系统的要求。目前，国内外通过在滤波器通带外引入传输零点来提高阻带的抑制效果主要有三种方法：第一种是利用信号在谐振器上通过两路不同的路径相位叠加后产生传输零点的交叉耦合滤波器；第二种是利用信号通过谐振器和输入输出端两路不同路径叠加产生传输零点的源负载耦合滤波器；第三种则是只需要单一物理路径，利用电磁意义上的多路径产生传输零点的混合电磁耦合滤波器。混合电磁耦合滤波器在微带线上的实现方法主要是构建四分之一或是二分之一谐振器在某些区域的部分耦合从而获得特定的电耦合与磁耦合占优的耦合系数，在弯折谐振器的过程中不可避免地会造成板子空间利用率的降低。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，实现了一种全新的λ_g/4波长谐振器的斜耦合形式，更近一步地减小了滤波器的尺寸，解决了以往此类电磁耦合滤波器在阶数较多时空间利用率较低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，包括：上层微带结构、中间层介质板、下层金属板，上层微带结构附着在中间层介质板的上表面，下层金属板附着在中间层介质板的下表面，上层微带结构包括：第一馈电网络、第二馈电网络、耦合谐振器，耦合谐振器包含N个四分之一波长微带谐振器，N为带通滤波器的阶数，相邻两个四分之一波长微带谐振器为通过斜式耦合产生一个传输零点的对称结构，相邻两个四分之一波长微带谐振器之间的夹角大小以及几何中心距离根据电磁耦合系数和带外零点的位置确定。

进一步地，基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器中，第一馈电网络包括第一传输线和第二传输线，第一传输线的馈电端口接第一输入/输出端口，第二传输线与第一传输线的输出端连接；第二馈电网络包括第六传输线和第七传输线，第六传输线的输入端与第七传输线的连接，第六传输线的输出端接第二输入/输出接口。

优选地，N为3时，第一四分之一波长微带谐振器与第二传输线平行耦合，第三四分之一波长微带谐振器与第七传输线平行耦合，第二四分之一波长微带谐振器与三个四分之一波长微带谐振器几何中心所处水平线垂直，第一四分之一波长微带谐振器和第二传输线的间隙与第三四分之一波长微带谐振器和第七传输线的间隙相等。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本申请在相邻四分之一波长谐振器之间引入了全长度的斜式耦合，通过调控电磁耦合的大小产生一个传输零点，传输零点可任意设置在通带高端或低端，有效地提升滤波器的带外抑制。

（2）本申请公开的带通滤波器使用λg/4波长谐振器，相对半波长谐振器，长度缩小一半，而且谐振器为单一宽度或单一特性阻抗的直微带线，无需折弯微带线，也无需设置为宽度有变化的阶梯阻抗谐振器，以与传统梳状滤波器结构尺寸相当的紧凑结构实现了通带外的零点设置。

附图说明

图1是本发明基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器上层微带结构的结构图。

图2是本发明基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器在0.75-1.5GHz的|S₁₁|,|S₂₁|的频率响应曲线的仿真结果。

图中标号说明：1、第一传输线，2、第二传输线，3、第一四分之一波长微带谐振器，4、第二四分之一波长微带谐振器，5、第三四分之一波长微带谐振器，6、第六传输线，7、第七传输线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开的基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，由上层微带结构、中间层介质板、下层金属板组成，上层微带层附着在在中间层介质板的上层表面，下层金属板附着在中间层介质板的下层表面。如图1所示，上层微带结构由第一馈电网络、第二馈电网络和耦合谐振器组成；第一馈电网络由均匀的第一传输线1，第二传输线2组成，第一传输线1为一段长为L ₀的50欧姆传输线，第二传输线2为一段宽度为W ₂的窄传输线，一端接入第一输入/输出端口Port1的第一传输线1与第二传输线2相连后经过平滑过渡，对第二传输线2的一角进行宽度为W ₂的切角，经切角处理的传输线防止电磁波经过传输线锐角时经过锐角辐射出去，降低辐射损耗；第二馈电网络由均匀的第六传输线6、第七传输线组成，第六传输线6为一段长为L ₀的50欧姆传输线，第七传输线为一段宽度为W ₂的窄传输线，一端接入第二输入输出/端口Port2的第六传输线6与第七传输线相连后经过平滑过渡，并对第七传输线7的一角进行宽度为W ₂的切角；耦合谐振器通过斜式耦合的第一四分之一波长微带谐振器3、第二四分之一波长微带谐振器4、第三四分之一波长微带谐振器5实现，三个四分之一波长微带谐振器的末端经过孔接地。第二传输线2、第一四分之一波长微带谐振器3、第二四分之一波长微带谐振器4、第三四分之一波长微带谐振器5、第七传输线7的长度一致且均为L ₁，且五者的几何中心处于同一水平线上，第二四分之一波长微带谐振器4与该水平线相垂直，第一四分之一波长微带谐振器3、第二四分之一波长微带谐振器4、第三四分之一波长微带谐振器5的宽度一致且均为W ₁，第一四分之一波长微带谐振器3绕其几何中心旋转与第二四分之一波长微带谐振器4呈θ ₁度，第一四分之一波长微带谐振器3与第二四分之一波长微带谐振器4的几何中心的距离为S ₁；第二传输线2与第一四分之一波长微带谐振器3平行，第二传输线2与第一四分之一波长微带谐振器3的几何中心的距离为S ₃；第三四分之一波长微带谐振器5绕其几何中心旋转与第二四分之一波长微带谐振器4呈θ ₂度，第三四分之一波长微带谐振器5与第二四分之一波长微带谐振器4的几何中心的距离为S ₂，第七传输线7与第三四分之一波长微带谐振器5平行，第七传输线7与第三四分之一波长微带谐振器5的几何中心的距离为S ₃。第二传输线2与第一四分之一波长微带谐振器3的几何中心的距离为S ₃；第七传输线7与第三四分之一波长微带谐振器5的几何中心距离为S ₃，用于给予第一四分之一波长微带谐振器3与第三四分之一波长微带谐振器5相近的外部耦合特性。

在本实施例中，中层介质基板材料使用Rogers 4003C，介电常数为3.55，厚度为1.524mm，该基于斜式耦合的高带外抑制的混合电磁耦合带通滤波器经过HFSS电磁仿真软件的仿真优化后获得以下滤波器尺寸参数(长度单位：mm，角度单位：度)：

<i>L</i><sub>0</sub>	<i>W</i><sub>0</sub>	<i>L</i><sub>1</sub>	<i>W</i><sub>1</sub>	<i>W</i><sub>2</sub>	<i>S</i><sub>1</sub>	<i>S</i><sub>2</sub>	<i>S</i><sub>3</sub>	<i>θ</i><sub>1</sub>	<i>θ</i><sub>2</sub>
										5	3.36	45.3	1.5	1	1.2	0.4	1.61	1.8	-0.282

本发明基于斜式耦合的高带外抑制的混合电磁耦合带通滤波器在0.75-1.5GHz的|S₁₁|，|S₂₁|频率幅度响应的仿真曲线如图2所示，其中，心频率为1.003GHz，回波损耗能够达到-15dB以下，插入损耗小于1.5dB，3dB带宽为40MHz, 下阻带传输零点为z₁的频率处于0.958GHz，给与-47dB的带外抑制，上阻带传输零点为z₂的频率处于1.053GHz，给予-49dB的带外抑制，两传输零点均小于1倍带宽范围，其中心频率为1.003GHz，具有尺寸与传统梳状滤波器相当且无需采用交叉耦合即可在通带外产生最多有N-1个多传输零点的特点。

结合图1、图2可知，第一四分之一波长微带谐振器与第二四分之一波长微带谐振器的角度θ ₁较大，使得第一四分之一波长微带谐振器与第二四分之一波长微带谐振器之间的耦合呈电耦合占优的状态，产生一个下阻带传输零点z₁，其耦合系数由距离S ₁和角度θ ₁共同决定，保持S ₁调节θ ₁从大到小时，耦合系数也会从大到小的递减，传输零点z₁也会随着角度的减小而逐渐向高频移动。当耦合系数为0时，传输零点刚好处于两个谐振器的中心频率，若再继续减小θ ₁则会进入以磁耦合占优的状态，电耦合占优产生的传输零点z₁可以通过调节S ₁来进行控制，规律一般是对于同一个以电耦合占优的耦合系数，随着S ₁的减小，传输零点z₁朝着下阻带靠近而后又偏离下阻带低频移动少许；第三四分之一波长微带谐振器与第二四分之一波长微带谐振器的角度θ ₂较小，使得第三四分之一波长微带谐振器与第二四分之一波长微带谐振器之间的耦合呈磁耦合占优的状态，产生一个上阻带传输零点z₂，其耦合系数由距离S ₂和角度θ ₂共同决定，保持S ₂调节θ ₂从大到小时，耦合系数也会从小到大的递增，传输零点也会随着角度的减小而逐渐向高频移动，磁耦合占优产生的传输零点z₂可以通过调节S ₂来进行控制，规律一般是对于同一个以磁耦合占优的耦合系数，随着S ₂的减小，传输零点z₂朝着上阻带靠近；第一四分之一波长微带谐振器与第二四分之一波长微带谐振器间的耦合系数、第二四分之一波长微带谐振器传输线与第三四分之一波长微带谐振器的耦合系数的大小相等。

应该指出本实施例只是采用了较为简单的三阶滤波器形式，通过使用斜耦合混合电磁耦合形式添加阶数为N，可以引入N-1个传输零点，且增加的阶数可以进一步地提高滤波器的带外抑制，且在本发明中，零点位置的控制较为容易。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，包括：上层微带结构、中间层介质板、下层金属板，上层微带结构附着在中间层介质板的上表面，下层金属板附着在中间层介质板的下表面，其特征在于，所述上层微带结构包括：第一馈电网络、第二馈电网络、耦合谐振器，耦合谐振器包含N个四分之一波长微带谐振器，N为带通滤波器的阶数，相邻两个四分之一波长微带谐振器为通过斜式耦合产生一个传输零点的对称结构，相邻两个四分之一波长微带谐振器之间的夹角大小以及几何中心距离根据电磁耦合系数和带外零点的位置确定。

2.根据权利要求1所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，N个四分之一波长微带谐振器的末端均经过孔接地。

3.根据权利要求1所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，N=3时，耦合谐振器包含3个四分之一波长微带谐振器，第一四分之一波长微带谐振器和与其相邻的第二四分之一波长微带谐振器为通过斜式耦合产生一个传输零点的对称结构，第二四分之一波长微带谐振器和与其相邻的第三四分之一波长微带谐振器为通过斜式耦合产生一个传输零点的对称结构。

4.根据权利要求3中任意一项所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，所述第一馈电网络包括第一传输线和第二传输线，第一传输线的馈电端口接第一输入/输出端口，第二传输线与第一传输线的输出端连接；第二馈电网络包括第六传输线和第七传输线，第六传输线的输入端与第七传输线连接，第六传输线的输出端接第二输入/输出接口。

5.根据权利要求4所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，所述第二传输线和第七输出线为窄传输线。

6.根据权利要求4所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，第一四分之一波长微带谐振器与第二传输线平行耦合，第三四分之一波长微带谐振器与第七传输线平行耦合。

7.根据权利要求4所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，第一四分之一波长微带谐振器和第二传输线的间隙与第三四分之一波长微带谐振器和第七传输线的间隙相等。

8.根据权利要求4所述基于斜式耦合的高带外抑制的带通滤波器，其特征在于，第二四分之一波长微带谐振器与三个四分之一波长微带谐振器几何中心所处水平线垂直。

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