CN117219990A - 一种低通滤波器及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，特别涉及一种低通滤波器及通信设备，包括基板和拓扑结构，拓扑结构设置于基板上，拓扑结构包括输入端、输出端、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第一开路枝节、第二开路枝节、第三开路枝节、第四开路枝节和第五开路枝节，第一微带线的第一端和第一开路枝节的一端均连接于输入端，第二微带线的第一端和第三微带线的第一端均连接于输出端，第一微带线的第二端、第二微带线的第二端和第八微带线的第一端均连接于第七微带线的第一端。通过上述方式，本发明实施例能够在满足高选择性、宽阻带、低插入损耗和小型化的要求下简化低通滤波器的设计过程。

Description

一种低通滤波器及通信设备

技术领域

本发明实施例涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种低通滤波器及通信设备。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，逐渐迎来第五代无线通信时代，数据传输的量和覆盖范围将呈爆发式增长，通信设备逐渐小型化，射频通信链路对于相邻信道以及远端带外杂散抑制需求日益增加，对于可提升通信系统性能的滤波器，逐渐倾向于设计成小型化、边带陡峭和宽阻带。

但是，在实现本发明的过程中，发明人发现：目前市面上的微带低通滤波器，为了实现高选择性、宽阻带、低插入损耗和小型化，主要有缺陷地方案、阶跃阻抗谐振器方案、短截线加载谐振器方案和扇形谐振器方案等设计方案，基于以上方案设计的低通滤波器，绝大部分存在设计过程复杂的问题，例如一种缺陷地低通滤波器1，如图1-2所示，所述缺陷地低通滤波器1包括介质板2、微带结构3、接地板4和缺陷地结构5，其中，所述微带结构3设置于介质板2的一侧，所述接地板4设置于介质板2的另一侧，所述缺陷地结构5是在接地板4上蚀刻出一定形状的缺陷图案，为了实现高选择性和宽阻带，微带结构3的设计往往会过于复杂，易使得滤波器尺寸和插入损耗增加，通过在接地板4上蚀刻缺陷地结构5可以提升滤波器的阻带和选择性，进而可以简化微带结构3的结构，但为了获得更好的性能，缺陷地结构5的设计也会趋向于复杂化，且在接地板4上蚀刻缺陷地结构5也增加了滤波器设计的复杂性，此外，因为缺陷地结构5的设计需基于微带结构3的设计，在设计滤波器参数时，当微带结构3需要调整时，缺陷地结构5也需要作相应的调整，而且如果微带结构3布局和形状过于繁杂，也会使得滤波器的设计参数不好设计，故所述缺陷地低通滤波器1的设计过程并较为复杂。而阶跃阻抗谐振器方案、短截线加载谐振器方案和扇形谐振器方案也存在类似问题，基于上述缺陷地低通滤波器1的例子，此处不在叙述。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种低通滤波器及通信设备，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种低通滤波器，包括基板和拓扑结构，所述拓扑机构设置于所述基板，所述拓扑结构包括输入端、输出端、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第一开路枝节、第二开路枝节、第三开路枝节、第四开路枝节和第五开路枝节，其中，所述第一微带线的第一端和第一开路枝节的一端均连接于输入端，所述第二微带线的第一端和第三微带线的第一端均连接于输出端，所述第一微带线的第二端、第二微带线的第二端和第八微带线的第一端均连接于第七微带线的第一端，所述第八微带线的第二端连接于第五开路枝节的一端，所述第三微带线的第二端连接于第四微带线的第一端，所述第四位微带线的第二端连接于所述第二开路枝节的一端，所述第五微带线的第一端和第六微带线的第一端均连接于第七微带线的第二端的两侧，所述第五微带线的第二端连接于所述第三开路枝节的一端，所述第六微带线的第二端连接于所述第四开路枝节的一端。

在一些实施例中，所述第七微带线和第八微带线在同一条直线上，以所述直线为轴线，所述第一微带线和第二微带线对称设置，所述输入端和输出端对称设置，所述第五微带线和第六微带线对称设置，所述第三开路枝节和第四开路枝节对称设置，有利于所述低通滤波器的简化设计。

在一些实施例中，所述第一微带线和第五微带线均与第七微带线垂直，所述第一开路枝节与第一微带线平行，所述第三开路枝节与第五微带线垂直，所述第五开路枝节与第八微带线垂直，所述第三微带线与第二微带线平行，所述第四微带线与第三微带线垂直，所述第二开路枝节与第四微带线垂直，如此，有利于提升所述低通滤波器的性能。

在一些实施例中，所述低通滤波器满足：所述第一微带线的特征阻抗、第二微带线的特征阻抗、第三微带线的特征阻抗、第四微带线的特征阻抗、第八微带线的特征阻抗、第一开路枝节的特征阻抗、第二开路枝节的特征阻抗和第五开路枝节的特征阻抗均为Z₁,所述第七微带线的特征阻抗为Z₂，所述第五微带线的特征阻抗、第六微带线的特征阻抗、第三开路枝节的特征阻抗和第四开路枝节的特征阻抗均为2*Z₂。如此，有利于所述低通滤波器的简化设计。

在一些实施例中，所述低通滤波器的阻带中心频率对应的波长为λ，所述第一微带线和第二微带线的电长度均为λ/4。如此，有利于所述低通滤波器的简化设计。

在一些实施例中，所述低通滤波器满足：

所述θ_1L为第一开路枝节的电长度。如此，有利于提升所述低通滤波器的性能。

在一些实施例中，所述低通滤波器满足：

所述θ_1R为第三微带线的电长度，所述θ₂为第四微带线的电长度，所述θ₃为第二开路枝节的电长度。如此，有利于提升所述低通滤波器的性能。

在一些实施例中，所述低通滤波器满足：所述第七微带线的电长度为θ₄，所述第三开路枝节的电长度与第四开路枝节的电长度均为θ₅，所述第五微带线的电长度与第六微带线的电长度均为λ/2-θ₄-θ₅。如此，有利于提升所述低通滤波器的性能。

在一些实施例中，所述低通滤波器满足：所述第八微带线的电长度为θ₆，所述第五开路枝节的电长度为λ/4-θ₆。如此，有利于提升所述低通滤波器的性能。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种通信设备，包括上述的低通滤波器。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供的一种低通滤波器，包括基板和拓扑结构，所述拓扑结构包括输入端、输出端、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第一开路枝节、第二开路枝节、第三开路枝节、第四开路枝节和第五开路枝节，通过所述拓扑结构可以简化低通滤波器的布局，通过对称设置和设计参数之间的相互关联，可以简化所述低通滤波器参数的设计，如此，在满足高选择性、宽阻带、低插入损耗和小型化的要求下，可以简化低通滤波器的设计过程。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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，还可以根据附图获得其他的附图。

图1是现有技术的一种缺陷地低通滤波器的立体图；

图2是现有技术的一种缺陷地低通滤波器的另一个视角的立体图；

图3是本发明实施例提供的低通滤波器的拓扑结构示意图；

图4是本发明实施例提供的低通滤波器的布局版图；

图5是本发明实施例提供的当θ_1L＝θ_1R＝λ/4且θ₂＝θ₃＝0时拓扑结构的等效对称结构；

图6是本发明实施例提供的在图5的拓扑结构的等效对称结构中的一个奇模形式示意图；

图7是本发明实施例提供的在图5的拓扑结构的等效对称结构中的一个偶模形式示意图；

图8是本发明实施例提供的低通滤波器的S参数仿真结果图。

具体实施方式中的附图标号如下：

1000、低通滤波器；

100、拓扑结构；200、基板；

10、第一微带线；11、第二微带线；12、第三微带线；13、第四微带线；14、第五微带线；15、第六微带线；16、第七微带线；17、第八微带线；18、第一开路枝节；19、第二开路枝节；20、第三开路枝节；21、第四开路枝节；22、第五开路枝节；23、输入端；24、输出端；25、第六开路枝节；

1、缺陷地低通滤波器；2、介质板；3、微带结构；4、接地板；5、缺陷地结构。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图3和图4，低通滤波器1000包括基板200(图未示)和拓扑结构100，所述拓扑结构100设置于所述基板200，所述基板200用于作为拓扑结构100的载体，可以理解的是，所述基板200的材质可以根据需求选择，例如，所述基板200的材质为带有金属地层的高分子材料。

对于上述拓扑结构100，所述拓扑结构100包括输入端23、输出端24、第一微带线10、第二微带线11、第三微带线12、第四微带线13、第五微带线14、第六微带线15、第七微带线16、第八微带线17、第一开路枝节18、第二开路枝节19、第三开路枝节20、第四开路枝节21和第五开路枝节22，其中，所述第一微带线10的第一端和第一开路枝节18的一端均连接于输入端23，所述第二微带线11的第一端和第三微带线12的第一端均连接于输出端24，所述第一微带线10的第二端、第二微带线11的第二端和第八微带线17的第一端均连接于第七微带线16的第一端，所述第八微带线17的第二端连接于第五开路枝节22的一端，所述第三微带线12的第二端连接于第四微带线13的第一端，所述第四位微带线的第二端连接于所述第二开路枝节19的一端，所述第五微带线14的第一端和第六微带线15的第一端均连接于第七微带线16的第二端的两侧，所述第五微带线14的第二端连接于所述第三开路枝节20的一端，所述第六微带线15的第二端连接于所述第四开路枝节21的一端。所述第七微带线16和第八微带线17在同一条直线上，以所述直线为轴线，所述第一微带线10和第二微带线11对称设置，所述输入端23和输出端24对称设置，所述第五微带线14和第六微带线15对称设置，所述第三开路枝节20和第四开路枝节21对称设置，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。所述第一微带线10和第五微带线14均与第七微带线16垂直，所述第一开路枝节18与第一微带线10平行，所述第三开路枝节20与第五微带线14垂直，所述第五开路枝节22与第八微带线17垂直，所述第三微带线12与第二微带线11平行，所述第四微带线13与第三微带线12垂直，所述第二开路枝节19与第四微带线13垂直，如此，有利于提升所述低通滤波器1000的性能。

在一些实施例中，预设参数Z₁、Z₂、λ、θ_1L、θ_1R、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅和θ₆，所述低通滤波器1000满足以下条件：

(1)所述第一微带线10的特征阻抗、第二微带线11的特征阻抗、第三微带线12的特征阻抗、第四微带线13的特征阻抗、第八微带线17的特征阻抗、第一开路枝节18的特征阻抗、第二开路枝节19的特征阻抗和第五开路枝节22的特征阻抗均为Z₁,所述第七微带线16的特征阻抗为Z₂，所述第五微带线14的特征阻抗、第六微带线15的特征阻抗、第三开路枝节20的特征阻抗和第四开路枝节21的特征阻抗均为2*Z₂。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

(2)所述低通滤波器1000的阻带中心频率对应的波长为λ，所述第一微带线10和第二微带线11的电长度均为λ/4。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

(3)

所述θ_1L为第一开路枝节18的电长度，所述π为圆周率，所述arctan为反正切函数。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

(4)

所述θ_1R第三微带线12的电长度,所述θ₂为第四微带线13的电长度，所述θ₃为第二开路枝节19的电长度。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

(5)所述第七微带线16的电长度为θ₄，所述第三开路枝节20的电长度与第四开路枝节21的电长度均为θ₅，所述第五微带线14的电长度与第六微带线15的电长度均为λ/2-θ₄-θ₅。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

(6)所述第八微带线17的电长度为θ₆，所述第五开路枝节22的电长度为λ/4-θ₆。如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

为了证明所述拓扑结构100可以用来设计所述低通滤波器1000，本发明实施例给予以下分析：

(1)图5是本发明实施例提供的当θ_1L＝θ_1R＝λ/4且θ₂＝θ₃＝0时拓扑结构100的等效对称结构，请参阅图5，当θ_1L＝θ_1R＝λ/4且θ₂＝θ₃＝0时，所述第三微带线12、第四微带线13和第二开路枝节19等效于第六开路枝节25，所述拓扑结构100可等效为对称结构，其传输极点可以用奇偶模来分析。

(2)图6是本发明实施例提供的在图5的拓扑结构100的等效对称结构中的一个奇模形式示意图，请参阅图6，当奇模导纳Y_ino＝∞时，可以得出所述拓扑结构100拥有两个奇模传输极点，当f₀为所述低通滤波器1000宽阻带的中心频率时，其奇模传输极点对应的频率为f_op1＝0和f_op2＝f₀。

(3)图7是本发明实施例提供的在图5的拓扑结构100的等效对称结构中的一个偶模形式示意图，请参阅图7，当偶模导纳Y_ine＝∞时，可以得出所述拓扑结构100拥有三个偶模传输极点，其偶模传输极点对应的频率为分别为：

，对于所述拓扑结构100，其传输零点可以通过以下方法算出：将组成拓扑结构100的级联谐振器的ABCD矩阵依次相乘，得到所述拓扑结构100对应的ABCD矩阵；将所述拓扑结构100的ABCD矩阵转化为对应的S矩阵。当|S₂₁|＝0时，可得出所述拓扑结构100有三个传输零点，分别为：和/>

由以上分析可知，所述拓扑结构100拥有两个奇模传输极点、三个偶模传输极点、三个传输零点。且不论参数Z₁、Z₂的值如何变化，这些传输零极点的相对位置，即f_op1<f_ep1<f_z1<f_ep2<f_oep2＝f_z2<f_ep3<f_z3，是不会变的。若想用所述拓扑结构100设计高性能的低通滤波器1000，则必须额外再引入两个传输零点f_z4和f_z5，且存在以下关系：f_z4＝f_ep2，f_z5＝f_ep3。这样，根据射频滤波器的特性，当传输零点和传输极点的位置重合的时候，只显示传输零点的特征，通过引入两个传输零点f_z4和f_z5，就可以消除阻带的传输极点，从而得到所需要的低通带滤波器。且所述低通滤波器1000会有两个传输极点以保证其平坦度，阻带内有五个传输零点以保证其高选择、高隔离、宽阻带。传输零点f_z5由第一开路枝节18引入，因此，第一开路枝节18的电长度必须为

，传输零点f_z4由第三微带线12、第四微带线13和第二开路枝节19引入，因此，第三微带线12、第四微带线13和第二开路枝节19的电长度之和必为：

基于所述拓扑结构100设计的低通滤波器1000，为得到更宽的阻带、更高的阻带隔离度、更低的通带反射系数，应当在现实条件下，让Z₁尽可能大，Z₂尽可能小。需要说明的是，Z₁的最大值受限于所用基板200的介电常数、所用基板200的厚度等参数和所用基板200蚀刻精度；Z₂的最小值受限于所用基板200的介电常数、所用基板200的厚度等参数和所述低通滤波器1000阻带中心频率。

在一些实施例中，所述低通滤波器1000设计在介电常数为3.38、介电损耗为0.0022和厚度为0.813mm的基板200上，且基板200的尺寸为33.0mm*12.0mm，可以理解的是，所述基板200的介电常数、介电损耗、厚度和尺寸不局限于上述数值，可以根据需求调整。假设：L₁为所述第一微带线10的物理长度，L₂为所述第一开路枝节18的物理长度，L₃为所述第四微带线13的物理长度，L₄为所述第二开路枝节19的物理长度，L₅为所述第七微带线16的物理长度，L₆为所述第五微带线14的物理长度，L₇为所述第三开路枝节20的物理长度，L₈为所述第八微带线17的物理长度，L₉为所述第五开路枝节22的物理长度，W₁为所述第一微带线10的物理宽度，W₂为所述第三微带线12的物理宽度，W₃为所述第七微带线16的物理宽度，W₄为所述第五微带线14的物理宽度，W₅为第三开路枝节20的物理宽度，W₆为第八微带线17的物理宽度。

在一些实施例中，所述低通滤波器1000的设计参数满足：W₁＝W₂＝W₆，W₃＝2W₄＝2W₅，且以所述第七微带线16和第八微带线17所在的直线为轴线，所述第一开路枝节18和第三微带线12对称设置，如此，有利于所述低通滤波器1000的简化设计。

由微波常识可知，同步等量改变L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈和L₉的值，可以反比线性调节所述低通滤波器1000的工作频率范围；影响所述低通滤波器1000性能的参数有且仅有两个，分别为W₁和W₃。

在一些典型实施例中，其中一组优化后的尺寸参数为：L₁＝12.9mm,L₂＝11.3mm,L₃＝2.3mm,L₄＝2.4mm,L₅＝3.2mm,L₆＝12.6mm,L₇＝5.2mm,L₈＝1.2mm,L₉＝12.7mm,W₁＝W₂＝W₆＝0.1mm,W₃＝2W₄＝2W₅＝3.2mm。由上述参数设计的低通滤波器1000的仿真结果如图8所示，由图8可知，其反射系数小于-10dB的通带范围为0GHz到0.705GHz，带内的最大插入损耗为0.479dB，具有低插入损耗的特性。在通带内，存在两个传输极点，分别位于0GHz和0.491GHz，这两个传输极点确保了通带内的平坦度。其隔离度大于20dB的阻带范围为1.466GHz到6.000GHz，且在阻带存在五个传输零点，分别为1.389GHz、3.062GHz、3.714GHz、4.288GHz和5.782GHz，这五个传输零点不仅保证了低通滤波器1000的高选择性，还保证了宽阻带的高隔离度。此外，在其通带边的陡峭度为71dB/GHz，表现出很好的选择性，其阻带的最大频率与通带最大频率比为8.5，表现出宽阻带特征。可以理解的是，所述参数L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆不局限于上述数值，可以根据需求调整。

在本发明实施例中，所述拓扑结构100包括输入端23、输出端24、第一微带线10、第二微带线11、第三微带线12、第四微带线13、第五微带线14、第六微带线15、第七微带线16、第八微带线17、第一开路枝节18、第二开路枝节19、第三开路枝节20、第四开路枝节21和第五开路枝节22，通过所述拓扑结构100可以简化低通滤波器1000的布局，通过对称设置和设计参数之间的相互关联，可以简化所述低通滤波器1000参数的设计，如此，在满足高选择性、宽阻带、低插入损耗和小型化的要求下，可以简化低通滤波器1000的设计过程。

本发明还提供一种通信设备实施例，所述通信设备包括上述低通滤波器1000，对于通信设备的功能和结构可参阅上述实施例，此处不再一一赘述。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种低通滤波器，其特征在于，包括：

基板；

拓扑结构，设置于所述基板，所述拓扑结构包括输入端、输出端、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第一开路枝节、第二开路枝节、第三开路枝节、第四开路枝节和第五开路枝节；

其中，所述第一微带线的第一端和第一开路枝节的一端均连接于输入端，所述第二微带线的第一端和第三微带线的第一端均连接于输出端，所述第一微带线的第二端、第二微带线的第二端和第八微带线的第一端均连接于第七微带线的第一端，所述第八微带线的第二端连接于第五开路枝节的一端，所述第三微带线的第二端连接于第四微带线的第一端，所述第四微带线的第二端连接于所述第二开路枝节的一端，所述第五微带线的第一端和第六微带线的第一端均连接于第七微带线的第二端的两侧，所述第五微带线的第二端连接于所述第三开路枝节的一端，所述第六微带线的第二端连接于所述第四开路枝节的一端。

2.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，

所述第七微带线和第八微带线在同一条直线上，以所述直线为轴线，所述第一微带线和第二微带线对称设置，所述输入端和输出端对称设置，所述第五微带线和第六微带线对称设置，所述第三开路枝节和第四开路枝节对称设置。

3.根据权利要求2所述的低通滤波器，其特征在于，

所述第一微带线和第五微带线均与第七微带线垂直，所述第一开路枝节与第一微带线平行，所述第三开路枝节与第五微带线垂直，所述第五开路枝节与第八微带线垂直，所述第三微带线与第二微带线平行，所述第四微带线与第三微带线垂直，所述第二开路枝节与第四微带线垂直。

4.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器满足：

所述第一微带线的特征阻抗、第二微带线的特征阻抗、第三微带线的特征阻抗、第四微带线的特征阻抗、第八微带线的特征阻抗、第一开路枝节的特征阻抗、第二开路枝节的特征阻抗和第五开路枝节的特征阻抗均为Z₁,所述第七微带线的特征阻抗为Z₂，所述第五微带线的特征阻抗、第六微带线的特征阻抗、第三开路枝节的特征阻抗和第四开路枝节的特征阻抗均为2*Z₂。

5.根据权利要求4所述的低通滤波器，其特征在于，

所述低通滤波器的阻带中心频率对应的波长为λ，所述第一微带线和第二微带线的电长度均为λ/4。

6.根据权利要求5所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器满足：

所述θ_1L为第一开路枝节的电长度。

7.根据权利要求5所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器满足：

所述θ_1R为第三微带线的电长度，所述θ₂为第四微带线的电长度，所述θ₃为第二开路枝节的电长度。

8.根据权利要求5所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器满足：

所述第七微带线的电长度为θ₄，所述第三开路枝节的电长度与第四开路枝节的电长度均为θ₅，所述第五微带线的电长度与第六微带线的电长度均为λ/2-θ₄-θ₅。

9.根据权利要求5所述的低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器满足：

所述第八微带线的电长度为θ₆，所述第五开路枝节的电长度为λ/4-θ₆。

10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述低通滤波器。