CN116470252A - 带通滤波器 - Google Patents

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CN116470252A CN202310328103.XA CN202310328103A CN116470252A CN 116470252 A CN116470252 A CN 116470252A CN 202310328103 A CN202310328103 A CN 202310328103A CN 116470252 A CN116470252 A CN 116470252A
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吴国青
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Abstract

本申请实施例公开了一种带通滤波器，其包括：介质基板；至少两个开环谐振器，设于所述介质基板上；其中，每个所述开环谐振器均包括第一谐振环和第二谐振环，所述第一谐振环、所述第二谐振环均设有一开口；所述第二谐振环反向放置于所述第一谐振环的谐振腔中，并与所述第一谐振环同心；相邻两个所述开环谐振器中的所述第一谐振环通过一微带线连接。本申请实施例提供的带通滤波器性能良好，尺寸紧凑且易于实现，其开环谐振器的相关参数发生改变时，可以有效的调谐带通滤波器的工作频带的范围，使得带通滤波器具有鲁棒可调谐性。

Description

带通滤波器
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种带通滤波器。
背景技术
带通滤波器是一种用来分离不同频率微波信号的无源器件，作为射频收发前端的重要组成部分，带通滤波器性能的好坏直接影响通信系统整体的性能。开环谐振器(Split-Ring Resonator，SRR)具有低辐射损耗和高性能，其被视为微波器件小型化设计的一种理想谐振器，并可广泛应用于各类带通滤波器的设计中。
目前，各国工程技术人员在采用开环谐振器对带通滤波器进行改进的过程中，通常调节开环谐振器的相关参数，如金属宽度、间隙距离、裂缝宽度、环的数量、环之间的间距和裂缝的数量等，以实现微带滤波器调谐。然而，上述由开环谐振器构建的带通滤波器通常不具备鲁棒可调谐性，当开环谐振器的相关参数发生变化时，由于滤波系统中存在不确定性，极易导致带通滤波器在可调谐频率范围内的滤波误差系统无法趋向稳定，无法满足带通滤波器的性能指标。
因此，如何设计出一种具有鲁棒可调谐性的带通滤波器是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例提供了一种带通滤波器，旨在解决现有技术中带通滤波器不具有鲁棒可调谐性的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种带通滤波器，其包括：
介质基板；
至少两个开环谐振器，设于所述介质基板上；
其中，每个所述开环谐振器均包括第一谐振环和第二谐振环，所述第一谐振环、所述第二谐振环均设有一开口；所述第二谐振环反向放置于所述第一谐振环的谐振腔中，并与所述第一谐振环同心；
相邻两个所述开环谐振器中的所述第一谐振环通过一微带线连接。
进一步地，在所述的带通滤波器中，所述第一谐振环、所述第二谐振环各自通过不同长度的微带线弯曲折叠形成。
更进一步地，在所述的带通滤波器中，所述第一谐振环的开口的间距与所述第一谐振环所在的微带线的长度的比值大于0.041且小于0.074。
进一步地，在所述的带通滤波器中，相邻两个所述开环谐振器对称设置在所述介质基板上。
更进一步地，在所述的带通滤波器中，所述介质基板相对两端分别设置有一所述开环谐振器。
更进一步地，在所述的带通滤波器中，还包括输入馈线和输出馈线；
其中，所述输入馈线、所述输出馈线均设置在所述介质基板上，并分别与所述介质基板相对两端的所述开环谐振器中的所述第一谐振环连接。
进一步地，在所述的带通滤波器中，所述开环谐振器的宽度与所述介质基板的宽度的比值大于0.5且小于1，相邻两个所述开环谐振器的整体长度与所述介质基板的长度的比值大于0.5且小于1。
进一步地，在所述的带通滤波器中，各所述开环谐振器的尺寸结构相同。
进一步地，在所述的带通滤波器中，所述第一谐振环、所述第二谐振环为圆形谐振环或矩形谐振环。
进一步地，在所述的带通滤波器中，所述带通滤波器的谐振频率为9.21～10.03GHz。
本申请实施例提供的带通滤波器不仅性能良好，尺寸紧凑且易于实现，而且还具有鲁棒可调谐性，其在开环谐振器的相关参数发生改变时，可以有效的调谐带通滤波器的工作频带的范围。同时，本申请实施例提供的带通滤波器还显示出较优异的插入损耗和回波损耗，具有高选择性，良好的带内、外性能，而且通带截止边沿陡峭，对谐波有一定的抑制能力，适用于现代无线射频微波通信领域，在现有的无线应用中具有较好的集成潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的带通滤波器的几何结构示意图；
图2为本申请实施例提供的均匀阻抗谐振器的几何结构示意图；
图3为本申请实施例提供的开环谐振器的几何结构示意图；
图4为本申请实施例提供的开环谐振器的等效电路图；
图5为本申请实施例提供的带通滤波器的回波损耗S11电磁仿真结果图；
图6为本申请实施例提供的带通滤波器的插入损耗S21电磁仿真结果图；
图7为本申请实施例提供的带通滤波器的S参数电磁仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
需要说明的是，本申请的描述中可能提及的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如本申请背景技术所分析的，现有的带通滤波器不具备鲁棒可调谐性，为解决上述技术问题，本申请提供了一种带通滤波器。
请参阅图1和图3，图1为本申请实施例提供的带通滤波器的几何结构示意图，图3为本申请实施例提供的开环谐振器的几何结构示意图。
如图1和图3所示，一种带通滤波器，其包括：
介质基板；
至少两个开环谐振器，设于所述介质基板上；
其中，每个所述开环谐振器均包括第一谐振环11和第二谐振环12，所述第一谐振环11、所述第二谐振环12均设有一开口；所述第二谐振环12反向放置于所述第一谐振环11的谐振腔中，并与所述第一谐振环11同心；相邻两个所述开环谐振器中的所述第一谐振环11通过一微带线连接。
具体的，带通滤波器至少由两个开环谐振器在介质基板上采用微带线进行级联而成，也就是说介质基板上的开环谐振器的数量至少为2个或2以上。本申请在保证带通滤波器具备鲁棒可调谐性的前提下，同时保证带通滤波器的尺寸达到最小，故本申请优选选择由两个开环谐振器在介质基板上采用微带线进行级联的带通滤波器。
在本实施例中，每个开环谐振器由两个谐振环构成，即第一谐振环11和第二谐振环12，每个开环谐振器中的两个谐振环设置了两个对称的开口，也就是在第一谐振环11、第二谐振环12上分别设置了相互对称的开口，进而使得开环谐振器在受到电磁场作用时，会感应出环电流，进而在谐振频率处会出现负磁导率和吸收峰。
本申请实施例提供的带通滤波器不仅性能良好，尺寸紧凑且易于实现，而且还具有鲁棒可调谐性，其在开环谐振器的相关参数发生改变时，可以有效的调谐带通滤波器的工作频带的范围，同时带通滤波器还显示出较优异的插入损耗和回波损耗，具有高频率性，良好的带内、外性能，而且通带截止边沿陡峭，对谐波有一定的抑制能力，适用于现代无线射频微波通信领域，在现有的无线应用中具有较好的集成潜力。
目前在设计X波段的带通滤波器时，主要考虑的问题是如何在减小滤波器的尺寸的同时，减小通带的损耗。例如，阶跃阻抗型基片集成同轴线带通滤波器，该带通滤波器是在阶跃阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators，SIR)的基础上，结合基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)技术构建得到，同时针对SICL谐振腔与其他平面电路的连接设计的一种由共面波导向SICL谐振腔以提供激励的平面结构。其中，基片集成同轴线技术是一种将传统意义上的同轴线平面化的技术，SICL与传统同轴线一样是一种屏蔽的、非色散的TEM导波结构；以高阻硅为衬底，大厚度低损耗因子的苯并环丁烯BCB为介质，采用MEMS(Microelectromechanical systems)制造工艺进行制备；在低温共烧陶瓷器件或模块内部设计多层金属导带，其中多层结构的金属导带之间互相的电磁作用既包括每层金属导带之间的水平耦合，也包括不同层金属导带之间的垂直耦合，其拓扑结构较为复杂，进而导致该带通滤波器实际生产加工价格较为昂贵，最为重要的是无法有效的调谐其工作频带范围，进而使得带通滤波器不具有鲁棒可调谐性。
本申请提供的带通滤波器在应用于X波段的调谐时，尤其在9.21～10.03GHz范围内可以容易地实现谐振频率的鲁棒可调谐性，也就是说本申请提供的带通滤波器在考虑滤波系统中存在不确定性的前提下，不仅可以使得可调谐频率范围内滤波误差系统渐近稳定，并且还满足了带通滤波器的性能指标。同时本申请提供的带通滤波器可以接受短距离火控雷达应用频段，故其还能够用于需要窄而尖的滤波电路的X波段雷达应用。
在一些实施例中，所述第一谐振环11、所述第二谐振环12各自通过不同长度的微带线弯曲折叠形成。其中，第一谐振环11所对应的微带线的长度大于第二谐振环12所对应的微带线的长度，两个微带线的宽度可以相等，也可以不相等。本实施例优选第一谐振环11所对应的微带线的宽度大于第二谐振环12所对应的微带线的宽度。
具体的，微带线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，其适合制作微波集成电路的平面结构传输线，具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等特点。采用微带线可以直接制作如图2所示的均匀阻抗谐振器(Uniform ImpedanceResonator，UIR)，均匀阻抗谐振器的基本结构简单，均匀阻抗谐振器的谐振条件主要取决于微带线的长度，故其易于设计，可被广泛应用。
在本实施例中，第一谐振环11、第二谐振环12分别采用不同长度的微带线弯曲形成，也就是说本申请中的每个开环谐振器可以看作采用两个不同长度的均匀阻抗谐振器弯曲折叠而成。如图3所示，第一谐振环11、第二谐振环12分别设置了相互对称的开口，其构建的开环谐振器的主要激励方式为垂直于环面的轴向磁场或者磁通量来实现。从图3中可以看出，开环谐振器是一种小型化紧凑型的结构，其具有交叉极化特性，故其可以被平行与环面的时变电场激励，但是磁场激励的效率要远高于电场激励，故需要轴向磁场的激励才能工作，进而开环谐振器可以等效为一个由两个电容1/2Cr、电阻R以及电感Lr进行串联的谐振电路，也就是如图4所示的等效电路。
由于开环谐振器具有较小的电尺寸，而且其物理尺寸远小于其谐振频率所对应的波长，一般能达到十分之一导波波长左右，并且具有较高的品质因数Q，故本申请采用多个开环谐振器在介质基板上进行级联设计出的带通滤波器，其不仅可以容易地实现谐振频率的鲁棒可调谐性，而且还显示出较优异的插入损耗和回波损耗，具有高频率性，良好的带内、外性能，同时通带截止边沿陡峭，对谐波有一定的抑制能力。
在一些实施例中，所述第一谐振环11所对应的微带线弯曲折叠，以调节所述第一谐振环11的开口的宽度。
在本实施例中，在对第一谐振环11所对应的微带线进行弯曲折叠时，通过控制该微带线的首尾的间距便可以实现调节第一谐振环11的开口的宽度，也就是说该微带线首尾的间距为第一谐振环11的开口，进而便可以控制带通滤波器在特定波段(如9.21～10.03GHz)可调谐频率范围，进而可以较易实现谐振频率的鲁棒可调谐性。
在一些具体的实施例中，所述第一谐振环11的开口的间距与所述第一谐振环11所在的微带线的长度的比值大于0.041且小于0.074。
在本实施例中，通过将第一谐振环11的开口的间距与所述第一谐振环11所在的微带线的长度的比值限定在0.041～0.074之间，可以实现控制带通滤波器在X波段可调谐频率范围，尤其在9.21～10.03GHz频率范围，可以容易地实现谐振频率的鲁棒可调谐性。
在一些实施例中，相邻两个所述开环谐振器对称设置在所述介质基板上，各所述开环谐振器的尺寸结构相同。
在本实施例中，每个开环谐振器中的第一谐振环11均由相同长度和宽度的微带线弯曲折叠而成，同样的，每个开环谐振器中的第二谐振环12也均由相同长度和宽度的微带线弯曲折叠而成。本申请通过将相邻两个开环谐振器对称设置在介质基板上，同时带通滤波器上的开环谐振器的尺寸结构相同，其不仅可以容易的实现X波段的谐振频率的鲁棒可调谐性，而且还可以使得带通滤波器尺寸紧凑且易于实现。
在一些实施例中，如图1所示，本申请提供的带通滤波器还包括输入馈线21和输出馈线22；其中，所述输入馈线21、所述输出馈线22均设置在所述介质基板上，并分别与所述介质基板相对两端的所述第一谐振环11连接。
具体的，输入馈线21、输出馈线22分别设置在介质基板的相对两端，如介质基板的左右两端，输入馈线21、输出馈线22的材质可以为铜箔，但不仅限于铜箔。
需要说明的是，本申请中第一谐振环11、第二谐振环12所采用的微带线、两个相邻第一谐振环11之间连接的微带线、带通滤波器的输入馈线21以及输出馈线22的材质均可以为铜箔，但不仅限于铜箔。同时，第一谐振环11、第二谐振环12所采用的微带线、两个相邻第一谐振环11之间连接的微带线、带通滤波器的输入馈线21以及输出馈线22的宽度以及长度可以根据实际应用进行选择设定，本申请不做具体限定。
在一些实施例中，所述开环谐振器的宽度与所述介质基板的宽度的比值大于0.5且小于1，相邻两个所述开环谐振器的整体长度与所述介质基板的长度的比值大于0.5且小于1。
具体的，本申请将开环谐振器的宽度与介质基板的宽度的比值限定在0.5～1之间，同时将相邻两个开环谐振器的整体长度与所述介质基板的长度的比值限定在0.5～1之间，可以使得带通滤波器的尺寸紧凑且易于实现，同时也较容易的实现X波段的谐振频率的鲁棒可调谐性。
在一些实施例中，所述第一谐振环11、所述第二谐振环12为圆形谐振环或矩形谐振环。具体的，由第一谐振环11、第二谐振环12构成的开环谐振器的形状既可以为圆环形，也可以为矩形，还可以为其他形状，也就是本申请提及的开环谐振器不仅仅限于圆环形和矩形，其具体形状可以根据实际需求来进行设计，本申请不做具体限定。
下面结合优选实施例和实施方式对本申请进行说明。
本优选实施例为一种基于开环谐振器的X波段鲁棒可调谐带通滤波器，如图1所示，该带通滤波器包括介质基板、两个开环谐振器、输入馈线21以及输出馈线22，每个开环谐振器包括第一谐振环11和第二谐振环12，第一谐振环11、第二谐振环12均设有一开口；第二谐振环12反向放置于第一谐振环11的谐振腔中，并与第一谐振环11同心；相邻两个第一谐振环11通过一微带线连接以实现两个开环谐振器级联；输入馈线21、输出馈线22均设置在介质基板上并分别与介质基板左右两端的第一谐振环11连接。
在本实施例中，带通滤波器的整体面积的长宽尺寸为24.0mm×6mm，介质基板的长宽尺寸为24.0mm×12.0mm，第一谐振环11、第二谐振环12所采用的微带线、两个第一谐振环11之间连接的微带线、输入馈线21以及输出馈线22的材质均为铜箔，第一谐振环11、第二谐振环12均为矩形，介质基板的长度为24mm，介质基板的宽度为12mm，介质基板的介电常数为2.65，介质基板的厚度为1mm，介质基板为F4B材质的基板，输入馈线21、输出馈线22的阻抗为50欧姆，输入馈线21、输出馈线22的长度均为L0＝4mm，输入馈线21、输出馈线22的宽度均为W0＝2.8mm，第一谐振环11的长度为L1＝6mm，第一谐振环11的谐振腔的高度为L2＝4mm，第一谐振环11的开口的两端分别到各自内壁的距离为L3＝1.35mm，连接两个第一谐振环11的微带线的长度为L4＝4mm，第二谐振环12的长度为L5＝2.5mm，第二谐振环12的谐振腔的高度为L6＝1.5mm，第二谐振环12的开口的两端分别到各自内壁的距离为L7＝0.35mm，第一谐振环11所在的微带线的宽度为W1＝1mm，第二谐振环12所在的微带线的宽度为W2＝0.5mm，第一谐振环11的开口的间距g1不小于0.95且不大于1.65mm，第二谐振环12的开口的间距为g2＝0.8m。
本申请实施例提及的带通滤波器可以采用常见的高频电磁仿真软件来进行电磁仿真，并以数值的形式来进行证明。
本申请采用ANSYS HFSS 15.0对上述带通滤波器结构进行仿真，在进行仿真过程中，带通滤波器中的第一谐振环11的开口间距分别为0.95mm、1.05mm、1.15mm、1.25mm、1.3mm、1.35mm、1.45mm、1.55mm以及1.65mm，其仿真结果请参阅图5至图7，图5为本申请实施例提供的带通滤波器的回波损耗S11电磁仿真结果图，图6为本申请实施例提供的带通滤波器的插入损耗S21电磁仿真结果图，图7为本申请实施例提供的带通滤波器的S参数电磁仿真结果图。
从图5至图7中可以看出，本优选实施例提供的基于开环谐振器的X波段鲁棒可调谐带通滤波器整体性能较好，带通滤波器的工作基本中心谐振频率为9.66GHz，在9.55～9.75GHz范围内的-3dB相对带宽为2.07％，同时带通滤波器的-3dB衰减性能和阻带性能较高，从而产生高选择性，使该带通滤波器能够用于需要窄而尖的滤波电路的X波段雷达应用。另外，带通滤波器的通带内回波损耗优于24dB，插入损耗为0.36dB。
综上所述，本申请在0.95～1.65mm范围内改变第一谐振环11的开口的间距，可以控制带通滤波器在9.21～10.03GHz的可调谐频率范围，进而可以容易的实现带通滤波器的谐振频率的鲁棒可调谐性。此外，上述实施例提供的带通滤波器还提供了可接受的短距离火控雷达应用频段，其能够用于需要窄而尖的滤波电路的X波段雷达应用。此外，该带通滤波器还显示出较优异的插入损耗、回波损耗和紧凑的尺寸，具有高频率性，良好的带内、外性能，通带截止边沿陡峭，对谐波有一定的抑制能力。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带通滤波器，其特征在于，包括：
介质基板；
至少两个开环谐振器，设于所述介质基板上；
其中，每个所述开环谐振器均包括第一谐振环和第二谐振环，所述第一谐振环、所述第二谐振环均设有一开口；所述第二谐振环反向放置于所述第一谐振环的谐振腔中，并与所述第一谐振环同心；
相邻两个所述开环谐振器中的所述第一谐振环通过一微带线连接。
2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振环、所述第二谐振环各自通过不同长度的微带线弯曲折叠形成。
3.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振环的开口的间距与所述第一谐振环所在的微带线的长度的比值大于0.041且小于0.074。
4.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，相邻两个所述开环谐振器对称设置在所述介质基板上。
5.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述介质基板相对两端分别设置有一所述开环谐振器。
6.根据权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，还包括输入馈线和输出馈线；
其中，所述输入馈线、所述输出馈线均设置在所述介质基板上，并分别与所述介质基板相对两端的所述开环谐振器中的所述第一谐振环连接。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的带通滤波器，其特征在于，所述开环谐振器的宽度与所述介质基板的宽度的比值大于0.5且小于1，相邻两个所述开环谐振器的整体长度与所述介质基板的长度的比值大于0.5且小于1。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的带通滤波器，其特征在于，各所述开环谐振器的尺寸结构相同。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振环、所述第二谐振环为圆形谐振环或矩形谐振环。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器的谐振频率为9.21～10.03GHz。
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