CN114976540B - 一种基于三线耦合结构的无反射带通滤波器 - Google Patents

Abstract

基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，包括带通滤波器和吸收网络，带通滤波器为对称的三线耦合结构，包括输入端口、输出端口、四分之一波长输入耦合馈线、四分之一波长中心短路枝节和四分之一波长输出耦合馈线，以及加载于四分之一波长输出耦合馈线末端的四分之一波长短路枝节；吸收网络包括：第一吸收电阻、经第一吸收电阻加载于输入端口的四分之一波长短路枝节、第二吸收电阻、经第二吸收电阻加载于四分之一波长输入耦合馈线末端的四分之一波长短路枝节，所述四分之一波长输入耦合馈线同时作为吸收网络中的四分之一波长传输线。本发明带通滤波器有效地减小了电路尺寸，实现了带宽可控的小型化输入无反射带通滤波器的设计。

Description

一种基于三线耦合结构的无反射带通滤波器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于三线耦合结构的无反射带通滤波器。

背景技术

微波滤波器作为现代通信系统中重要的二端口元件,可使得通带内的信号无损耗地通过，并抑制阻带内的信号传输,得以实现系统信号在特定频率段内的滤波响应。由于通信系统的不断发展，频谱资源也愈发有限,为保证射频系统的正常工作,对系统中信号的频率响应提出了更高的要求。微波滤波器广泛应于各种通信系统,雷达系统和电子对抗系统中,正是由于我们对于这些系统应用的要求越来越高,因此对于系统中的滤波器的要求也越来越高。其中带通滤波器作为重要的选频元件被广泛地应用于射频系统中，为了有更好的频带选择性能，带宽可控的带通滤波器已经成为当前滤波器的研究热点。然而，传统的带通滤波器其不可避免的带外反射能量会干扰整个射频系统的稳定性，因此近些年来越来越多的学者考虑到了带外的匹配问题，提出了无反射带通滤波器的设计。不同于传统的通过额外添加隔离器和衰减器的解决干扰问题的方法，无反射带通滤波器通过有损元件电阻将带外反射能量在其内部耗散，从而无需添加额外的电路，便于集成。

随着通信系统的发展，小型化的需求也愈加强烈。电路尺寸紧凑的耦合结构被广泛应用于射频滤波器件的设计中。与双线耦合结构的带通滤波器相比，基于三线耦合的带通滤波器更容易实现宽带的设计，从而可节省级联多个双线耦合结构的电路尺寸。

基于互补双工器的拓扑结构常常被用于单端无反射带通滤波器设计中，通常将其分为吸收网络和带通滤波器部分。其带内的能量从输入端口输入通过带通滤波器传输到输出端口，其带外反射能量被吸收网络中的吸收电阻吸收。同时基于互补双工器拓扑结构的无反射带通滤波器设计通常采用多个吸收网络并联多个带通谐振单元来获得多阶的设计提高通带选择性，从而导致电路尺寸过大。解决尺寸问题的通常办法是采用双线耦合结构的带通滤波器替代分支线结构的带通滤波器。然而为获得较宽的带宽和良好的通带选择性，通常需要级联多个双线耦合结构的带通滤波器来实现。除此以外，对于特定频谱的滤波需求以及不同的应用场景，带宽可控的无反射带通滤波器的设计显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，有效地减小了电路尺寸，实现了小型化输入无反射带通滤波器的设计。

为了实现本发明目的，本发明提供基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，滤波器由上层金属带条，中间一层介质基板和下层金属地构成。带通滤波器部分为基于三线耦合结构的设计，并且其输出馈线的末端加载了四分之一波长短路枝节(Z₄，θ₄)，其中三线耦合结构为对称结构，两边金属微带的线宽为w₁，中间的线宽为w₀，相邻两线之间的距离为s。吸收网络部分由两个吸收电阻(R₁,R₂)，两个短路枝节(Z₁,θ₁；Z₂,θ₂)和一个四分之一波长传输线(Z₃，θ₃)构成。其中吸收网络部分和带通滤波器部分共用一个四分之一波长传输线(Z₃，θ₃)，共用传输线既可视作为带通滤波器部分的耦合馈线又可为吸收网络部分提供带阻响应。

对于吸收带阻部分，给出了输入阻抗(Z_in1)和反射系数(|S₁₁|)的计算公式，通过分析变化的各个枝节特性阻抗和吸收电阻阻值对反射带宽的影响。其中共用枝节阻抗Z₃对吸收网络部分带宽影响最为明显，Z₃越大，吸收网络部分带宽越窄。随着Z₃不断增大，其吸收带阻部分带宽变窄的趋势减弱，而在中心频率(f₀)附近的匹配性能明显衰退，即为无反射性能的恶化。

对于基于三线耦合结构的带通滤波器部分，给出了六端口电路阻抗矩阵的经验公式，考虑到三线耦合结构非相邻两线之间的交叉耦合，为了精确的拟合频率响应引入了变量k_cc，表征为非相邻两线耦合系数与相邻两线间耦合系数之比。通过代入端口条件和公式转换计算可得传输系数(S₂₁)和反射系数(S₁₁)的表达式，从而可得紧凑的三线耦合结构的带通滤波器能够产生三个传输极点和两个带外传输零点，并且可以通过改变共用传输线线宽w₁或耦合线间距离s改变传输极点位置从而改变带宽。在输出端口的耦合馈线末端加载的四分之一波长短路枝节可以带来更陡峭的通带滚降度，同时改变其阻抗值Z₄也可灵活地调整带通滤波器部分的带宽。

通过上述分析，吸收网络部分和带通滤波器部分可进行良好地互补融合，从而构成最终的输入无反射带通滤波器电路。可通过ABCD矩阵得到本发明输入无反射带通滤波器的频率响应。为便于分析定义了吸收网络部分的带宽与带通滤波器部分的带宽之比为α、3dB与1dB输入无反射带通滤波器带宽之比为PL表征通带平坦度以及整个频带内最大反射系数为R_max。通过频率响应和不同α下R_max和PL的变化曲线分析可得：1、输入无反射带通滤波器的带宽可由吸收网络部分的带宽和带通滤波器部分的带宽灵活控制。2、无论α的值是多少，输入无反射带通滤波器的带宽都比吸收网络部分和带通滤波器部分的带宽窄。3、α的取值区间为1.18～1.625时可获得良好无反射性能以及平坦的通带。

本发明具有以下创新点：

1、采用了基于三线耦合结构的带通滤波器单元，大大的减小了电路尺寸，并且带通滤波器部分和吸收网络部分共用一个传输线进一步有效的减小了电路尺寸，实现了小型化的输入无反射带通滤波器设计。

2、输入无反射带通滤波器响应带宽可通过调整吸收网络部分响应带宽和带通滤波器部分响应带宽来调控。

3、分析了吸收网络部分带宽与带通滤波器部分带宽之比对输入无反射带通滤波器的无反射性能和通带平坦度的影响，便于电路参数优化。

本发明有益效果如下：

吸收网络部分和带通滤波器部分共用一个传输线解决了普遍存在地尺寸问题，并且带通滤波器部分采用了紧凑的三线耦合结构有效的减小了带通滤波器部分的电路尺寸，实现了小型化的输入无反射带通滤波器的设计。在基于三线耦合结构的带通滤波器部分的输出端耦合馈线末端加载四分之一波长短路枝节提高了通带的滚降度，并且能够灵活地调整带通滤波器部分的带宽。通过调整吸收网络部分的带宽和带通滤波器部分的带宽可以灵活地调控合成后的输入无反射带通滤波器的带宽，从而轻松实现了带宽可控的基于三线耦合结构的输入无反射带通滤波器。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明；

图1是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的俯视透视图。

图2是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器结构示意图。

图3是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器在0和2f₀时的结构示意图。

图4是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的吸收网络部分结构示意图。

图5-1是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的吸收网络部分在不同R₁和R₂(R₁//R₂＝50Ω)的情况下其吸收网络部分的输入阻抗Z_in1实部和虚部的变化曲线图。

图5-2是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的吸收网络部分在不同Z₁的情况下其吸收网络部分的输入阻抗Z_in1实部和虚部的变化曲线图。

图5-3是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的吸收网络部分在不同Z₂的情况下其吸收网络部分的输入阻抗Z_in1实部和虚部的变化曲线图。图5-4是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的吸收网络部分在不同Z₃的情况下其吸收网络部分的输入阻抗Z_in1实部和虚部的变化曲线图，注：图中Re(Z_in1)为吸收网络部分输入阻抗的实部，Im(Z_in1)为吸收网络部分输入阻抗的虚部。

图6是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器不添加四分之一波长短路枝节(Z₄,θ₄)原始的基于三线耦合结构的带通滤波器部分结构示意图。

图7是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器不添加四分之一波长短路枝节(Z₄,θ₄)原始的基于三线耦合结构的带通滤波器部分频率响应曲线，注：图中f_TP1、f_TP2、f_TP3为传输极点，f_TZ1、f_TZ2为传输零点。

图8-1是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器不添加四分之一波长短路枝节(Z₄,θ₄)原始的基于三线耦合结构的带通滤波器部分的传输极点在不同的s和w₁的情况下的变化曲线。

图8-2是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器不添加四分之一波长短路枝节(Z₄,θ₄)原始的基于三线耦合结构的带通滤波器部分的3-dB带宽在不同的s和w₁的情况下的变化曲线，注：图中3-dB FBW_BPF为图6所示带通滤波器部分频率响应的3-dB相对带宽。

图9是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器所采用的带通滤波器部分结构示意图。

图10是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器所采用的带通滤波器部分在不同Z₄的情况下其传输系数的变化曲线，注：图中|S₂₁|为传输系数的幅值，stub为图9所示带通滤波器部分短路枝节(Z₄,θ₄)。

图11是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器在吸收网络部分的带宽和带通滤波器部分的带宽相等的情况下，不同带宽的输入无反射带通滤波器的频率响应曲线，参数如表1所示。

图12是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器在吸收网络部分的带宽和带通滤波器部分的带宽不等的情况下，不同带宽的输入无反射带通滤波器的频率响应曲线，参数如表2所示。

图13是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器在吸收网络部分的带宽和带通滤波器部分的带宽不等的情况下，不同带宽的输入无反射带通滤波器的传输系数幅度响应曲线，参数如表2所示。

图14是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器在不同α的情况下，R_max和PL的变化曲线和α的最优取值区间。

图15是本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1是本发明实施的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的俯视透视图。本发明滤波器由上层金属带条、中间介质基板和下层金属地构成，本发明滤波器分为带通滤波器和吸收网络两部分，其中，吸收网络和带通滤波器设置于上层金属带条。

如图所示，带通滤波器为对称的三线耦合结构，包括输入端口S1、输出端口S2、四分之一波长输入耦合馈线2、四分之一波长中心短路枝节3、四分之一波长输出耦合馈线2’、和加载于四分之一波长输出耦合馈线2’末端的第一四分之一波长短路枝节6。其中，输入端口S1通过输入端传输线1连接四分之一波长输入耦合馈线2，输出端口S2通过输出端传输线1’连接四分之一波长输出耦合馈线2’。输入传输线1和输出传输线1’均为50Ω传输线。

吸收网络包括：第一吸收电阻R1、经第一吸收电阻R1加载于输入端口S1的第二四分之一波长短路枝节4、第二吸收电阻R2、和经第二吸收电阻R2加载于四分之一波长输入耦合馈线2末端的第三四分之一波长短路枝节5，四分之一波长输入耦合馈线2同时作为吸收网络中的四分之一波长传输线。

四分之一波长中心短路枝节3、第一四分之一波长短路枝节6、第二四分之一波长短路枝节4和第三四分之一波长短路枝节5分别通过第一金属化通孔11、第二金属化通孔12，第三金属化通孔9、第四金属化通孔10短路接地(穿过中间介质基板连接下层金属地)。

本发明实施例对滤波器各部分的尺寸进行优化，具体的滤波器的参数见下表：

表中，l₀和w₀分别为输入输出端口50Ω微带线的长度和宽度，l₁和w₁分别为三线耦合结构三条耦合微带线的长度和宽度，l₂和w₂分别为吸收网络中加载在输入端口的四分之一波长短路枝节的长度和宽度，l₃和w₃分别为吸收网络中加载在输入耦合馈线末端的四分之一波长短路枝节的长度和宽度，l₄和w₄分别为带通滤波器部分加载在输出耦合馈线末端的四分之一波长短路枝节的长度和宽度，s为相邻两耦合微带线间的间距。设计中采用的基板是Rogers RO4003C，其介电常数为ε_r＝3.55，厚度h＝0.813mm损耗角正切为tanδ＝2.7×10^-3，上下两层金属带条厚度为t＝0.035mm。

下面结合附图详细说明本发明的设计、分析过程以及效果

图1展示了本发明基于三线耦合结构的无反射带通滤波器的俯视透视图。图2为本设计的结构示意图，其可分为两部分进行分析，一个为吸收网络部分，另一个为基于三线耦合结构的无反射带通滤波器部分。两部分共用一段传输线，共用的传输线既为吸收带阻部分提供阻带响应，又可视作为带通滤波器部分的耦合馈线。图3为在频率为0和2f₀时的结构示意图，为获得理想的宽带无反射性能，在0和2f₀处的反射系数在理想情况下为0，即可得R₁和R₂的关系式：R₁//R₂＝Z₀＝50Ω。

图4所示为吸收网络部分结构示意图，其输入阻抗Z_in1和反射系数|S₁₁|可以表示为：

图5-1、5-2、5-3、5-4为吸收网络部分的输入阻抗在不同参数的情况下的变化曲线。Z_in1＝0时可得|S₁₁|＝0dB，意味着Z_in1趋近于0的带宽增大即反射带宽增大则吸收网络部分的带宽也增大，吸收网络部分的带宽定义为BW_ABSS即|S₁₁|>-10dB的带宽。由图5-2、5-3、5-4可得，Z₁、Z₂、Z₃影响反射带宽，并且可以看出Z₃为决定反射带宽的重要影响因素，Z₃越高，反射带宽越窄。并且随着Z₃的升高，反射带宽的变化程度变小，但是在f₀附近Z_in1距离50Ω的偏差值增加，即匹配性能变差。除此以外匹配性能也受Z₁和R₁,R₂的影响，Z₁越小在f₀附近的不匹配度越小。除此以外，当R₁和R₂满足关系式：R₁//R₂＝Z₀＝50Ω时，在偶次谐波处的匹配性能为理想状态，并且f₀附近的匹配性能高度依赖于R₁和R₂的取值，当R₁增大，R₂减小时，在f₀附近的匹配性能减弱。本发明选用了R₁和R₂的值分别为75Ω和150Ω。

对于带通滤波器部分，图6展示了本发明，原始的基于三线耦合结构的带通滤波器部分(不添加枝节(Z₄,θ₄))的结构示意图。它可以视作为一个六端口网络，端口S1和端口S2分别为输入端口和输出端口，其阻抗矩阵可表示为：

其中Z_oe、Z_oo为模式阻抗，k_cc用来表示非相邻两线与相邻两线间耦合系数之比。其耦合系数可通过寄生耦合水平C(dB)计算得来，具体如下公式可得：

k_cc＝k₁₃/k₁₂(5)

并且将其端口条件：I₂＝I₄＝I₆＝V₅＝0，V_in＝V₃，V_out＝V₁，I_in＝I₃，I_out＝I₁代入六端口阻抗矩阵通过公式计算就可以得到二端口的S参数，具体如下：

由此可以图7所示的频率响应曲线，不难看出基于紧凑的三线耦合结构的带通滤波器设计其响应具有三个带内极点，能够拓展带宽提高通带平坦度，从而减少了带通滤波器部分多余谐振器的使用。并且其传输极点位置和带宽可由w₁和s决定。除此以外，由于交叉耦合的存在，导致了两个近通带的传输零点的产生。为提高通带的滚降度，本发明最终采用了如图9所示的带通滤波器结构，图10为其传输系数曲线图，可得四分之一波长短路枝节(Z₄,θ₄)的加入可以提高通带滚降度，并且改变Z₄也可以灵活调整带通滤波器部分的带宽，其定义为BW_BPF，即为|S₂₁|>-3dB的带宽。由上述两部分分析总结可得：1、R₁和R₂满足关系式：R₁//R₂＝Z₀＝50Ω时，在0和2f₀处呈现理想匹配性能，由此可实现宽带的无反射性能。2、共用传输线是影响BW_ABSS和BW_BPF的关键影响因素，当共用枝节阻抗Z₃增大时，BW_ABSS减小，BW_BPF变宽。3、将Z₃固定为120Ω，通过改变吸收网络部分的Z₁、Z₂和带通滤波器部分的s、Z₄可以灵活调整两部分带宽从而保证两部分的互补融合。最终将两部分融合即为本发明所示的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，其频率响应可通过ABCD矩阵求得，具体如下：

其中，M₁为有损枝节(Z₁,θ₁和R₁)的ABCD矩阵，M₂为本发明原理图除去有损枝节(Z₁,θ₁和R₁)剩余部分的ABCD矩阵。M₁和M₂可分别表示为：

其中M₂可通过代入端口条件：I₂＝V₅＝0,V₄＝-I₄(R₂+jZ₂tanθ₂),V₆＝-jI₆Z₄tanθ₄至六端口阻抗矩阵即公式(3)-(6)转换得来。最终可得到输入无反射带通滤波器的S参数如下：

图11为本发明在BW_ABSS＝BW_BPF的情况下，不同BW的输入无反射带通滤波器的频率响应曲线，其具体参数如表1所示。

表1

从表格参数分析可得，输入无反射带通滤波器的带宽小于BW_ABSS和BW_BPF。选取案例2进行进一步分析，图12和图13分别为本发明在BW_ABSS≠BW_BPF的情况下，输入无反射带通滤波器的频率响应曲线，其具体参数如表2所示。

表2

定义了带宽之比α＝BW_ABSS/BW_BPF便于分析三者之间的带宽关系。定义了通带损耗PL＝3-dB BW/1-dB BW用于表征通带平坦度，PL越小通带越平坦。定义了整个频带内的最大反射系数R_max用于表征无反射性能，R_max越小无反射性能越好。并且由此可提取参数得图14为在不同α的情况下，R_max和PL的变化曲线和α的最优取值区间。通过以上分析，可总结为以下几点：

1)本发明输入无反射带通滤波器带宽BW可被吸收网络部分的带宽BW_ABSS和带通滤波器部分的带宽BW_BPF灵活控制，无论α取何值，BW总是小于BW_BPF和BW_ABSS；

2)当α＝0.75时，R_max为最优值，即无反射性能最优，当α>0.75并不断增大时，R_max不断增大，即无反射性能逐渐恶化；

3)PL随着α的增大而减小最终趋于平稳，即α越大通带越平坦；

3)为获得良好无反射性能(R_max<-10dB)的同时减小通带边缘的损耗(PL<1.5)，可得α的最优取值区间为：1.18-1.625。

基于上述分析，主要的设计流程可概括为：

1)首先考虑到应用场景，设定所需中心频率f₀和输入无反射带通滤波器的带宽BW，利用分析所得结论：BW<BW_BPF，以及所举案例分析，合适的BW_BPF可被确定，BW_BPF可以通过改变s和Z₄灵活调整；

2)考虑到无反射性能和通带平坦度之间的平衡，可以通过图14R_max和PL随α的变化曲线选取合适的α值；

3)一旦α确定了，即可根据公式α＝BW_ABSS/BW_BPF得到所需BW_ABSS值，BW_ABSS可以通过改变Z₁和Z₂灵活调整；

4)基于以上步骤，可在HFSS上构建模型，并利用HFSS进一步优化得到最终参数。

基于以上设计流程，我们设计了一款结构如图1所示的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器。图15为本实例基于三线耦合结构的无反射带通滤波器最终的仿真结果图，与计算分析结果展现了良好的一致性。最终仿真所得其中心频率为2.4GHz，输入无反射带通响应带宽为22.9％，最低带内插损为0.59dB，在0和2f₀处产生了两个理想的传输极点，实现了全频段内的无反射，两个近通带的传输零点提高了通带滚降速率，最终的电路尺寸为0.35λ×0.28λ(λ为波导波长)。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，包括带通滤波器和吸收网络，其特征在于：所述带通滤波器为对称的三线耦合结构，包括输入端口（S1）、输出端口（S2）、四分之一波长输入耦合馈线（2）、四分之一波长中心短路枝节（3）和四分之一波长输出耦合馈线（2’），以及加载于四分之一波长输出耦合馈线（2’）末端的第一四分之一波长短路枝节（6）；吸收网络包括：第一吸收电阻（R1）、经第一吸收电阻（R1）加载于输入端口（S1）的第二四分之一波长短路枝节（4）、第二吸收电阻（R2）、和经第二吸收电阻（R2）加载于四分之一波长输入耦合馈线（2）末端的第三四分之一波长短路枝节（5），所述四分之一波长输入耦合馈线（2）同时作为吸收网络中的四分之一波长传输线。

2.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，其特征在于：所述输入端口（S1）通过输入端传输线（1）连接四分之一波长输入耦合馈线（2），输出端口（S2）通过输出端传输线（1’）连接四分之一波长输出耦合馈线（2’）。

3.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，其特征在于：所述四分之一波长中心短路枝节（3）、第一四分之一波长短路枝节（6）、第二四分之一波长短路枝节（4）和第三四分之一波长短路枝节（5）分别通过第一金属化通孔（11）、第二金属化通孔（12），第三金属化通孔（9）、第四金属化通孔（10）短路接地。

4.根据权利要求2所述的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，其特征在于：所述输入端传输线（1）和输出端传输线（1’）均为50Ω传输线。

5.根据权利要求1所述的基于三线耦合结构的无反射带通滤波器，其特征在于：所述无反射带通滤波器由上层金属带条、中间介质基板和下层金属地构成，所述吸收网络和带通滤波器设置于上层金属带条。