CN113067112B - 闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器 - Google Patents

闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其包括五阶低通电路结构、以及分别设置在所述五阶低通电路结构两端的第一闭环交叉耦合微带电路和第二闭环交叉耦合微带电路。本发明采用两个闭环交叉耦合微带电路和一个五阶低通电路结构形成高温超导低通滤波器，利用五阶低通电路结构实现陡峭的带外抑制低通特性，利用闭环交叉耦合微带电路实现超宽阻带特性，解决了上阻带的抑制度和上边带滚降率问题，实现了小型化、超宽阻带、高带外抑制低通滤波器，从而满足射频前端电路系统的应用需求。

Description

闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器
技术领域
本发明涉及微波电路技术领域，具体涉及一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器。
背景技术
低通滤波器在消除射频/微波前端电路非线性产生的谐波和杂散等混频产物中起到重要的作用，也被广泛应用在直接变频无线通信电路的中频系统中。另外，低通滤波器的发展为设计高-低通级联模式的超宽带滤波器提供了基础。小型化、低通带插入、高阻带抑制和优良的边带滚降率是无源低通滤波器设计中需要考虑的重要因素。
一方面，若采用缺陷接地结构设计宽阻带低通滤波器，可以实现低通的小型化，然而，缺陷接地结构微带线由于接地部分开路而带来附加辐射，该缺点会给设计在低通中引入较大的插入损耗。另一方面，微带线技术以其低成本的制作工艺和多功能的特点，被广泛应用于微波无源和有源器件的实现。通过级联多阶T型、Z型、H型等不同形状的阶梯阻抗结构，可以实现微带低通滤波器的小型化和高带外抑制特性设计，但是小型化，低插入损耗与阶数是成反比的，不可以兼得的。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种实现低插入损耗、小型化、高带外抑制的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，包括五阶低通电路结构、以及分别设置在所述五阶低通电路结构两端的第一闭环交叉耦合微带电路和第二闭环交叉耦合微带电路；所述五阶低通电路结构包括级联的第一扇形枝节、第一T形枝节、蝶形枝节、第二T形枝节和第二扇形枝节。
该方案的有益效果是：采用两个闭环交叉耦合微带电路和一个五阶低通电路结构形成高温超导低通滤波器，利用五阶低通电路结构实现陡峭的带外抑制低通特性，利用闭环交叉耦合微带电路实现超宽阻带特性，解决了上阻带的抑制度和上边带滚降率问题，实现了小型化、超宽阻带、高带外抑制低通滤波器，从而满足射频前端电路系统的应用需求。
进一步地，所述第一扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
进一步地，所述第一T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
进一步地，所述蝶形枝节采用由高阻抗微带线和蝶形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
进一步地，所述第二T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
进一步地，所述第一扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
该进一步方案的有益效果是：采用紧凑型的两个扇形枝节、一个蝶形枝节和两个T型枝节通过高阻抗线级联组成5阶紧凑型低通滤波器，可以引入五个独立可控的传输零点，并且可以简单的实现传输零点的控制，可以用来获得陡峭的带外抑制或者比较宽的上阻带。
进一步地，所述第一闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线、以及设置在两条低阻抗耦合微带线两端形成闭环的第一高阻抗耦合微带线和第二高阻抗耦合微带线，所述第一低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第一传输端口，所述第二高阻抗耦合微带线的端部位置设置有第二传输端口。
进一步地，所述第一高阻抗耦合微带线和第二高阻抗耦合微带线均采用分别与第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线的端部连接的折叠交叉耦合结构，且折叠交叉耦合结构之间连通。
进一步地，所述第二闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线、以及设置在两条低阻抗耦合微带线两端形成闭环的第三高阻抗耦合微带线和第四高阻抗耦合微带线，所述第三低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第一传输端口，所述第四高阻抗耦合微带线的端部位置设置有第二传输端口。
进一步地，所述第三高阻抗耦合微带线和第四高阻抗耦合微带线均采用分别与第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线的端部连接的折叠交叉耦合结构，且折叠交叉耦合结构之间连通。
该进一步方案的有益效果是：采用高低阻抗线实现闭环交叉耦合结构，减小了闭环交叉耦合的微带电路的尺寸，实现低通滤波上边带的超宽阻带，在1.1fc～11fc频段内能够实现频率传输函数(S21)大于30dB的抑制。
附图说明
图1为本发明的一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器结构示意图；
图2为本发明的五阶低通电路结构示意图；
图3为本发明的五阶低通电路结构频率响应曲线示意图；
图4为本发明的第一闭环交叉耦合微带电路结构示意图；
图5为本发明的高阻抗耦合微带线放大示意图；
图6为本发明的第一闭环交叉耦合微带电路的LC等效结构示意图；
图7为本发明的第一闭环交叉耦合微带电路的LC与仿真频率响应曲线对比图；
图8为本发明的频率响应曲线测试结果与仿真结果对比图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明实施例提供了一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，包括五阶低通电路结构、以及分别设置在五阶低通电路结构两端的第一闭环交叉耦合微带电路和第二闭环交叉耦合微带电路；五阶低通电路结构包括级联的第一扇形枝节、第一T形枝节、蝶形枝节、第二T形枝节和第二扇形枝节。
在本实施例中，五阶低通电路结构中的第一扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构，从而具有阶梯阻抗的特性。其中高阻抗微带线采用折线形结构，扇形低阻抗微带线采用扇形结构。
五阶低通电路结构中的第一T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构，从而具有阶梯阻抗的特性。其中高阻抗微带线采用矩形结构，T形低阻抗微带线采用T字折线形结构。
五阶低通电路结构中的蝶形枝节采用由高阻抗微带线和蝶形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构，从而具有阶梯阻抗的特性。其中高阻抗微带线采用折线形结构，蝶形低阻抗微带线采用蝶形结构。
五阶低通电路结构中的第二T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构，从而具有阶梯阻抗的特性。其中高阻抗微带线采用与第一T形枝节尺寸不同的矩形结构，T形低阻抗微带线采用T字折线形结构。
五阶低通电路结构中的第二扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构，从而具有阶梯阻抗的特性。其中高阻抗微带线采用折线形结构，扇形低阻抗微带线采用与第一扇形枝节尺寸不同的扇形结构。
五阶低通电路结构采用上述两个扇形枝节、一个蝶形枝节和两个T形枝节组成，可以实现五个传输零点，当枝节的高阻抗线或者低阻抗线的尺寸不同时，传输零点的位置不同，从而实现传输零点位置的控制，获得陡峭的带外抑制低通特性或比较宽的上阻带。
如图2所示，第一扇形枝节中高阻抗微带线的长度d1＝4.17mm，扇形低阻抗微带线的角度为150°，半径r1＝1.10mm；第一T形枝节中高阻抗微带线的高度h1＝2.87mm，宽度w1＝1.00mm，T形低阻抗微带线的一端长度d2＝5.4mm；蝶形枝节中高阻抗微带线的长度d3＝5.42mm，蝶形低阻抗微带线的角度为120°，半径r2＝1.37mm；第二T形枝节中高阻抗微带线的高度h2＝3.21mm，宽度w2＝1.30mm，T形低阻抗微带线的一端长度d4＝3.46mm；第二扇形枝节中高阻抗微带线的长度d5＝3.34mm，扇形低阻抗微带线的角度为150°，半径r3＝1.10mm；各个枝节之间的间距分别设置为l1＝1.80mm、l2＝0.43mm、l3＝6.68mm、l4＝7.71mm、l5＝0.56mm、l6＝2.16mm。
如图3所示，为五阶低通电路的仿真曲线，其中横坐标为频率单位：(GHz)，纵坐标表示S参数(单位：dB)。图中显示出该五阶低通电路可以实现DC～2GHz的通带，截至频率为2GHz。在2～5GHz内，传输函数(S21)的5个传输零点合理分布，既保证了良好的滚降特性，又保证了良好的上阻带。该上阻带设置为2～5GHz，可以与图4中的频率响应5GHz～23.5GHz结合，实现连续的超宽上阻带。
在本实施例中，第一闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的结构相同的第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线，两条低阻抗耦合微带线之间实现交叉耦合；以及设置在两条低阻抗耦合微带线两端形成闭环的结构相同的第一高阻抗耦合微带线和第二高阻抗耦合微带线，内部实现了相互交叉耦合；第一低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第一传输端口，作为信号输入/输出端，第二高阻抗耦合微带线的端部位置设置有第二传输端口，作为信号输入/输出端。
其中第一高阻抗耦合微带线和第二高阻抗耦合微带线均采用分别与第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线的端部连接的等宽度微带线或不等宽度微带线的折叠交叉耦合结构，且折叠交叉耦合结构之间连通，使得第一闭环交叉耦合微带电路形成闭环结构。
第二闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的结构相同的第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线，两条低阻抗耦合微带线之间实现交叉耦合；以及设置在两条低阻抗耦合微带线两端形成闭环的第三高阻抗耦合微带线和第四高阻抗耦合微带线，内部实现了相互交叉耦合；第三低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第一传输端口，作为信号输入/输出端，第四高阻抗耦合微带线的端部位置设置有第二传输端口，作为信号输入/输出端。
其中第三高阻抗耦合微带线和第四高阻抗耦合微带线均采用分别与第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线的端部连接的等宽度微带线或不等宽度微带线的折叠交叉耦合结构，且折叠交叉耦合结构之间连通，使得第二闭环交叉耦合微带电路形成闭环结构。
第一闭环交叉耦合微带电路和第二闭环交叉耦合微带电路减小了闭环交叉耦合的微带电路的尺寸，实现低通滤波上边带的超宽阻带，在1.1fc～11fc频段内能够实现频率传输函数(S21)大于30dB的抑制，从而实现超宽阻带的特性。
如图4和图5所示，以第一闭环交叉耦合微带电路为例，第一闭环交叉耦合微带电路由输入输出端和高低阻抗线组成，其中输入输出端口，相同尺寸的低阻抗线，相同的高阻抗线；高阻抗线部分放大的视图由宽带为0.02mm的微带线折叠组成；折叠微带线之间的距离为0.05mm；低阻抗线之间的距离为0.5mm。
如图6所示，Lc11、Lc12、Cc1组成C1，C1等效为图4中右侧长度是W3的低阻抗线；Lc21、Lc22、Cc2组成C2，C2等效为图4中左侧长度是W3的低阻抗线；Lc31、Lc32、Cc3组成C3，Lc41、Lc42、Cc4组成C4等效，C3和C4共同等效为图4中的低阻抗线；LL1、CL1组成L1，L1等效为图4中的高阻抗线，LL2、CL2组成L2，L2等效为图4中的高阻抗线；k1和k2表示低阻抗线之间的交叉耦合。Li和Ci等效为图4中的输入微带线8；Lo和Co等效为图4中的输出微带线9。
如图7所示，图中横坐标为频率单位：(GHz)，纵坐标表示S参数(单位：dB)。图中显示出图2闭环交叉耦合的微带电路，从5GHz扩展到23.5GHz阻带的衰减电平小于18dB，能够实现超宽阻带特性。
本发明将设计的滤波器在厚度为0.5mm、介电常数为9.8的双面高温超导薄膜上制作，然后采用黄铜屏蔽盒子进行封装，通过SMA连接器进行连接，在77K的低温真空环境下测试，实现了一个截止频率为2GHz的低通滤波器。
如图8所示，图中横坐标为频率单位：(GHz)，纵坐标表示S11(单位：dB)。图中显示出本发明超导滤波的通带频段(|S11|≤-19.5dB)为DC～2.0GHz(戒指频率fc为2.0GHz)，通带内的插入损耗小于0.2dB，在2～2.085GHz范围内传输函数变化为1～4dB，边带滚降大于390dBc/GHz，从2.08GHz扩展到23.5GHz阻带的衰减电平小于30dB。该高温超导低通滤波器实现了优良带外抑制、极小的插入损耗、超宽的阻带，当应用于微波电路系统中，可以很好的抑制过渡带和阻带内的干扰信号。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，包括五阶低通电路结构、以及分别设置在所述五阶低通电路结构两端的第一闭环交叉耦合微带电路和第二闭环交叉耦合微带电路；所述五阶低通电路结构包括级联的第一扇形枝节、第一T形枝节、蝶形枝节、第二T形枝节和第二扇形枝节；所述第一闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线、设置在所述第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线同一侧的第一高阻抗耦合微带线、以及设置在所述第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线同另一侧的第二高阻抗耦合微带线，所述第一高阻抗耦合微带线、第一低阻抗耦合微带线、第二高阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线形成闭环；所述第一低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第一传输端口，所述第二高阻抗耦合微带线的端部位置设置有与所述第一扇形枝节连接的第二传输端口；所述第一高阻抗耦合微带线采用与第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线同一侧连接的折叠交叉耦合结构，所述第二高阻抗耦合微带线采用与第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线同另一侧连接的折叠交叉耦合结构；所述第二闭环交叉耦合微带电路包括平行设置的第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线、设置在所述第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线同一侧的第三高阻抗耦合微带线、以及设置在所述第一低阻抗耦合微带线和第二低阻抗耦合微带线同另一侧的第四高阻抗耦合微带线，所述第三高阻抗耦合微带线、第三低阻抗耦合微带线、第四高阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线形成闭环；所述第三低阻抗耦合微带线的中部位置设置有第三传输端口，所述第四高阻抗耦合微带线的端部位置设置有与所述第二扇形枝节连接的第四传输端口；所述第三高阻抗耦合微带线采用与第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线同一侧连接的折叠交叉耦合结构，所述第四高阻抗耦合微带线采用与第三低阻抗耦合微带线和第四低阻抗耦合微带线同另一侧连接的折叠交叉耦合结构。
2.根据权利要求1所述的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，所述第一扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
3.根据权利要求1所述的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，所述第一T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
4.根据权利要求1所述的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，所述蝶形枝节采用由高阻抗微带线和蝶形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
5.根据权利要求1所述的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，所述第二T形枝节采用由高阻抗微带线和T形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
6.根据权利要求1所述的闭环交叉耦合微带结构的超宽阻带高温超导低通滤波器，其特征在于，所述第一扇形枝节采用由高阻抗微带线和扇形低阻抗微带线组成的阶梯阻抗结构。
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