CN114709577A - 一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，包括介质基板、设于所述介质基板下层的金属地板以及设于所述介质基板上层的微带线结构，所述微带线结构包括第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元和两条微带线；所述第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元均包括一段矩形微带线框和由金丝连接的平行微带线，相邻谐振单元间平行微带线形成四线交指耦合结构。本发明首次在四阶交叉耦合滤波器中构造四线交指耦合结构，与传统四阶交叉耦合滤波器相比，这种结构提高了滤波器性能，实现了耦合紧密度增强、带宽增加，并且在保持良好性能的同时进一步小型化，提高了滤波器的集成度。

Description

一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器。
背景技术
随着现代无线通信技术的飞速发展，作为划分信道、筛选信号器件的滤波器在通信过程中起着至关重要的作用。在射频微波领域中，采用波导、微带、腔体等多种方式实现滤波。腔体滤波器虽然插损小，Q值高，但其成本较高；波导滤波器的尺寸通常较大，因而容易在实际应用中受到限制；与之相比，微带滤波器具有结构紧凑，容易实现，选频特性独特等优点，因此被广泛地应用于微波集成电路。
目前，微带带通滤波器通常设计成耦合微带滤波器，大部分的耦合微带滤波器都设计用于低频工作。从理论上讲，可以在任何频段设计微带滤波器，但是随着频率的提高，耦合微带线的距离越来越近，生产起来也会越来越困难。由于传统的窄带系统已不能适应实际应用的需求，所以具有大容量、高速率、低功耗等优点的宽带甚至超宽带无线通信技术已逐渐成为学术界关注的焦点。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的问题，提供一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，通过在四阶交叉耦合滤波器中使相邻谐振单元间平行微带线形成四线交指耦合结构解决了宽带带通滤波器所要求的结构简单、易于加工、性能良好、工作带宽大、有较好的带外特性的问题。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，包括介质基板、设于所述介质基板下层的金属地板以及设于所述介质基板上层的微带线结构，所述微带线结构包括第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元和两条微带线，所述第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元分别按左上、左下、右下和右上的顺序进行排列，形成方形结构；所述两条微带线分别连接第一谐振单元、第四谐振单元作为输入端和输出端；
所述第一谐振单元包括矩形微带线框一和平行微带线段一，所述平行微带线段一由金丝连接；所述第二谐振单元包括矩形微带线框二、平行微带线段二、平行微带线段三，所述平行微带线段二和平行微带线段三均由金丝连接；所述第一谐振单元的平行微带线段一和第二谐振单元的平行微带线段二形成四线交指耦合结构；
所述第三谐振单元包括矩形微带线框三、平行微带线段四、平行微带线段五，所述平行微带线段四和平行微带线段五均由金丝连接；所述第二谐振单元的平行微带线段三与所述第三谐振单元的平行微带线段五形成四线交指耦合结构；所述第四谐振单元包括矩形微带线框四；
所述第四谐振单元包括矩形微带线框四、平行微带线段六，所述平行微带线段六由金丝连接；所述第三谐振单元的平行微带线段四与所述第四谐振单元的平行微带线段六形成四线交指耦合结构。
优选的，所述第一谐振单元微带线和第四谐振单元的微带线镜面对称；所述第二谐振单元微带线和第三谐振单元微带线镜面对称。
优选的，所述形成的四线交指耦合结构均利用金线连接，且线宽、间距相同，根据交叉耦合矩阵中的耦合系数进行仿真以确定具体线长和间距，其线长越短、间距越小，相邻谐振器间耦合系数越大；反之，相邻谐振器间耦合系数越小。
优选的，所述四线交指耦合结构间距根据设计指标进行确定。
优选的，所述第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元的谐振频率分别依赖于所述第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元的长度。
优选的，所述两条微带线的阻抗均为50欧姆。
本发明的技术方案能产生以下的技术效果：
本发明首次将金丝连接的四线交指耦合结构应用于四阶交叉耦合滤波器，这种结构能显著提高滤波器的性能，使得滤波器谐振器之间耦合强度的大大提高，滤波范围和通带带宽明显增大。本发明滤波器结构紧凑、尺寸小、整体性能好、耦合强度高且工作带宽大，适用于现代无线微波通信领域。
附图说明
图1为本发明的基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器的结构示意图。
图2为本发明所述的四线交指耦合结构示意图。
图3为本发明的第一谐振单元与第二谐振单元间耦合系数随谐振单元间交指型平行线间距的变化图。
图4为本发明的第二谐振单元与第三谐振单元间耦合系数随谐振单元间交指型平行线间距的变化图。
图5为本发明的实施例仿真计算得到的S11参数图。
图6为本发明的实施例仿真计算得到的S21参数图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，如图1所示，包括介质基板1，其尺寸为5mm×5mm×0.254mm，其介电常数9.9，损耗角正切0.006。所述基板1上层设有微带线结构，下层覆有金属地板，所述金属地板材质为铜。所述微带线结构包括第一谐振单元2、第二谐振单元3、第三谐振单元4、第四谐振单元5和两条微带线，所述第一谐振单元2、第二谐振单元3、第三谐振单元4、第四谐振单元5的微带线框长度由所需谐振频率大小来确定。根据交叉耦合综合设计方法，求得各谐振腔间耦合系数为M 12=M 34=0.24，M 23=0.217，M 14=-0.056，其中M 12表示第一谐振单元2和第二谐振单元3间的耦合系数，M 23表示第二谐振单元3和第三谐振单元4间的耦合系数，M 34表示第三谐振单元4和第四谐振单元5间的耦合系数，M 14表示第一谐振单元2和第四谐振单元5间的耦合系数。
所述第一谐振单元2包括矩形微带线框一201和平行微带线段一202，所述平行微带线段一202由金丝连接；所述第二谐振单元包括矩形微带线框二301、平行微带线段二302、平行微带线段三303，所述平行微带线段二302和平行微带线段三303均由金丝连接；所述第一谐振单元2的平行微带线段一202和第二谐振单元3的平行微带线段二302形成四线交指耦合结构，设定平行微带线线长1.5mm，谐振单元间耦合系数k 12随间距s 12的变化如图3所示，间距0.09mm。
所述第三谐振单元4包括矩形微带线框三401、平行微带线段四402、平行微带线段五403，所述平行微带线段四402和平行微带线段五403均由金丝连接；所述第二谐振单元3的平行微带线段三303与所述第三谐振单元4的平行微带线段五403如图2所示形成四线交指耦合结构，设定平行微带线线长1.8mm，谐振单元间耦合系数k 23随间距s 23的变化如图4所示，间距0.04mm。
所述第四谐振单元5包括矩形微带线框四501、平行微带线段六502，所述平行微带线段六502由金丝连接；所述第三谐振单元4的平行微带线段四402与所述第四谐振单元5的平行微带线段六502形成四线交指耦合结构，根据镜像对称，平行微带线线长1.5mm，间距0.09mm。
对该结构进行计算、仿真和优化，得到的仿真结果如图5、图6。图5所示为本发明滤波器的回波损耗（S11），图6为本发明滤波器的插入损耗（S21），从图中可以看出，本发明的通带带宽为9-12GHz，相对带宽FBW=27%且插入损耗满足滤波器的设计要求；并且在通带外有两个传输零点，提高了通带外抑制能力。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，包括介质基板（1）、设于所述介质基板（1）下层的金属地板以及设于所述介质基板（1）上层的微带线结构，其特征在于，所述微带线结构包括第一谐振单元（2）、第二谐振单元（3）、第三谐振单元（4）、第四谐振单元（5）和两条微带线；所述第一谐振单元（2）、第二谐振单元（3）、第三谐振单元（4）、第四谐振单元（5）分别按左上、左下、右下和右上的顺序排列，形成方形结构；所述两条微带线分别连接第一谐振单元（2）、第四谐振单元（5）作为输入端和输出端；
所述第一谐振单元（2）包括矩形微带线框一（201）和平行微带线段一（202），所述平行微带线段一（202）由金丝连接；所述第二谐振单元包括矩形微带线框二（301）、平行微带线段二（302）、平行微带线段三（303），所述平行微带线段二（302）和平行微带线段三（303）均由金丝连接；所述第一谐振单元（2）的平行微带线段一（202）和第二谐振单元（3）的平行微带线段二（302）形成四线交指耦合结构；
所述第三谐振单元（4）包括矩形微带线框三（401）、平行微带线段四（402）、平行微带线段五（403），所述平行微带线段四（402）和平行微带线段五（403）均由金丝连接；所述第二谐振单元（3）的平行微带线段三（303）与所述第三谐振单元（4）的平行微带线段五（403）形成四线交指耦合结构；
所述第四谐振单元（5）包括矩形微带线框四（501）、平行微带线段六（502），所述平行微带线段六（502）由金丝连接；所述第三谐振单元（4）的平行微带线段四（402）与所述第四谐振单元（5）的平行微带线段六（502）形成四线交指耦合结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，其特征在于，所述第一谐振单元（2）和第四谐振单元（5）镜面对称；所述第二谐振单元（3）和第三谐振单元（4）镜面对称。
3.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，其特征在于，所述形成的四线交指耦合结构均利用金线连接，且线宽、间距相同，根据交叉耦合矩阵中的耦合系数进行仿真以确定具体线长和间距。
4.根据权利要求3所述的一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，其特征在于，所述四线交指耦合结构间距根据设计指标进行确定。
5.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，其特征在于，所述第一谐振单元（2）、第二谐振单元（3）、第三谐振单元（4）、第四谐振单元（5）的谐振频率分别依赖于所述第一谐振单元（2）、第二谐振单元（3）、第三谐振单元（4）、第四谐振单元（5）的长度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于交指结构的四阶交叉耦合滤波器，其特征在于，所述两条微带线的阻抗均为50欧姆。
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