CN112768854A - 基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，旨在通过增加传输零点的数量提高差模通带之间的带外选择性，包括介质基板，该介质基板下表面印制有金属地板，金属地板上刻蚀有关于轴线A‑A’镜像对称的两条阶梯阻抗缝隙线；介质基板上表面印制有两个关于轴线A‑A’镜像对称且开口相背的U型微带线；两个U型微带线之间印制有关于轴线A‑A’镜像对称的两个阶梯阻抗谐振器和两个阶梯阻抗微带线；阶梯阻抗谐振器采用开口环型结构，开口面向轴线B‑B’；阶梯阻抗微带线包括直线型阶梯阻抗微带线和L型微带线，直线型阶梯阻抗微带线与L型微带线一个臂的自由端连接，形成开口面向轴线B‑B’的准U型结构。

Description

基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器

技术领域

本发明属于微波与射频技术领域，涉及一种差分双通带微带滤波器，具体涉及一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，可应用于无线通信系统的射频前端。

背景技术

近些年来，随着各种无线通信技术的不断进步，滤波器作为现代无线通讯系统中的一类重要器件，起着精确选择工作频段信号，滤除工作频带以外的系统噪声及其他信道干扰的重要作用。微带结构具有集成度高，小型化的优点，被广泛应用于滤波器设计中。然而，小型化导致器件内部线路间隔变小从而形成辐射干扰，严重影响器件性能，差分电路因其结构的对称性具有较好的共模抑制能力，抗干扰性能和低噪声性能，因此，在微带滤波器中引入差分结构可以有效减小系统尺寸并增强抗干扰能力。微带-缝隙过渡结构因其固有的共模抑制能力及良好的差模传输特性被应用于差分微带滤波器中。与此同时，5G技术的日趋成熟使得多频段技术已成为近年来的研究热点，单通带滤波器结构单一，灵活性差，已不再适应多元化的通信需求，高性能的双通带/多通带滤波器才能同时满足不同频段的通信功能。为了提升差分双通带/多通带微带滤波器的性能，包括带外选择性，共模抑制度等，差分双通带/多通带微带滤波器的研究设计受到了国内外众多学者的广泛关注。

申请公布号为CN 109755703 A，名称为“一种具有高选择性的差分双频带通滤波器”的专利申请，公开了一种基于嵌套折叠均匀阻抗开口谐振环与阶梯阻抗缝隙线的差分双频滤波器，能够实现共模信号的超宽带抑制和两个差模通带。该差分双频滤波器采用L型微带线与耦合缝隙线作为馈电结构，实现了宽带共模信号抑制；采用了L型阶梯阻抗微带线的耦合结构，微带线与缝隙线的交叉耦合结构，结合嵌套折叠微带谐振器为差模信号提供了多条耦合路径，共产生了五个传输零点来提高带外选择性。但是，该发明存在的不足之处是，两个差模通带之间只有一个传输零点，较少的传输零点导致差模通带之间的带外选择性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，旨在通过增加传输零点的数量提高差模通带之间的带外选择性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，包括介质基板1，所述介质基板1的下表面印制有金属地板2，所述金属地板2上刻蚀有关于轴线A-A’镜像对称的两条阶梯阻抗缝隙线3，所述阶梯阻抗缝隙线3包括矩形缝隙线31、直线型缝隙线32和L型缝隙线33，所述矩形缝隙线31、直线型缝隙线32和L型缝隙线33的短臂位于与轴线A-A’垂直交叉的轴线B-B’上，L型缝隙线33的长臂靠近轴线A-A’，用于产生耦合，所述L型缝隙线33的长度为四分之一波长，宽度大于直线型缝隙线32；所述介质基板1的上表面印制有两个关于轴线A-A’镜像对称且开口相背的U型微带线4，用于实现馈电特性，该U型微带线4的微带底与轴线B-B’交叉；所述两个U型微带线4之间印制有微带谐振结构，所述微带谐振结构包括关于轴线A-A’镜像对称的两个阶梯阻抗谐振器5和两个阶梯阻抗微带线6；所述阶梯阻抗谐振器5采用开口环型结构，包括直线型高阻抗微带线51和与其连接的折叠型低阻抗微带线52，该阶梯阻抗谐振器5的开口面向轴线B-B’一侧，且折叠型低阻抗微带线52靠近轴线A-A’；所述阶梯阻抗微带线6包括直线型阶梯阻抗微带线61和L型微带线62，所述直线型阶梯阻抗微带线61与L型微带线62一个臂的自由端连接，形成开口面向轴线B-B’的准U型结构，所述直线型阶梯阻抗微带线61位于直线型高阻抗微带线51与L型微带线62的外侧；所述直线型缝隙线32与U型微带线4的微带底以及直线型阶梯阻抗微带线61的阶梯阻抗变换处分别形成交叉耦合。

上述基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，所述L型缝隙线33，其短臂与长臂垂直。

上述基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，所述U型微带线4，其微带底与轴线B-B’垂直交叉，两个微带臂关于轴线B-B’对称。

上述基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，所述直线型高阻抗微带线51和直线型阶梯阻抗微带线61与轴线A-A’平行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于在两个U型微带线4之间印制的两个阶梯阻抗微带线中增加了L型微带线，增强了输入与输出之间的耦合，在两个差模通带之间产生了三个传输零点，在L型微带线耦合结构，缝隙线微带线交叉耦合结构与L型缝隙线耦合结构的共同作用下，两个差模通带附近共产生了七个传输零点，克服了现有技术中传输零点较少的缺陷，在具有较强共模抑制能力的同时，有效地提高了两个差模通带之间的带外选择性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明介质基板上表面的结构示意图；

图3为本发明介质基板下表面的结构示意图；

图4为本发明的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数仿真和实测图；

图5为本发明的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数仿真和实测图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括介质基板1，所述介质基板1采用相对介电常数为2.2，大小为46.2mm×40.0mm，厚度为0.8mm的RO5880材料。

所述介质基板1的上表面的结构如图2所示，介质基板1的上表面印制有两个关于轴线A-A’镜像对称且开口相背的U型微带线4，该U型微带线4由一条与轴线B-B’垂直交叉的微带底和两条平行于轴线B-B’的微带臂组成，用于实现馈电特性，U型微带线4的微带底和两条微带臂宽度相同，均为50Ω阻抗线宽，以保证馈电端口阻抗匹配。其中U型微带线4的两条微带臂的长度L_p1＝14.0mm，宽度W_p1＝2.5mm，微带底的长度L_p2＝12.0mm，宽度W_p1＝2.5mm。

所述两个U型微带线4之间印制有微带谐振结构，所述微带谐振结构包括关于轴线A-A’镜像对称的两个阶梯阻抗谐振器5和两个阶梯阻抗微带线6。

所述阶梯阻抗谐振器5采用开口环型结构，包括直线型高阻抗微带线51和折叠型低阻抗微带线52，直线型高阻抗微带线51与轴线A-A’平行，且远离轴线B-B’一侧末端与折叠型低阻抗微带线52连接，阶梯阻抗谐振器5用来产生两个差模通带，可通过调整电长度和阻抗宽度使两个差模通带的中心频率独立可控；直线型高阻抗微带线51的长度L_r1＝14.5mm，宽度W_r1＝0.5mm，折叠型低阻抗微带线52的总长度L_r2＝29.5mm，宽度W_r2＝0.6mm，两个阶梯阻抗谐振器5的间距g₃＝1mm。

所述阶梯阻抗微带线6包括直线型阶梯阻抗微带线61和L型微带线62，直线型阶梯阻抗微带线61平行于轴线A-A’且位于直线型高阻抗微带线51与L型微带线62的外侧，包括一段高阻抗微带线和一段低阻抗微带线且阻抗变换连接点在轴线B-B’上，其低阻抗微带线的阻抗线宽大于高阻抗微带线的阻抗线宽，其高阻抗微带线与直线型高阻抗微带线51存在耦合用以传输信号，其低阻抗微带线远离轴线B-B’一侧末端与位于内侧的L型微带线62短臂的自由端连接，形成开口面向轴线B-B’的准U型结构，L型微带线62的长臂与直线型阶梯阻抗微带线61的低阻抗微带线相比较短，所述准U型结构起开路作用，保证了大部分能量可以耦合到直线型阶梯阻抗微带线61的高阻抗微带线上，L型阻抗微带线62的长臂之间存在耦合，在两个差模通带之间形成了3个传输零点，有效提高了双通带微带滤波器的带外选择性；直线型阶梯阻抗微带线61的高阻抗微带线长度L_m1＝15mm，宽度W_m1＝0.5mm，其与直线型高阻抗微带线51的耦合间距长度L_g1＝9mm,耦合间距宽度g₄＝0.45mm，直线型阶梯阻抗微带线61的低阻抗微带线长度L_m2＝10.6mm，宽度W_m2＝1mm，L型微带线总长度L_m3＝12.5mm，度宽W_m3＝0.8mm，两个L型微带线的长臂的间距g₁＝2mm。

所述介质基板1的下表面的结构如图3所示，介质基板1的下表面印制有金属地板2，所述金属地板2上刻蚀有关于轴线A-A’镜像对称的两条阶梯阻抗缝隙线3，所述阶梯阻抗缝隙线3包括矩形缝隙线31、直线型缝隙线32和L型缝隙线33，所述矩形缝隙线31、直线型缝隙线32和L型缝隙线33的短臂位于轴线B-B’上，其中，矩形缝隙线31位于U型微带线4投影的U型内侧，起开路作用；直线型缝隙32与矩形缝隙31的连接线与U型微带线4的微带底远离垂直轴线AA’的边线在金属地板2上的投影重合，产生交叉耦合，可以为差模信号提供低损耗的传输路径且有效抑制共模信号的传输；直线型缝隙线32与L型缝隙线33连接线的中心点与直线型阶梯阻抗微带线61的阶梯阻抗变换点在金属地板2上的投影重合，直线型缝隙线32与直线型阶梯阻抗微带线61的阶梯阻抗变换处产生交叉耦合，用以实现缝隙线到微带线的信号过渡；所述L型缝隙线33的长度为四分之一波长，宽度大于直线型缝隙线32，保证了直线型缝隙线32的大部分能量可以耦合到直线型阶梯阻抗微带线61上，所述L型缝隙线33的短臂与长臂垂直且长臂靠近轴线A-A’，用于产生耦合，可在低频差模通带附近形成一个传输零点，增加了双通带微带滤波器的带外选择性；所述矩形缝隙线31的长度L_s1＝8mm，宽度W_s1＝6mm，直线型缝隙线32的长度L_s2＝6mm，宽度W_s2＝0.2mm，L型缝隙线33的总长度L_s3＝14mm，宽度W_s3＝1mm，两个L型缝隙线33的长臂的间距g₂＝4.2mm。

本发明的工作原理是：信号从一侧的U型微带线4输入，其中的差模信号激励U型微带线4下方阶梯阻抗缝隙线3的直线型缝隙32的电场，差模信号沿着直线型缝隙32传输，而共模信号无法激励起直线型缝隙32的电场，故共模信号得到抑制。差模信号沿着直线型缝隙32传输，小部分信号传输到L型缝隙线33的长臂，两个L型缝隙线33的长臂之间产生耦合，在低频差模通带附近产生一个传输零点，绝大部分差模信号向上耦合到介质基板1上表面的直线型阶梯阻抗微带线61上，其中小部分信号沿着直线型阶梯阻抗微带线61的低阻抗微带线传输到L型微带线62上，两个L型微带线62的长臂之间产生耦合，在两个差模通带之间产生三个传输零点，绝大部分差模信号沿着直线型阶梯阻抗微带线61的高阻抗微带线传输，再耦合到阶梯阻抗微带谐振器5上产生两个差模通带，实现双通带滤波功能，而后差模信号以同样的方式从另一侧的U型微带线4输出。

以下结合仿真与实测实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

1.仿真与实测的条件和内容：

仿真实验采用电磁仿真软件HFSS_19.0，在2.0-7.0GHz范围内，对本发明的频率响应进行仿真，得到回波损耗S11和插入损耗S21的仿真曲线图，差模仿真结果见附图4，共模仿真结果见附图5。

实验是使用矢量网络分析仪N5230A，对本发明进行了两个测量实验。实验1测试了本发明的差模回波损耗

和差模插入损耗

实验结果见附图4。实验2测试了本发明的共模回波损耗

和共模插入损耗

实验结果见附图5。

2.仿真与实测结果分析：

附图4为一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器的差模回波损耗

和差模插入损耗

的S参数仿真与实测图，附图5中的横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为差模回波损耗与差模插入损耗，单位为dB。

附图4中的虚线表示仿真结果曲线，实线表示实测结果曲线；折线为差模回波损耗参数结果，点划线为差模插入损耗参数结果。

从附图4和附图1可以看出，由本发明的阶梯阻抗谐振器3产生两个差模通带，第一个差模通带的中心频率为2.82GHz，相对带宽为7.5％，最小差模插入损耗

为1.05dB，最大差模回波损耗

为26.9dB；第二个差模通带的中心频率为5.42GHz，相对带宽为3.3％，最小差模插入损耗

为1.88dB，最大差模回波损耗

为19.9dB；本发明可以在两个差模通带附近产生七个传输零点，第一个差模通带紧邻左侧存在一个传输零点位于2.58GHz处，第一、第二差模通带之间存在4个传输零点，分别位于3.10GHz、3.68GHz、4.60GHz、5.18GHz处，第二个差模通带右侧存在两个传输零点，分别位于5.90GHz、6.58GHz处，该七个传输零点的存在显著提高了带外选择性。

附图5为一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器的共模回波损耗

和共模插入损耗

的S参数实测图，附图5中的横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为共模回波损耗

与共模插入损耗

单位为dB。附图5中的实线表示仿真结果曲线，虚线表示实测结果曲线；点划线表示共模回波损耗，折线表示共模插入损耗。从附图5可以看出，本发明的共模回波损耗

在工作频段范围内小于等于0.3dB，共模插入损耗

大于等于40dB，从附图5可以看出，本发明的差分双频带通滤波器实现了具有良好的共模抑制能力，具有引入噪声小，抗干扰能力强的特点。

Claims (4)

1.一种基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，其特征在于，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)的下表面印制有金属地板(2)，所述金属地板(2)上刻蚀有关于轴线A-A’镜像对称的两条阶梯阻抗缝隙线(3)，所述阶梯阻抗缝隙线(3)包括矩形缝隙线(31)、直线型缝隙线(32)和L型缝隙线(33)，所述矩形缝隙线(31)、直线型缝隙线(32)和L型缝隙线(33)的短臂位于与轴线A-A’垂直交叉的轴线B-B’上，L型缝隙线(33)的长臂靠近轴线A-A’，用于产生耦合，所述L型缝隙线(33)的长度为四分之一波长，宽度大于直线型缝隙线(32)；所述介质基板(1)的上表面印制有两个关于轴线A-A’镜像对称且开口相背的U型微带线(4)，用于实现馈电特性，该U型微带线(4)的微带底与轴线B-B’交叉；所述两个U型微带线(4)之间印制有微带谐振结构，所述微带谐振结构包括关于轴线A-A’镜像对称的两个阶梯阻抗谐振器(5)和两个阶梯阻抗微带线(6)；所述阶梯阻抗谐振器(5)采用开口环型结构，包括直线型高阻抗微带线(51)和与其连接的折叠型低阻抗微带线(52)，该阶梯阻抗谐振器(5)的开口面向轴线B-B’一侧，且折叠型低阻抗微带线(52)靠近轴线A-A’；所述阶梯阻抗微带线(6)包括直线型阶梯阻抗微带线(61)和L型微带线(62)，所述直线型阶梯阻抗微带线(61)与L型微带线(62)一个臂的自由端连接，形成开口面向轴线B-B’的准U型结构，所述直线型阶梯阻抗微带线(61)位于直线型高阻抗微带线(51)与L型微带线(62)的外侧；所述直线型缝隙线(32)与U型微带线(4)的微带底以及直线型阶梯阻抗微带线(61)的阶梯阻抗变换处分别形成交叉耦合。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，其特征在于，所述L型缝隙线(33)，其短臂与长臂垂直。

3.根据权利要求1所述的基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，其特征在于，所述U型微带线(4)，其微带底与轴线B-B’垂直交叉，两个微带臂关于轴线B-B’对称。

4.根据权利要求1所述的基于阶梯阻抗谐振器的高选择性差分双通带微带滤波器，其特征在于，所述直线型高阻抗微带线(51)和直线型阶梯阻抗微带线(61)与轴线A-A’平行。

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