CN117810657A - 一种具有两个传输零点的发夹型滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，涉及滤波器技术领域；该发夹型滤波器，包括介质基板，介质基板上侧设有空气腔，介质基板下侧连接有导电银胶层；空气腔内设有七阶谐振器耦合，七阶谐振器包括依次间隔并排排列的第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器，七阶谐振器均为U型谐振器，第一级谐振器的输入谐振条和第七级谐振器的输出谐振条均连接有微带线；第一级谐振器和第五级谐振器之间耦合一个倒U型谐振器。本发明实现在不同谐振器之间引入混合电磁耦合，从而在阻带内产生传输零点，极大地改善了滤波器的频率选择特性。
Description
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种具有两个传输零点的发夹型滤波器。
背景技术
近年来，随着5G无线通信、卫星通信、雷达和遥感技术的不断发展，系统对射频收发端提出了越来越高的技术要求。微波滤波器是无线通信系统中的关键部件，主要用于实现信号的选择和滤波功能。作为通信系统中的核心器件，微波滤波器的性能好坏将直影响整个系统的优劣。微带滤波器因其重量轻、成本低、易加工在微波平面电路和微波集成电路中得以广泛应用。
平行耦合微带线滤波器、梳状线滤波器和交指滤波器等都是常用的微带滤波器，但这些滤波器均存在缺陷。例如，由于平行耦合微带线耦合单元在一个方向上级联，尺寸较大；梳状线滤波器和交指滤波器则需要接地过孔，在高频情况下会不可避免地引入误差，这些缺陷限制了这些滤波器的推广应用。微带发夹型带通滤波器是微波滤波器的传统结构之一，它除了具有相对带宽适用范围大、体积小、重量轻、结构紧凑、成本低等优点外，不需要接地，消除了过地孔引入的误差，比平行耦合微带线滤波器、梳状线滤波器和交指滤波器具有更好的电性能，因而在微波平面电路中使用较多。
带外抑制特性作为衡量滤波器的一个关键指标，一直是目前的研究热点。研究的技术手段主要有：交叉耦合、源负载耦合和混合电磁耦合。
交叉耦合技术是基于高Q值的腔体谐振器，将耦合滤波器的拓扑结构由原先的简单级联型推向更复杂的交叉耦合型，同时给出了基于谐振腔的N阶交叉耦合拓扑结构的等效电路，利用信号的多条能量耦合路径在通带外引入额外传输零点，此技术实现起来过于复杂。除了交叉耦合技术之外，源负载耦合技术也是常用的形式之一。通过源与负载耦合引入传输零点，同时其结构简单具有优势，利用多路径的信号叠加实现传输零点，但由于单独使用源负载耦合技术通常不能满足高带外抑制滤波器的设计需求。
上述的两种方法都是为了实现物理结构上的多耦合路径，而电磁意义上的多耦合路径结构同样能够实现多个传输零点，主要实现方法是混合电磁耦合。混合电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，使一个电路的电流变化通过互感影响到另一个电路，电磁耦合技术可以产生独立可控的传输零点，实现起来简单，且可以提高带外抑制。
本发明采用混合电磁耦合技术，提出一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，结合谐振器耦合原理和耦合拓扑结构，在不同谐振器之间引入混合电磁耦合，从而在阻带内产生传输零点，极大地改善了滤波器的频率选择特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，以解决上述背景技术中提出的现有技术中针对高带外抑制滤波器的设计，交叉耦合技术实现起来过于复杂及源负载耦合技术不能满足高带外抑制滤波器的设计需求等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，包括介质基板，所述介质基板上侧设有空气腔，所述介质基板下侧连接有导电银胶层；所述空气腔内设有七阶谐振器耦合，所述七阶谐振器包括依次间隔并排排列的第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器，所述七阶谐振器均为U型谐振器，所述第一级谐振器、第三级谐振器、第五级谐振器、第七级谐振器开口向上设置，所述第二级谐振器、第四级谐振器、第六级谐振器开口向下设置，所述第一级谐振器的输入谐振条和第七级谐振器的输出谐振条均连接有微带线；所述第一级谐振器和第五级谐振器之间耦合一个倒U型谐振器.
优选地，所述倒U型谐振器的一端插入第一级谐振器的开口中，且另一端置于第五级谐振器的开口上方。
优选地，所述倒U型谐振器的等效电路由电容和电感组成，计算公式为：
其中，Lb为低通原型归一化的电感，Cb为低通原型归一化的电容；ω0为谐振频率；Lq为倒U型谐振器串联谐振电路的电感，Cq为倒U型谐振器串联谐振电路的电容以及微带线两端的接地电容。
优选地，所述微带线为抽头式微带线结构。
优选地，所述U型谐振器的长度由四分之一个波长决定。
优选地，所述U型谐振器的特性阻抗和微带线的阻抗均为50Ω。
优选地，所述第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器和倒U型谐振器的微带线宽均相同。
优选地，所述介质基板采用氧化铝陶瓷制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、本发明提出了一种新耦合结构而性能较好的发夹型谐振器；首先结合谐振器耦合原理和耦合拓扑结构，仿真设计了一种用于毫米波雷达系统的滤波器，发夹型滤波器采用七阶谐振器耦合，并在第一级和第五级谐振器之间耦合一个新的倒U型的谐振器，使滤波器的结构更加紧凑，可以很容易地在不同谐振器之间引入混合电磁耦合，从而在阻带内产生传输零点，极大地改善了滤波器的频率选择特性。
(2)、本发明中新型发夹滤波器输入/输出端采用抽头式结构，而非传统的耦合结构，进一步降低了对电路加工精度的要求。实验结果表明，新型混合电磁耦合发夹型波器不但体积小于传统滤波器，而且性能更加优越。
附图说明
图1为本发明中具有两个传输零点的发夹型滤波器的结构示意图；
图2为本发明中七阶谐振器耦合的结构示意图；
图3为现有技术中发夹型滤波器一级的原理电路图；
图4为本发明中发夹型滤波器的倒U型谐振器与第一级谐振器和第五级谐振器之间耦合的电路图；
图5为本发明中发夹型滤波器的仿真图。
图中：1、空气腔；2、微带线；3、介质基板；4、导电银胶层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
传统的发夹型滤波器就是简单的级间耦合，通过控制U型线之间的距离和耦合系数之间的关系得到精确的S值。本发明在此基础之上在第一级与第五级谐振器之间耦合一个新的发夹滤波器，形成倒U型谐振器。
参阅图1-2，具有两个传输零点的发夹型滤波器，包括介质基板3，介质基板3上侧为空气腔1，介质基板3下侧连接有导电银胶层4；空气腔3内设有七阶谐振器耦合，七阶谐振器包括依次间隔并排排列的第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器，第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器均为U型谐振器，第一级谐振器、第三级谐振器、第五级谐振器、第七级谐振器的开口向上，第二级谐振器、第四级谐振器、第六级谐振器的开口向下，第一级谐振器的输入谐振条和第七级谐振器的输出谐振条均连接有微带线2；七阶谐振器和微带线2贴近介质基板3。第一级谐振器和第五级谐振器之间耦合一个倒U型谐振器，倒U型谐振器的一端插入第一级谐振器的开口中，且另一端置于第五级谐振器的开口上方。
具体地，发夹型滤波器的U型谐振器的长度由四分之一个波长决定，特性阻抗为50Ω，为了使微带线2的阻抗与特性阻抗匹配，所以微带线2的阻抗也为50Ω，微带线2的宽度可由相关软件计算得出。
具体地，介质基板3的厚度为0.254mm，材料为陶瓷(Al2O3)，发夹型滤波器的设计采用Ansoft HFSS实现。设计三维图参见图1，图2为本发明中新型发夹滤波器二维模型。
工作原理：
发夹型带通滤波器是一种结构形式紧凑的滤波器，在理论上可以通过平行线耦合或半波长谐振单元弯成“U”型结构而获得，这种“U”型谐振结构被称为发夹谐振器，其结构3D模型和等效电路图参见图3。由微带线理论可知，一条终端开路的半波长微带线可以等效为一个串联谐振电路，而微带线的两端相当2个电容接地。根据对电磁场奇模-偶模的理论分析可以得出，图3中发夹型谐振器等效电路的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗为：
由此，发夹型谐振器的散射参数(S)的传输函数为：
2个发夹型谐振器通过分支耦合而级联，其A矩阵为：
其中，Ze、Zo分别为谐振器耦合单元奇模、偶模特性阻抗；θc为谐振器耦合单元电长度。该耦合单元可以等效为一个导纳倒置转换器和两端电长度为θc、特性导纳为Y0的微带线的级联，等效电路的A矩阵为：
显然A1＝A2，通过矩阵相应的元素相等可以求得：
其中，为发夹型谐振器的滑动因子。
2个发夹型谐振器的耦合单元的导纳倒置器导纳J为：
其中，YA、YB分别为源导纳和负载导纳；gi为低通原型滤波器元件值；Wr为滤波器的相对带宽；bj为电纳斜率参数，定义为：
就可以确定发夹型谐振器的耦合单元的电参数Ze、Zo。
由等效电路可以确定输入/输出端的位置：
在谐振频率ω0附近，输入导纳为：
其中，G0为滤波器的输入电导；b为等效电路中ω0的斜率参数；ω0为谐振角频率，由传输线理论可得到等效电路在谐振频率ω0附近的电纳为：
由斜率参数的定义式，得：
为使滤波器获得最大的传输功率，在ω0处滤波器和波源之间应当共轭匹配，此时有：
其中R为源内阻。
根据滤波器的外部Q值的定义：
结合上式，可以确定输入/输出端的位置：
其中Q为：
式中，g0、g1、gn和gn+1为低通原型滤波器元件值；W3为3dB的相对带宽。
具有两个传输零点的发夹型滤波器的实现：
为了提高带外抑制，给出了电路理论的计算方式。改进的滤波器由七阶发夹谐振器，第一级与第五级谐振器之间耦合的倒U型谐振器以及输入输出组成。倒U型谐振器的等效电路可由电容和电感组成。计算公式为：
其中，Lb为低通原型归一化的电感，Cb为低通原型归一化的电容；Lq为倒U型谐振器串联谐振电路的电感，Cq为倒U型谐振器串联谐振电路的电容以及微带线2两端的接地电容。倒U型谐振器与第一级和第五级谐振器之间耦合的电路图见图4。
仿真实验：
本发明通过设计、仿真、制造一个窄带滤波器来验证设计方法的正确性。本发明设计了一个7阶发夹型带通滤波器，设计目标：中心频率f0＝28GHz，FBW＝16.07％，带内纹0.01dB，带外抑制：34GHz和22GHz时的衰减大于50dB。
选用陶瓷作为介质基板3，厚度h＝0.254mm，介电常数为9.8，介质基板3上面敷金，敷金厚度t＝4um。查表得波纹为0.01dB的7阶ChebyShev低通原型滤波器满足上述指标，其元件值为：g0＝g8＝1，g1＝0.7969，g2＝1.3924，g3＝1.4781，g4＝1.6331，g5＝1.7481，g6＝1.3924，g7＝0.7969。根据以上参数，可由ADS中的linecalc计算出微带线宽W、发夹间距S、微带线长L的初值。
具有两个传输零点的发夹型滤波器参数如图2所示，具体数值参见表一。
表一滤波器参数
| 微带线长 | 数值 | 微带线宽 | 数值 | 发夹间距 | 数值 |
| L1/mm | 0.7 | W1/mm | 0.127 | S7/mm | 0.1 |
| L2/mm | 0.86 | W2/mm | 0.127 | S8/mm | 0.12 |
| L3/mm | 0.79 | W3/mm | 0.127 | / | / |
| L4/mm | 0.81 | W4/mm | 0.127 | / | / |
| L5/mm | 0.79 | / | / | / | / |
| L6/mm | 0.5 | / | / | / | / |
| L7/mm | 0.82 | / | / | / | / |
| L8/mm | 0.75 | / | / | / | / |
| L9/mm | 1.45 | / | / | / | / |
| L10/mm | 0.5 | / | / | / | / |
根据以上参数在Ansoft HFSS中设计与仿真。在仿真模型中用了3个优化目标：1)26.2GHz-31.8GHz通带内回波损耗：S(1，1)＜-25dB；2)阻带＜22GHz时，S(2，1)＜-60dB；3)阻带＞34GHz时，S(2，1)＜-55dB经过数次优化后，得到微带发夹型滤波器版图仿真结果参见图5。
仿真结果表明：在26.5GHz～29.5GHz频率范围内，VSWR小于1.25，插入损耗小于2.11dB，提高了滤波器的选择性；在22.7GHz和34.8GHz处分别产生了一个传输零点，衰减分别为-85dB和-48dB，提高了滤波器的带外抑制性能，更好地滤除杂散信号。
以上所述，仅用于帮助理解本发明的方法及其核心要义，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的一般技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，包括介质基板(3)，所述介质基板(3)上侧设有空气腔(1)，所述介质基板(3)下侧连接有导电银胶层(4)；所述空气腔(1)内设有七阶谐振器耦合，所述七阶谐振器包括依次间隔并排排列的第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器，所述七阶谐振器均为U型谐振器，所述第一级谐振器、第三级谐振器、第五级谐振器、第七级谐振器开口向上设置，所述第二级谐振器、第四级谐振器、第六级谐振器开口向下设置，所述第一级谐振器的输入谐振条和第七级谐振器的输出谐振条均连接有微带线(2)；其特征在于：
所述第一级谐振器和第五级谐振器之间耦合一个倒U型谐振器。
2.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述倒U型谐振器的一端插入第一级谐振器的开口中，且另一端置于第五级谐振器的开口上方。
3.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述倒U型谐振器的等效电路由电容和电感组成，计算公式为：
其中，Lb为低通原型归一化的电感，Cb为低通原型归一化的电容；ω0为谐振频率；Lq为倒U型谐振器串联谐振电路的电感，Cq为倒U型谐振器串联谐振电路的电容以及微带线(2)两端的接地电容。
4.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述微带线(2)为抽头式微带线结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述U型谐振器的长度由四分之一个波长决定。
6.根据权利要求5所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述U型谐振器的特性阻抗和微带线(2)的阻抗均为50Ω。
7.根据权利要求5所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述第一级谐振器、第二级谐振器、第三级谐振器、第四级谐振器、第五级谐振器、第六级谐振器、第七级谐振器和倒U型谐振器的微带线宽均相同。
8.根据权利要求1所述的一种具有两个传输零点的发夹型滤波器，其特征在于，所述介质基板(3)采用氧化铝陶瓷制备得到。
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