CN117134082A - 一种高矩形系数滤波器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域，特别涉及一种高矩形系数滤波器及设计方法。包括介质基板上设置的：谐振结构T1/T2、输入/输出馈电结构、开路枝节；两个所述开路枝节呈左右轴对称分布，所述开路枝节与所述输入/输出馈电结构相连接，所述输入/输出馈电结构分别与所述第一谐振单元和所述第四谐振单元相连接；且所述开路枝节呈L型弯折状态，且所述开路枝节与所述谐振结构T1/T2之间形成耦合关系。本发明为了保证滤波器阶数的不变以及尺寸大小不变的情况下，提高滤波器的带外抑制。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别涉及一种高矩形系数滤波器及设计方法。
背景技术
滤波器，主要用于微波射频等通信领域的频率信号的选择，允许特定频段的信号通过，其他不想要的信号被抑制。由于科技不断的发展进步，频谱使用资源越来越紧张，信道之间间隔越来小，信号之间的干扰越来越强，滤波器就可以通过其频率选择作用将信号隔离，减小干扰，提高信号品质。同时电子产品的发展越来越集成化，小型化，这要求滤波器也因具有小型化、易集成化，并且其选择性更好。这是滤波器当前乃至未来一段时间的挑战。在要求小型化的同时，需要滤波器具有更高的带外抑制，而传统的滤波器可以添加传输零点，但是比较复杂，特别是需要多个传输零点的时候。传统的微带滤波器其频率选择性较差，为了提高抑制度，需要增加滤波器的阶数，使得损耗变大，并且会导致设计仿真的难度增加。
现有技术的此类滤波器需要在谐振单元之间添加额外的耦合结构才具有多个传输零点，在添加这些耦合结构后会导致原有的谐振单元的频率发生变化，增加了设计难度，即又要反复调整谐振单元的尺寸和耦合结构尺寸，并且由于微带线的传输特性，耦合结构的引入就会导致更多的寄生耦合量存在、以及增加原有寄生耦合的强度，从而使得设计难度进一步增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高矩形系数滤波器及设计方法，为了保证滤波器阶数的不变以及尺寸大小不变的情况下，提高滤波器的带外抑制，变相的使得滤波器的尺寸减小，达到小型化高性能的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高矩形系数滤波器，包括介质基板上设置的：
谐振结构T1/T2，所述谐振结构T1/T2呈左右轴对称分布，所述谐振结构T1由第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元构成；所述谐振结构T2由第四谐振单元、第五谐振单元和第六谐振单元构成；
其中，所述第一谐振单元与所述第二谐振单元之间为左右水平布设，且二者开口朝向之间的夹角为90°；所述第二谐振单元与所述第三谐振单元之间为上下垂直布设，且二者开口朝向之间的夹角为180°；
输入/输出馈电结构；
开路枝节；两个所述开路枝节呈左右轴对称分布，所述开路枝节与所述输入/输出馈电结构相连接，所述输入/输出馈电结构分别与所述第一谐振单元和所述第四谐振单元相连接；
且所述开路枝节呈L型弯折状态，且所述开路枝节与所述谐振结构T1/T2之间形成耦合关系。
优选的，所述介质基板为陶瓷基片，其介电常数为9.8，厚度为0.254mm。
优选的，所述第一谐振单元的开口朝向竖向向上，所述第二谐振单元的开口朝向水平向右，所述第三谐振单元的开口朝向水平向左。
优选的，所述输入/输出馈电结构包括但不限于呈左右轴对称分布。
优选的，所述滤波器在同一平面共同产生五个传输零点，五个传输零点的谐振位置能够自由控制，且其中四个传输零点呈近似对称分布，第五个传输零点位于最高段，其位置由开路枝节直接控制。
优选的，所述滤波器的尺寸小于4.8mm*2.8mm。
优选的，所述滤波器为微带滤波器、LTCC滤波器或MMIC滤波器。
本发明还提供了一种高矩形系数滤波器的设计方法，包括如下步骤：
第一步：根据滤波器指标要求进行相关的综合评估，得出滤波器的传输零点的位置，以及谐振单元的工作频率；
第二步：根据其工作频率及半波长理论计算出谐振单元的初始尺寸，并按照所述滤波器的布局方式，进行滤波器空间布局；
第三步：仿真优化设计：
首先将谐振频率调到中心频率处，随后调整谐振单元之间的间距使得耦合能够工作在综合的耦合带宽上；
根据当前的波形，调整传输零点的位置；
其中传输零点共分为两对，每一对有一个变量控制，其中所述第二谐振单元和所述第五谐振单元之间的间距控制靠近通带的传输零点，间距越小，传输零点越靠近通带；
所述开路枝节的长度、以及所述开路枝节与谐振单元的间距控制另外一对传输零点的位置，间距越小，耦合越强越靠近通带；
经过第三步的几轮迭代即可满足指标要求。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明较传统的滤波器而言，通过合理的布局的谐振单元的方式产生传输零点，在端口引入开路枝节线，改变传输零点的分布，减弱寄生的影响，使得滤波器的传输零点分布更容易控制，传输零点分布的对称性更明显，同时引入新的传输零点，本发明由6个谐振单元以及两个开路枝节构成，实现了5个传输零点，通带的高低两端近似对称分布四个传输零点，同时在高端远离对称零点的位置还有一个额外的传输零点，通过改变独立变量的值，传输零点的位置可以很容易的进行控制。本发明的滤波器体积更小，带外的抑制更高，矩形系数更优。
附图说明
图1为本发明滤波器的结构布局示意图。
图2为本发明滤波器实施例的仿真结果响应曲线示意图。
图3为本发明滤波器结构去掉开路枝节的响应曲线示意图。
图中：1-介质基板、2-第一谐振单元、3-第二谐振单元、4-第三谐振单元、5-第四谐振单元、6-第五谐振单元、7-第六谐振单元、8-输入馈电结构、9-输出馈电结构、10-开路枝节。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，滤波器至少由6个谐振单元、介质基板1、输入馈电结构8、输出馈电结构9、开路枝节10构成，这个滤波器呈左右轴对称分布，谐振单元为第一谐振单元2、第二谐振单元3、第三谐振单元4、第四谐振单元5、第五谐振单元6、第六谐振单元7；两个开路枝节10，输入馈电结构8和输出馈电结构9，馈电结构可以不呈左右轴对称分布，根据实际使用情况进行调整，对称分布可以减少仿真量，输入馈电结构21与第一谐振单元2、左侧的第一个开路枝节10相连接，输出馈电结构9与第四谐振单元5、右侧的第二个开路枝节10相连接。其中第二谐振单元3与第一谐振单元2在同一水平线上，第二谐振单元3其开口方向多一个弯折，目的是增强耦合和小型化，第二谐振单元3开口方向与第一谐振单元2开口方向呈顺时针90°，第三谐振单元4与第二谐振单元3在同一垂直线线上，呈上下分布，开口方向呈180°。且第六谐振单元7与第三谐振单元4、第五谐振单元6与第二谐振单元3、第三谐振单元4与第一谐振单元2之间均呈左右轴对称分布。开路枝节10呈现L弯折形状，主要是增加其与谐振单元的耦合，减少空间耦合，同时L形状的两个开路枝节10更有利于相互耦合形成新的传输零点，提高传输信号的矩形系数。
如图2所示的仿真结果，其工作中心频率为22GHz，基板介电常数9.8，厚度0.254mm，最终整个滤波器的尺寸小于4.8mm*2.8mm，结果中高端和低端各有两个传输零点并呈现近似对称的分布，传输零点的控制由第二谐振单元3、第五谐振单元6之间的距离和开路枝节10的尺寸及与第三谐振单元4、第六谐振单元7的距离决定，其中第二谐振单元3、第三谐振单元4之间的距离控制靠近通带的两个传输零点；开路枝节10的尺寸及与第三谐振单元4、第六谐振单元7的距离控制远离通带的两个传输零点。同时两个开路枝节10共同在高端产生第五个传输零点。本实施例中开路枝节10、输入馈电结构8之间的距离为1.8mm，开路枝节10端头距离第三谐振单元4的距离为0.3mm，第二谐振单元3、第五谐振单元6之间的距离为0.44mm，谐振单元的尺寸可以通过本模式仿真得到，同时谐振单元的样式可以是多样的，核心在于谐振单元的开口方向及摆放位置。
如图3所示为图1结构去掉开路枝节的响应曲线，从图3中可以看到只有4个传输零点，同时零点分布严重不对称，而此种结构的理论上应当呈现对称零点分布。本发明通过在有限的空间内添加开路枝节解决了零点分布不对称问题，同时引入一个新的传输零点，提高带外抑制尤其是在高频段，增加了滤波器的矩形系数。
第一步：根据滤波器指标要求进行相关的综合评估，得出滤波器的传输零点的位置，谐振单元的工作频率。
第二步：根据其工作频率及半波长理论计算出谐振单元的初始尺寸，并按照图1滤波器的布局方式，进行滤波器空间布局。
第三步：仿真优化设计。首先将谐振频率调到中心频率出，随后调整谐振单元之间的间距使得耦合能够工作在综合的耦合带宽上。根据当前的波形，调整传输零点的位置。传输零点分为两对，每一对传输零点有一个变量控制，其中第二谐振单元3、第五谐振单元6之间的间距控制靠近通带的传输零点，间距越小，零点越靠近通带，开路枝节的长度、开路枝节与谐振单元的间距控制第二对传输零点的位置，距离越小，耦合越强越靠近通带。经过上述第三步的几轮迭代即可满足指标要求。
本发明的主要核心点在于谐振单元的位置摆放即其中开口的朝向、开路枝节的引入、以及开路枝节的形状、传输零点的控制方式。本发明只通过合理的排布谐振单元的位置来产生传输零点，在端口引入开路枝节线，改变零点的分布，减弱寄生的影响，使得滤波器的传输零点分布更容易控制，更接近理论分布，即零点对称分布在通带的高低两端，使得滤波器的性能得到提升，设计更为容易，本发明的几个传输零点均可控制，不同于寄生耦合产生的传输零点，他可以通过调节相应的尺寸进行调整，同时本发明不仅可以用于微带形式的滤波器，同样可用于多层基板滤波器，如LTCC，MMIC等形式滤波器。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种高矩形系数滤波器，其特征在于，包括介质基板上设置的：
谐振结构T1/T2，所述谐振结构T1/T2呈左右轴对称分布，所述谐振结构T1由第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元构成；所述谐振结构T2由第四谐振单元、第五谐振单元和第六谐振单元构成；
其中，所述第一谐振单元与所述第二谐振单元之间为左右水平布设，且二者开口朝向之间的夹角为90°；所述第二谐振单元与所述第三谐振单元之间为上下垂直布设，且二者开口朝向之间的夹角为180°；
输入/输出馈电结构；
开路枝节；两个所述开路枝节呈左右轴对称分布，所述开路枝节与所述输入/输出馈电结构相连接，所述输入/输出馈电结构分别与所述第一谐振单元和所述第四谐振单元相连接；
且所述开路枝节呈L型弯折状态，且所述开路枝节与所述谐振结构T1/T2之间形成耦合关系。
2.如权利要求1所述的一种高矩形系数滤波器，其特征在于，所述第一谐振单元的开口朝向竖向向上，所述第二谐振单元的开口朝向水平向右，所述第三谐振单元的开口朝向水平向左。
3.如权利要求1所述的一种高矩形系数滤波器，其特征在于，所述输入/输出馈电结构包括但不限于呈左右轴对称分布。
4.如权利要求1所述的一种高矩形系数滤波器，其特征在于，所述滤波器在同一平面共同产生五个传输零点，五个传输零点的谐振位置能够自由控制，且其中四个传输零点呈近似对称分布，第五个传输零点位于最高段，其位置由开路枝节直接控制。
5.如权利要求1所述的一种高矩形系数滤波器，其特征在于，所述滤波器为微带滤波器、LTCC滤波器或MMIC滤波器。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种高矩形系数滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：根据滤波器指标要求进行相关的综合评估，得出滤波器的传输零点的位置，以及谐振单元的工作频率；
第二步：根据其工作频率及半波长理论计算出谐振单元的初始尺寸，并按照所述滤波器的布局方式，进行滤波器空间布局；
第三步：仿真优化设计：
首先将谐振频率调到中心频率处，随后调整谐振单元之间的间距使得耦合能够工作在综合的耦合带宽上；
根据当前的波形，调整传输零点的位置；
其中传输零点共分为两对，每一对有一个变量控制，其中所述第二谐振单元和所述第五谐振单元之间的间距控制靠近通带的传输零点，间距越小，传输零点越靠近通带；
所述开路枝节的长度、以及所述开路枝节与谐振单元的间距控制另外一对传输零点的位置，间距越小，耦合越强越靠近通带；
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