CN114389568A

CN114389568A - 一种具有等波纹响应的无反射滤波器

Info

Publication number: CN114389568A
Application number: CN202111562459.7A
Authority: CN
Inventors: 黄晓东; 牟依敏; 金秀华
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-22

Abstract

本发明公开了一种具有等波纹响应的无反射滤波器，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，以及设置在第一端口和第二端口之间的第一低通支路、设置在第一端口和第三端口之间的第一高通支路、设置在第三端口和第四端口之间的第二低通支路、设置在第二端口和第四端口之间的第二高通支路，所述第一低通支路与第二低通支路结构相同，所述第一高通支路和第二高通支路结构相同；所述第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线。本发明通过搭建滤波特性完全互补的低通支路与高通支路，任一端口对其相邻两端口的传输响应分别互补，可以有效降低阻带反射信号带来的影响。

Description

一种具有等波纹响应的无反射滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，特别涉及一种具有等波纹响应的无反射滤波器。

背景技术

滤波器是一种电子器件，广泛应用于各种电子系统中，作用是让信号中需要的频率成分通过，其他频率成本被减弱。现有比较常见的滤波器采用的滤波方式大多是反射滤波，当反射滤波器与信号源阻抗不能匹配时，一部分能量会被反射回信号源，干扰电平也会因此增强。为避免反射信号带来的不良影响，研究人员开始研究反射滤波器，干扰信号通过无反射滤波器后其电磁能量被转化为热能而消耗掉，达到无反射滤波的效果。滤波器的滤波响应会对系统性能产生重大影响，对其性能要求也因此提高。现有的无反射滤波器无法控制其产生的响应，更无法保证在传输端产生等波纹响应，导致现有无反射滤波器通带内不够平坦，通带外抑制也不够均匀，滤波性能较差。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种具有等波纹响应的无反射滤波器，通过搭建滤波特性完全互补的低通支路与高通支路，有效降低阻带反射信号带来的影响。

技术方案：本发明的一种具有等波纹响应的无反射滤波器，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口，以及设置在第一端口和第二端口之间的第一低通支路、设置在第一端口和第三端口之间的第一高通支路、设置在第三端口和第四端口之间的第二低通支路、设置在第二端口和第四端口之间的第二高通支路，所述第一低通支路与第二低通支路结构相同，所述第一高通支路和第二高通支路结构相同；所述第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线；

所述第一低通支路包括多个串联的第一电感，相邻两个第一电感之间设置第一支路，所述第一支路包括串联连接的第二电感和第三电容，其中第二电感一端连接第一电感，第二电感另一端连接第三电容，第三电容另一端接地；

所述第一高通支路包括多个串联的第一电容，相邻两个第一电容之间设置第二支路，所述第二支路包括串联连接的第二电容和第三电感，所述第二电容一端连接第一电容，第二电容另一端连接第三电感，第三电感另一端接地；

所述第一电容和第一电感数量相同。

进一步，所述无反射滤波器还包括反相器，所述反相器串联至环路主线上的任意位置。

进一步，所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口依次与环路主线的四个公共点连接。

进一步，四个端口中包括一个输入端口和三个输出端口，其中输入端口为任意一端口。

进一步，第一高通支路和第二高通支路的拓扑结构和元件值分别由第一低通支路和第二低通支路转换得出，第一电容归一化元件值为第一电感归一化元件值倒数，第二电容的归一化元件值为第二电感归一化元件值倒数，第三电感归一化元件值为第三电容归一化元件值倒数。

进一步，第一支路的数量大于2时，相邻两个第一支路的两个第二电感之间串联电容，相邻两个第二支路的两个第二电容之间串联电感。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明通过搭建滤波特性完全互补的低通支路与高通支路，任一端口对其相邻两端口的传输响应分别互补，可以有效降低阻带反射信号带来的影响；

2、本发明的滤波器适用于频率变换及阻抗变换功能，以适合其他频率和传输响应的实现；

3、本发明的滤波器可以产生等波纹响应；使通带内响应更平坦，通带外抑制更均匀，具有更好的滤波效果；

4、经过阻抗变换之后，滤波器可以适用于其他端口阻抗的场合；

5、本发明的滤波器拓扑结构具有高阶拓展性，通过增加级数提高滤波器抑制水平。

附图说明

图1为实施例1无反射滤波器电路原理图；

图2为实施例1无反射滤波器的特性曲线图：(a)为传输系数，(b)为反射系数；

图3为实施例2无反射滤波器电路原理图；

图4为实施例2无反射滤波器的特性曲线图：(a)为传输系数，(b)为反射系数；

图5为实施例3无反射滤波器电路原理图；

图6为实施例3无反射滤波器的特性曲线图：(a)为传输系数，(b)为反射系数；

图7为实施例4无反射滤波器电路原理图；

图8为实施例5无反射滤波器电路原理图。

具体实施方式

实施例1

一种三阶的具有等波纹响应的无反射滤波器，原理图如图1所示，包括第一端口101、第二端口102、第三端口103、第四端口104、四个第一电感105、两个第二电感106、四个第一电容107、两个第二电容108、两个第三电容109、两个第三电感1010、反相器1011。

两个第一电感105串联在第一端口101和第二端口102之间，两个第一电感105之间设置了第一支路，第一支路包括串联连接的第二电感106和第三电容109，第二电感106的一端连接第一电感105，第二电感106的另一端连接第三电容109，第三电容109的另一端接地，构成第一低通支路。第二低通支路与第一低通支路结构相同且对称设置在本滤波器电路中，第二低通支路设置在第三端口103和第四端口104之间。

两个第一电容107串联在第一端口101和第三端口103之间，两个第一电容107之间设置了第二支路，第二支路包括串联连接的第二电容108和第三电感1010，第二电容108的一端连接第一电容107，第二电容108的另一端连接第三电感1010，第三电感1010的另一端接地，构成第一高通支路。第二高通支路与第一高通支路结构相同且对称设置在本滤波器电路中，第二高通支路设置在第二端口102和第四端口104之间。

第一高通支路和第二高通支路的拓扑结构和元件值可由对应低通支路转换得出，第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线。第一端口101、第二端口102、第三端口103、第四端口104依次与环路主线的四个公共点连接，确保每个端口的两侧分别为一个低通支路和一个高通支路，低通支路用于进行低通滤波，高通支路用于进行高通滤波。反相器1011串联在第二高通支路上，反相器1011一端连接第一电容107，反相器1011另一端连接第二端口102。

四个第一电感105的元件值相同，两个第二电感106的元件值相同，四个第一电容107的元件值相同，两个第二电容108的元件值相同，两个第三电容109的元件值相同，两个第三电感1010的元件值相同。

为了将阻带反射信号完全消耗掉，本实施例中低通支路的滤波特性与高通支路的滤波特性完全互补，具有相同的截止频率。一旦低通支路的拓扑和元件值确定下来，高通支路的对应项也能唯一确定。第一电容107的归一化元件值为第一电感105归一化元件值的倒数，第二电容108的归一化元件值为第二电感106归一化元件值的倒数，第三电感1010的归一化元件值为第三电容109归一化元件值的倒数。本实施例通过软件计算得到各元件的元件值，通过调整第一电感105、第二电感106、第一电容107、第二电容108、第三电容109、第三电感1010的元件值，在满足信号反射系数S11恒等于0的情况下，得到不同的信号传输系数S21曲线图，从中筛选出具有等波纹响应的无反射滤波器结构；本实施例的第一端口101、第二端口102、第三端口103和第四端口104的阻抗值均为1Ohm，第一电感105、第二电感106、第一电容107、第二电容108、第三电容109、第三电感1010的元件值随着截止频率的改变而改变。在本实施例中，采用如下元件值：四个第一电感105的电感值均为203.3364pH，四个第一电容107的电容值均为124.5734pF，两个第二电感106的电感值均为59.1285pH，两个第二电容108的电容值均为428.3939pF，两个第三电容109的电容值均为203.3344pF，两个第三电感1010电感值均为124.5746pH。本实施例将无反射滤波器的中心频率设为1GHz，将第一端口101作为输入端口，其余三个端口作为输出端口。

利用ADS仿真软件，对本实施例的电路原理图进行模拟仿真，以第一端口101为例，得到的S参数曲线如图2所示，图2(a)中S21和S31为信号传输系数，图2(b)中S11为信号反射系数。从图2(a)中可以看出，曲线S21满足等波纹响应，且呈现出低通特性，曲线S31也满足等波纹响应，且呈现出高通特性。根据能量守恒定律以及互补的拓扑结构，S31为与S21的互补的高通结构。此外，图2(b)可以看到S11所呈现的反射系数已经下降到-100dB左右，已经能够近似看作不存在反射，能够有效减小阻带反射信号带来的影响。反相器可以使不相邻的端口在理想情况下完全隔离，所以S41在全频带内均为零。根据对称性，其他三个端口的传输、反射与隔离特性均与第一端口101相同。

实施例2

一种五阶的具有等波纹响应的无反射滤波器，原理图如图3所示，本实施例中的电路结构包括第一端口101、第二端口102、第三端口103、第四端口104、四个第一电感105、四个第二电感106、四个第三电感1010、两个第四电感1012、四个第一电容107、四个第二电容108、四个第三电容109、两个第四电容1013、反相器1011。

三个电感串联在第一端口101和第二端口102之间，两个第一电感105和第四电感1012之间各设置了第一支路，第一支路包括串联连接的第二电感106和第三电容109，第二电感106的一端连接第一电感105，第二电感106的另一端连接第三电容109，第三电容109的另一端接地，构成第一低通支路。其中第一电感105和第四电感1012可以相同或者不同。第二低通支路与第一低通支路结构相同且对称设置在本滤波器电路中，第二低通支路设置在第三端口103和第四端口104之间。

三个电容串联在第一端口101和第三端口103之间，两个第一电容107分别和第四电容1013之间设置了第二支路，第二支路包括串联连接的第二电容108和第三电感1010，第二电容108的一端连接第一电容107，第二电容108的另一端连接第三电感1010，第三电感1010的另一端接地，构成第一高通支路。其中第一电容107和第四电容1013可以相同或者不同。第二高通支路与第一高通支路结构相同且对称设置在本滤波器电路中，第二高通支路设置在第二端口102和第四端口104之间。

本实施例将无反射滤波器结构的中心频率设为1GHz，将第一端口101作为输入端口，其余三个端口作为输出端口，图3上部为第一低通支路，下部为第二低通支路，左侧为第一高通支路，右侧为第二高通支路，低通支路进行低通滤波，高通支路进行高通滤波。反相器1011串联在第二高通支路上，反相器1011一端连接第一电容107，反相器1011另一端连接第二端口102。

本实施例各元件的元件值分别为：四个第一电感105的电感值均为81.4873pH，四个第一电容107的电容值均为310.8495pF，两个第四电感1012的电感值均为-97.7081pH，两个第四电容1013的电容值均为-259.2614pF，四个第二电感106电感值均为-18.9737pH，四个第二电容108的电容值均为-1.335nF，四个第三电容109的电容值均为-356.7041pF，四个第三电感1010的电感值均为-71.0121pH。

利用ADS仿真软件，对本实施例的电路原理图进行模拟仿真，得到的S参数曲线如图4所示，图4(a)中S21，S31为信号传输系数，图4(b)中S11为信号反射系数，从图4中看出，曲线S21，S31满足等波纹响应；反射系数已经下降到-110dB左右，可以近似看作不存在反射。

实施例3

一种五阶加电容的具有等波纹响应的无反射滤波器，原理图如图5所示，本实施例在实施例2的电路基础上，在低通支路上另外再设置了第五电容1014，在高通支路上另外再设置了第五电感1015，在每一个低通支路中第五电容1014两端分别与两个第一支路中的第二电感106端连接，在每一个高通支路中第五电感1015的两端分别与两个第二支路中第二电容108端连接。

本实施例各元件的元件值为：四个第一电感105的电感值均为365.2606pH，四个第一电容107的电容值均为69.3486pF，两个第四电感1012的电感值均为386.9423pH，两个第四电容1013的电容值均为65.4627pF，四个第二电感106的电感值均为-144.2225pH，四个第二电容108的电容值均为-175.6334pF，四个第三电容109的电容值均为466.7585pF，四个第三电感1010的电感值均为54.2685pH，两个第五电容1014的电容值均为44.1466pF，两个第五电感1015的电感值均为573.7773pH。

利用ADS仿真软件，对本实施例的电路原理图进行模拟仿真，得到的S参数曲线如图6所示，图6(a)中S21，S31为信号传输系数，图6(b)中S11为信号反射系数，从图6中可以看出，曲线S21，S31满足等波纹响应。反射系数已经下降到-110dB左右，可以近似看作不存在反射，上述极低的反射是由于数值误差引起的。

实施例4

通过比较图1和图3中的无反射滤波器结构，可以得出结论，当网络拓扑向更高阶拓延时，能够获得更高阶的响应，图7给出了一种n阶(n为大于3的奇数)的具有等波纹响应的无反射滤波器结构，包括第一端口101、第二端口102、第三端口103、第四端口104、四个第一电感L1、四个第二电感L2、四个第三电感L3、……、四个第(n-3)/2电感L[(n-3)/2]、两个第(n-1)/2电感L[(n-1)/2]、四个第(n+1)/2电感L[(n+1)/2]、四个第(n+3)/2电感L[(n+3)/2]……四个第n-2电感L[n-2]、四个第n-1电感L[n-1]、……、四个第(3n-7)/2电感L[(3n-7)/2]、四个第一电容C1、四个第二电容C2、四个第三电容C3、……、四个第(n-3)/2电容C[(n-3)/2]、四个第(n+1)/2电容C[(n+1)/2]、四个第(n+3)/2电容C[(n+3)/2]、……、四个第n-2电容C[n-2]、四个第n-1电容C[n-1]、……、四个第(3n-7)/2电容C[(3n-7)/2]、反相器1011；每两个第(n-3)/2电感L[(n-3)/2]在一个第(n-1)/2电感L[(n-1)/2]两侧与其进行串联，两个第(n-5)/2电感L[(n-5)/2]、两个第(n-7)/2电感L[(n-7)/2]、……、两个第一电感L1依次串联在两侧，在第(n-1)/2电感L[(n-1)/2]与第(n-3)/2电感L[(n-3)/2]的中间连接上第n-2电感L[n-2]和第(3n-7)/2电容C[(3n-7)/2]的串联支路、第(n-3)/2电感L[(n-3)/2]与第(n-5)/2电感L[(n-5)/2]的中间连接上第n-1电感C[n-1]和第(3n-5)/2电容C[(3n-5)/2]的串联支路、……、第一电感L1与第二电感L2的中间连接上第(n+1)/2电感L[(n+1)/2]和第n-1电容C[n-1]的串联支路，构成第一低通支路和第二低通支路；每两个第(n-3)/2电容C[(n-3)/2]在一个第(n-1)/2电容C[(n-1)/2]两侧与其进行串联，两个第(n-5)/2电容C[(n-5)/2]、两个第(n-7)/2电容C[(n-7)/2]、……、两个第一电容C1依次串联在两侧，在第(n-1)/2电容C[(n-1)/2]与第(n-3)/2电容C[(n-3)/2]的中间连接上第n-2电容C[n-2]和第(3n-7)/2电感L[(3n-7)/2]的串联支路、第(n-3)/2电容L[(n-3)/2]与第(n-5)/2电容C[(n-5)/2]的中间连接上第n-1电容C[n-1]和第(3n-5)/2电感L[(3n-5)/2]的串联支路、……、第一电容C1与第二电容C2的中间连接上第(n+1)/2电容C[(n+1)/2]和第n-1电感L[n-1]的串联支路，构成第一高通支路和第二高通支路；根据互补原理，第一高通支路和第二高通支路的拓扑结构和元件值可由对应低通支路转换得出；第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线。为了满足理想隔离条件，将反相器1011串联至环路主线上的任意位置；第一端口101、第二端口102、第三端口103、第四端口104依次与环路主线的四个公共点连接。

实施例5

采用与图5相似的网络进行拓延时，得到一种加电容的高阶无反射等波纹滤波器结构的示意图，原理如图8所示。本实施例中的一种n阶(n为大于3的奇数)加电容的具有等波纹响应的无反射滤波器结构，在实施例4的基础上在每个低通支路另外设置了电容，在每个高通支路另外设置了电感。在第一低通支路中，电容C[(3n-5)/2]并联在电感L2两端，电容C[(3n-3)/2]并联在电感L3两端，……，电容C[(2n-5)]并联在电感L[(n-1)/2]两端。在第一高通支路中，电感L[(3n-5)/2]并联在电容C2两端，电感L[(3n-3)/2]并联在电容C3两端，……，电感L[(2n-5)]并联在电容C[(n-1)/2]两端。第二低通支路与第一低通支路结构相同，第二高通支路与第一高通支路结构相同。第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线。

Claims

1.一种具有等波纹响应的无反射滤波器，其特征在于，包括第一端口(101)、第二端口(102)、第三端口(103)、第四端口(104)，以及设置在第一端口(101)和第二端口(102)之间的第一低通支路、设置在第一端口(101)和第三端口(103)之间的第一高通支路、设置在第三端口(103)和第四端口(104)之间的第二低通支路、设置在第二端口(102)和第四端口(104)之间的第二高通支路，所述第一低通支路与第二低通支路结构相同，所述第一高通支路和第二高通支路结构相同；所述第一低通支路、第一高通支路、第二低通支路、第二高通支路依次首尾连接，组成一个闭环结构的环路主线；

所述第一低通支路包括多个串联的第一电感(105)，相邻两个第一电感(105)之间设置第一支路，所述第一支路包括串联连接的第二电感(106)和第三电容(109)，其中第二电感(106)一端连接第一电感(105)，第二电感(106)另一端连接第三电容(109)，第三电容(109)另一端接地；

所述第一高通支路包括多个串联的第一电容(107)，相邻两个第一电容(107)之间设置第二支路，所述第二支路包括串联连接的第二电容(108)和第三电感(1010)，所述第二电容(108)一端连接第一电容(107)，第二电容(108)另一端连接第三电感(1010)，第三电感(1010)另一端接地；

所述第一电容(107)和第一电感(105)数量相同。

2.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其特征在于，该无反射滤波器还包括反相器(1011)，所述反相器(1011)串联至环路主线上的任意位置。

3.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其特征在于，所述第一端口(101)、第二端口(102)、第三端口(103)、第四端口(104)依次与环路主线的四个公共点连接。

4.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其特征在于，四个端口中包括一个输入端口和三个输出端口，其中输入端口为任意一端口。

5.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其特征在于，第一高通支路和第二高通支路的拓扑结构和元件值分别由第一低通支路和第二低通支路转换得出，第一电容(107)归一化元件值为第一电感(105)归一化元件值倒数，第二电容(108)的归一化元件值为第二电感(106)归一化元件值倒数，第三电感(1010)归一化元件值为第三电容(109)归一化元件值倒数。

6.根据权利要求1所述的无反射滤波器，其特征在于，第一支路的数量大于2时，在每个低通支路中相邻两个第一支路的两个第二电感(106)之间串联电容，在每个高通支路中相邻两个第二支路的两个第二电容(108)之间串联电感。