CN113381143A - 一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通信系统技术领域的一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法，旨在解决现有技术中微带低通滤波器的电路尺寸较大，不利于系统小型化的技术问题。包括：输入输出端口，包括输入端口和输出端口，二者均直接连接高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线，所述折叠高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线的数量均为两个。本发明中的微带低通滤波器电路结构紧凑，解决了现有技术中微带低通滤波器的电路尺寸较大，不利于系统小型化的技术问题；提高了阻带宽度和阻带抑制度，具体的，该微带低通滤波器具有覆盖至40GHz的超宽阻带，且相对阻带带宽达到了182％，阻带抑制度优于25dB，其中70％的阻带频段抑制度达到了30dB。

Description

一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法
技术领域
本发明涉及一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法，属于通信系统技术领域。
背景技术
随着高分辨率雷达系统以及高数据传输速率通信系统发展，系统对抑制谐波、杂散信号、带外噪声以及分离不同频率的有用信号的指标要求越来越高。因此，高性能微带低通滤波器已经成为雷达和通信系统的关键组成部分，覆盖毫米波段的超宽阻带特性对应用系统总体性能的提升具有极其重要的意义。
微带低通滤波器结构具有制作工艺简单、成本低、组装方便等优点。为了获得超宽阻带特性，同时保证高阻带抑制度和快速滚降速率，目前已有文献报道提出了多种有效的微带低通滤波器结构，主要包括：缺陷地结构、阶跃阻抗谐振器、短截线加载谐振器和扇形谐振器等。其中，缺陷地结构能够提高阻带带宽和阻带抑制，但是双层电路结构增加了装配复杂度，同时电路尺寸较大；基于阶跃阻抗谐振器和短截线加载谐振器实现的低通滤波器设计，通常电路结构紧凑，但是难以将阻带扩展到毫米波高端频段；扇形谐振器能够有效提高阻带带宽，但是需要多级谐振器级联设计，特有的扇形结构难以形成互偶效应，电路尺寸较大，不利于系统小型化，为此，我们提出一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微带低通滤波器及传输零点确定、频率设置方法，解决现有技术中微带低通滤波器的电路尺寸较大，不利于系统小型化技术问题。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种微带低通滤波器，包括：
输入输出端口，包括输入端口和输出端口，二者均直接连接高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线，所述折叠高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线的数量均为两个，所述加载六边形谐振器的平行耦合线由高阻抗平行耦合线和六边形谐振器组成；
折叠高阻抗传输线，连接两个加载六边形谐振器的平行耦合线；
三级级联六边形耦合谐振器，包括三个六边形耦合谐振器，且三个六边形耦合谐振器通过折叠高阻抗传输线级联起来，并利用折叠结构形成耦合缝隙；
背靠背六边形谐振器，数量为两对，且两对背靠背六边形谐振器分别位于两个高阻抗平行耦合线两侧设置，
单级六边形谐振器，数量为两个，两个所述单级六边形谐振器均与折叠高阻抗传输线连接且分别与两对背靠背六边形谐振器紧邻设置。
进一步的，所述微带低通滤波器采用Rogers4003基片加工制作。
进一步的，所述输入输出端口为直微带传输线
进一步的，所述折叠高阻抗开路枝节的总长度等于自身传输零点频率对应的四分之一波长，且整体折叠。
第二方面，本发明提供了一种传输零点个数确定方法，应用于上述任一所述的一种紧凑型超宽阻带微带低通滤波器中，包括如下步骤：
建立加载六边形谐振器的平行耦合线的LC等效电路、奇模等效电路和偶模等效电路；
利用仿真软件和计算公式确定等效集总参数值；
通过等效集总参数来表示等效电路S参数，建立S参数公式；
明确传输零点频率对应的S参数特性，代入S参数公式进行计算；
依据计算结果，将传输零点频率用集总参数来表示，确定传输零点个数，
第三方面，本发明提供了一种传输零点频率设置方法，采用上述的一种传输零点个数确定方法确定加载六边形谐振器的平行耦合线的传输零点个数，并通过调节集总参数值设置传输零点频率。
第四方面，本发明提供了一种传输零点频率设置方法，应用于上述任一所述的一种紧凑型超宽阻带微带低通滤波器中，包括如下步骤：
建立六边形耦合谐振器的LC串联接地谐振电路；
结合LC串联接地谐振电路建立输入阻抗与等效电容电感的关系公式；
通过仿真软件提取六边形耦合谐振器在不同频点处对应的输入阻抗值，再代入输入阻抗与等效电容电感的关系公式计算等效电容电感值；
通过调节等效电感和电容值设置传输零点频率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明中的微带低通滤波器电路结构紧凑，解决了现有技术中微带低通滤波器的电路尺寸较大，不利于系统小型化的技术问题；提高了阻带宽度和阻带抑制度，具体的，该微带低通滤波器具有覆盖至40GHz的超宽阻带，且相对阻带带宽达到了182％，阻带抑制度优于25dB，其中70％的阻带频段抑制度达到了30dB。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的滤波器示意图；
图2是本发明实施例一提供的加载六边形谐振器的平行耦合线LC等效电路示意图；
图3是本发明实施例一提供的加载六边形谐振器的平行耦合线奇模等效电路示意图；
图4是本发明实施例一提供的加载六边形谐振器的平行耦合线偶模等效电路示意图；
图5是本发明实施例一提供的三级级联六边形耦合谐振器的LC等效电路示意图；
图6是本发明实施例一提供的滤波器S参数仿真曲线；
图7是本发明实施例一提供的滤波器S参数实测曲线。
图中：1、输入输出端口；2、高阻抗开路枝节；3、加载六边形谐振器的平行耦合线；4、折叠高阻抗传输线；5、三级级联六边形耦合谐振器；6、背靠背六边形谐振器；7、单级六边形谐振器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
本发明实施例一提供了一种微带低通滤波器，如图1所示，包括输入输出端口1、一对高阻抗开路枝节2、一对加载六边形谐振器的平行耦合线3、折叠高阻抗传输线4、三级级联六边形耦合谐振器5、两对背靠背六边形谐振器6、一对单级六边形谐振器7。滤波器电路采用Rogers4003基片加工制作，基片厚度为0.508mm。其中，输入输出端口1为直微带传输线，传输线特性阻抗为50欧姆。输入输出端口1用于焊接50欧姆连接器，以实现电路的装配集成。输入输出端口1直接连接一对高阻抗开路枝节2，以及一对加载六边形谐振器的平行耦合线3。高阻抗开路枝节2用于在阻带过渡段增加传输零点，以提高阻带滚降速率，总长度等于自身传输零点频率对应的四分之一波长，为12.95mm，线宽为0.2mm，整体90°折叠以减小电路尺寸。折叠高阻抗传输线4连接一对加载六边形谐振器的平行耦合线3，线宽为0.15mm。三级六边形耦合谐振器5通过折叠高阻抗传输线4级联起来，并利用折叠结构在两两之间形成0.2mm的耦合缝隙。两对背靠背六边形谐振器6位于高阻抗平行耦合线两侧，一对单级六边形谐振器7紧邻背靠背六边形谐振器6，耦合缝隙为0.37mm，在不增加电路尺寸的同时，增加阻带传输零点，提高带外抑制度。
图6为S参数仿真曲线。其中，一对高阻抗开路枝节2在2.4GHz处引入传输零点，提高了阻带滚降速率；一对加载六边形谐振器的平行耦合线3在折叠高阻抗传输线4在10.5GHz、11.4GHz、13.4GHz、14.8GHz处引入传输零点，增大了阻带抑制度；三级级联六边形耦合谐振器5在3.8GHz、5.8GHz、6.9GHz处引入传输零点，增大了阻带低频段抑制度；两对背靠背六边形谐振器6以及一对单级六边形谐振器7在8GHz、12.3GHz、16.2GHz、19.5GHz、38.5GHz处引入了传输零点，增大了阻带宽度。
图7为滤波器S参数实测曲线，其中3dB截止频率为1.70GHz，插入损耗优于1.0dB，通带内回波损耗优于10dB，阻带抑制优于25dB，阻带范围为1.85GHz～40GHz，相对阻带带宽为182％，滚降速率为62dB/GHz。滤波器电路总尺寸为21.5mm×21.70mm，归一化尺寸为0.198λg×0.200λg其中λg为3dB截止频率对应导波波长。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种传输零点个数确定方法，需要说明的是，本发明以实现超宽阻带为目标，同时要保证有足够的阻带抑制度。而滤波器阻带传输零点越多，则阻带抑制度越高；各个传输零点设置频率跨度大，则阻带范围越大，才能形成超宽阻带。这里确定零点个数和频率，可以明确各个谐振器的阻带作用范围，准确地优化阻带特性。加载六边形谐振器的平行耦合线3由高阻抗平行耦合线和一个六边形谐振器组成，它的LC等效电路、奇模等效电路、偶模等效电路分别如图2、图3、图4所示。通过以下步骤可以确定加载六边形谐振器的平行耦合线3产生的零点个数并设置零点频率：
(1)利用仿真软件和计算公式确定等效电容电感等集总参数。加载六边形谐振器的平行耦合线3的LC等效电路中，Cp2和Cgd为对地电容，对地电容起到抑制高频信号的作用，对地电容和电感级联起来之后有谐振产生传输零点的作用，可以进一步提高阻带性能。Lm和Cm为等效耦合电容和电感，Lm＝KL，L为互耦电感，K为耦合系数，高阻抗平行耦合线的奇模和偶模特性阻抗、线长分别表示为Zoo、Zoe和l，工作频率表示为f，在保证线长不超过四分之一波长的情况下，可以通过公式(1)～(4)计算出不同频点对应的等效电路参数。其中，β为相位常数，利用HFSS和ADS仿真软件分析可以确定Zoo和Zoe。
Figure BDA0003098163870000061
Figure BDA0003098163870000062
Figure BDA0003098163870000063
Figure BDA0003098163870000071
(2)LC等效电路的S参数可以表示为公式(5)和公式(6)。在S参数当中S21为正向传输系数，也就是增益，S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗。其中Yo为特性导纳，ω为角频率，Yino和Yine分别为奇模和偶模导纳，可以表示为公式(7)和公式(8)；
Figure BDA0003098163870000072
Figure BDA0003098163870000073
Figure BDA0003098163870000074
Figure BDA0003098163870000075
(3)传输零点具备S21＝0特性，代入公式(5)可得：
Yine＝Yino (9)
(4)进一步将公式(9)代入公式(5)～(8)可以计算得到传输零点的频率fTZ1和fTZ2表示如下：
Figure BDA0003098163870000076
Figure BDA0003098163870000077
需要说明的是，M和N是来简化公式12和13的表示形式，无具体含义，其中：
Figure BDA0003098163870000078
Figure BDA0003098163870000079
(5)依据公式(10)～(11)可知，当平行耦合线长不超过四分之一波长时，加载六边形谐振器的平行耦合线3能够产生至少两个传输零点。
实施例三：
本发明实施例三提供了一种传输零点频率设置方法，采用上述实施例二中的一种传输零点个数确定方法确定加载六边形谐振器的平行耦合线的传输零点个数，通过调节等效电容电感值，可以设置传输零点频率，有助于准确优化设计出超宽阻带。
实施例四：
本发明实施例四提供了一种传输零点频率设置方法，三级级联六边形耦合谐振器5的LC等效电路如图5所示，其中的每一级六边形耦合谐振器都可以等效为LC串联接地谐振电路，等效电容和电感分别表示为Cp和Lp。通过以下步骤可以设计三级级联六边形耦合谐振器5传输零点频率：
(1)每一级六边形耦合谐振器的输入阻抗Zin(f1)可以表示如下，其中f1表示任一频率：
Figure BDA0003098163870000081
(2)利用HFSS仿真软件提取六边形耦合谐振器在不同频点处对应的输入阻抗值，再代入公式(14)，得到等效电容和电感值；
(3)用公式(15)计算传输零点频率值，即谐振频率，表示为f0。通过调节等效电感和电容值可以设置传输零点频率。
Figure BDA0003098163870000082
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微带低通滤波器，其特征是，包括：
输入输出端口，包括输入端口和输出端口，二者均直接连接高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线，所述折叠高阻抗开路枝节和加载六边形谐振器的平行耦合线的数量均为两个，所述加载六边形谐振器的平行耦合线由高阻抗平行耦合线和六边形谐振器组成；
折叠高阻抗传输线，连接两个加载六边形谐振器的平行耦合线；
三级级联六边形耦合谐振器，包括三个六边形耦合谐振器，且三个六边形耦合谐振器通过折叠高阻抗传输线级联起来，并利用折叠结构形成耦合缝隙；
背靠背六边形谐振器，数量为两对，且两对背靠背六边形谐振器分别位于两个高阻抗平行耦合线两侧设置，
单级六边形谐振器，数量为两个，两个所述单级六边形谐振器均与折叠高阻抗传输线连接且分别与两对背靠背六边形谐振器紧邻设置。
2.根据权利要求1所述的紧凑型超宽阻带微带低通滤波器，其特征是，所述微带低通滤波器采用Rogers4003基片加工制作。
3.根据权利要求1所述的紧凑型超宽阻带微带低通滤波器，其特征是，所述输入输出端口为直微带传输线。
4.根据权利要求1所述的紧凑型超宽阻带微带低通滤波器，其特征是，所述折叠高阻抗开路枝节的总长度等于自身传输零点频率对应的四分之一波长，且整体折叠。
5.一种传输零点个数确定方法，其特征是，应用于如权利要求1-4中任一所述的一种紧凑型超宽阻带微带低通滤波器中，包括如下步骤：
建立加载六边形谐振器的平行耦合线的LC等效电路、奇模等效电路和偶模等效电路；
利用仿真软件和计算公式确定等效集总参数值；
通过等效集总参数来表示等效电路S参数，建立S参数公式；
明确传输零点频率对应的S参数特性，代入S参数公式进行计算；
依据计算结果，将传输零点频率用集总参数来表示，确定传输零点个数。
6.一种传输零点频率设置方法，其特征是，采用如权利要求5所述的一种传输零点个数确定方法确定加载六边形谐振器的平行耦合线的传输零点个数，并通过调节集总参数值设置传输零点频率。
7.一种传输零点频率设置方法，其特征是，应用于如权利要求1-4中任一所述的一种紧凑型超宽阻带微带低通滤波器中，包括如下步骤：
建立六边形耦合谐振器的LC串联接地谐振电路；
结合LC串联接地谐振电路建立输入阻抗与等效电容电感的关系公式；
通过仿真软件提取六边形耦合谐振器在不同频点处对应的输入阻抗值，再代入输入阻抗与等效电容电感的关系公式计算等效电容电感值；
通过调节等效电感和电容值设置传输零点频率。
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