CN1619952A - 滤波器中交叉耦合的设计与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，它是基于耦合相位关系模型，分析滤波器各传输通道与交叉耦合通道间的相对相移关系，确定传输零点的数目与相对位置，若二者相移相反，传输信号破坏性叠加结果在传输通带带边生成传输零点。根据交叉耦合等效导纳变换器模型确定交叉耦合部件的参数；按照交叉耦合的实现方法，选择与优化交叉耦合部件；基于滤波器的调试方法，从各谐振器的相对相移关系确定其谐振频率分布特点，从耦合等效导纳变换器模型确定耦合部件的参数，快速准确地调试谐振器单元与耦合部件的参数。

Description

滤波器中交叉耦合的设计与制备方法

技术领域

本发明涉及用于电信号的滤波器，具体地说，涉及窄带滤波器中交叉耦合的设计与制备方法。

背景技术

窄带滤波器在现代通信中特别有用，尤其是无线通信。随着通信的迅速发展，频谱资源愈益匮乏以及市场竞争日益加剧，如何在有限的频带内同时容纳多路通信信号，并减少对其它设备造成的干扰，以期有效地利用有限的频率资源，这是通信系统设计与设备开发中面临的重要问题。因此通信系统急需大量低成本、小体积、低插损的高性能窄带滤波器件。

特别地，一些高功率、高性能滤波器件在无线通信的基站中广泛使用，部分滤波器件的传输特性要求具有非对称抑制性能。比如，双工器或多工器中的滤波器，可能要求在通带的某一侧具有很高的抑制性能，而对通带的另一侧可能要求很宽松。例如，对用于发射的滤波器接近用于接收的滤波器的一侧的抑制性能要求很高，以减小强发射信号对接收机的干扰，而其远离用于接收的滤波器的一侧的抑制性能相对宽松些。同样，用于接收的滤波器也具有类似的非对称抑制性能要求。一些其它应用中，为了特地保护某个或某些通信信号，也需要传输特性具有非对称抑制性能的滤波器，以降低成本、减小体积、减轻重量。

常规切比雪夫滤波器件已不能满足这些高要求，而椭圆函数滤波器实现复杂、调试困难以及成本较高，难以广泛应用。人们已经提出采用准椭圆函数逼近的思想，以降低实现难度。它基于全极点的切比雪夫滤波器，在其通带带边引入有限的传输零点，以提高通带带边的抑制性能。然而，该思想的分析与实现方法一直是设计中的难点。

实现准椭圆函数滤波器响应有两种方法，一种是添加额外的抑制滤波器单元，它可以在通带带边产生传输零点，提高通带带边的抑制能力，但是这种方法需要增加额外的滤波器单元，因此提高了成本、增大了体积和重量。另一种方法是至少在一对不相邻的谐振器之间引入交叉耦合，形成多条传输信号通道，它们叠加的结果也可能在传输通带带边生成传输零点，其优点在于它没有增加额外的滤波器单元，不会增加成本，但是其分析与调试比较困难。

对于第二种方法，过去一直没有很好的办法分析与控制交叉耦合，也没有比较简便的通用分析方法、交叉耦合建模、实现与调试方法。例如，根据规定的滤波器要求，传输零点无法调整到合适的位置，交叉耦合太弱不能起到其抑制作用，其太强又会干扰滤波器通带。

以前，人们已经尝试利用非相邻寄生耦合在滤波器件中引入传输零点。然而，这样的努力一般纯粹作为没有控制的寄生效应，比如Hey-Shipton等的美国专利No.5,616,539中有描述，但是这些努力都局限在一些特定滤波器件的设计，没有给出简便、低成本的通用设计和实现方法。

申请号为00806534.9、公开号为CN 1352814A的中国专利申请公开了一种微波传输带交叉耦合控制设备的方法，它适于传输带滤波器，没有给出简便通用的分析、设计与调试方法，而且还存在以下缺点：(1)、其承载功率的能力十分有限，无法满足特定场合高承载功率能力的要求(比如，无线通信基站射频前端电路)；(2)、需要采用特定材料作衬底(MgO，LaAlO3等)，成本较高；(3)、损耗很大，无法满足通信设备低插损的要求，虽然提出可以采用超导材料以降低插损，但是会导致设备成本增大；(4)、控制十分复杂，普通工程技术人员难以掌握。

申请号为03232707.2的中国专利公开了具有准椭圆响应的腔体滤波器件，只适于腔体滤波器，也没有给出交叉耦合的通用分析、设计与实现方法。

因此，简便通用的交叉耦合分析方法、交叉耦合建模、合适的实现方法及其调试方法在设计开发滤波器件的过程中迫切需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，它具有通用、便捷、易于普通工程技术人员掌握等特点。

为了描述方便，我们首先对所用术语作如下定义。

耦合通道(部件)：指谐振器之间的信号传输路径。

耦合部件：指位于耦合通道中用于控制耦合特性的部件。

主传输通道：指输入输出谐振器之间的信号必要传输路径。

交叉耦合传输通道：指输入输出谐振器之间的信号额外传输路径，路径上包含不相邻的耦合通道。

传输通道相对相移：指传输路径上所有谐振器单元与耦合通道(部件)的相移之和。

等效导纳参数模型：将耦合通道建立为具有一段虚拟传输线的四端口电路网络，其虚拟传输线两端具有相对于谐振器单元的两个导纳变化器；以及进一步建立为一个等效导纳变化器，其两端通过并联电纳与谐振器单元相连接的模型，具体模型如图13所示。

本发明提供滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，其特征是采用如下步骤：

第一步(建立耦合相位关系模型步骤)：耦合相位关系模型如下：若耦合通道(部件)为感性耦合，认为其对传输信号相移约-90°；若耦合通道(部件)为容性耦合，认为其对传输信号相移约+90°；对于谐振器单元，认为其在谐振点处对传输信号相移为零，在谐振频率低端对传输信号相移约+90°，在谐振频率高端对传输信号相移约-90°；串联电容或串联电感与传输线组合表示具有任意确定相移的容性或感性耦合；

第二步(判定传输零点的准则步骤)：判定传输零点的准则是：利用第一步给出的耦合相位关系模型，若主传输通道的相对相移与交叉耦合传输通道的相对相移差接近180°，且对传输信号幅度衰减相近，则在滤波器传输通带带边生成传输零点；若主传输通道的相对相移与交叉耦合传输通道的相对相移接近，则在滤波器传输通带带边不生成传输零点；利用判定传输零点的准则可以分析具有交叉耦合的滤波器结构形式的传输通道相对相移关系，同理，在已知传输通道相对相移关系时，利用判定传输零点的准则可以得到具有交叉耦合的滤波器的结构形式；

第三步(设计具有交叉耦合的滤波器步骤)：首先，基于电路网络理论，建立耦合通道(部件)的等效导纳参数模型；然后，根据等效导纳参数模型和已知的传输通道相对相移关系，利用第二步给出的判定传输零点的准则，就可以确定交叉耦合部件的参数，由此，可以得到具有正确的传输零点位置的交叉耦合滤波器设计方案；

第四步(滤波器工程实现步骤)：根据第三步得到的滤波器设计方案，以及滤波器功率承载能力、尺寸与重量等工程要求，确定滤波器的工程实现方案；

第五步(滤波器加工与调试步骤)：按照第四步得到的滤波器工程实现方案，加工、组装构成滤波器；利用第一步给出的耦合相位关系模型得到各谐振器单元以及各耦合与交叉耦合部件的相对相移关系，以及第三步确定的交叉耦合部件参数，调试得到满足设计规范要求的滤波器。

需要说明的是，在复杂的滤波器结构中，可能存在多条信号传输通道，但是生成传输零点的条件不仅要求两传输通道的相对相移差接近180°，还要求其对传输信号幅度衰减相近，在分析传输零点时，只需要考虑那些通过最少谐振器数目的传输通道与交叉耦合通道。另外，在考察交叉耦合通道与主传输通道的相对相移差时，可以不考虑两条传输通道相同部分(谐振器单元与耦合通道)的相移，这可以简化分析而不影响相对相移差(其具体说明见第8页第三段)。

在滤波器中工程实现容性交叉耦合的方式可以是：采用半刚性电缆，或带线条，或微带条，或其它金属丝带，或集总电容器，或分布电容器及其它们的组合部件；

在滤波器中工程实现感性交叉耦合的方式可以是：采用含有加载模片的通道，或半刚性电缆、带线或微带构成的小环或弧状结构，或集总电感器，或金属杆，或分布电感器及其它们的组合部件；

本发明首先给出一种简便实用的交叉耦合相位模型，用以分析耦合相位关系。

图1给出滤波器中的谐振器之间的耦合相位关系模型，用以分析各传输通道对传输信号的相对相移。根据电路理论，将耦合通道以及谐振器建立为如图1所示的电路模型。图1(1)中A、B端口间的串联电感代表感性耦合，对传输信号相移约-90°，其典型散射参数的相位特性见图2；图1(2)中A、B端口间的串联电容表示容性耦合，对传输信号相移约+90°，其典型散射参数的相位特性见图3；图1(3)中A、B端口间的并联电容电感回路代表谐振器单元，在谐振点处相移为零，在谐振频率低端呈现约+90°相移，在谐振频率高端呈现约-90°相移，其典型散射参数的相位特性见图4；图1(4)中A、B端口间的串联电容与传输线(特征导纳为Y_c)表示具有任意确定相移的容性或感性耦合；图1(5)中A、B端口间的串联电感与传输线(特征导纳为Y_c)表示具有任意确定相移的感性或容性耦合。

其次，本发明利用所提出的交叉耦合相位模型分析几种具有交叉耦合通道的典型滤波器结构形式的交叉耦合的相对相移关系，根据判定传输零点的准则确定是否存在传输零点以及传输零点的特征，即传输零点个数及其相对于传输通带的位置，并模拟滤波器性能。几种具有交叉耦合通道的典型滤波器结构可用示意图5表示，其中，其中圆圈代表谐振器单元，其中的数字是该谐振器的编号，编号为最大与最小的谐振器单元连接输入输出端口；电感与电容表示谐振器之间的耦合关系，其旁边的数字表示其可能的相对相移。其判定传输零点的准则是：若连接输入输出谐振器间的各传输通道相对相移相反，对传输信号幅度衰减相近，那么传输信号破坏性叠加的结果会在传输通带带边生成传输零点；若各传输通道相对相移相同，其叠加的结果不会在传输通带带边生成传输零点。因此，对图5中各种结构形式滤波器的传输零点特征可作如下分析。

图5(a)表示具有感性交叉耦合的三谐振器单元滤波器，谐振器1、3连接输入输出端口。在谐振器单元2的谐振频率低端，主传输通道(1→2→3相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→3相移：-90°)间的相移相同(即相移差为零)，故在传输通带低端带边不出现传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，主传输通道(1→2→3相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→3相移：-90°)间的相移相反(即相移差为180°)，反相叠加的结果在传输通带高端带边产生一个传输零点，滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性分别见图6的虚线与实线。

图5(b)表示具有容性交叉耦合的三谐振器单元滤波器，谐振器1、3连接输入输出端口。在谐振器单元2的谐振频率低端，主传输通道(1→2→3相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→3相移：+90°)间的相移相反，反相叠加的结果在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，主传输通道(1→2→3相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→3相移：+90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边不会出现传输零点，滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性分别见图7的虚线与实线。

图5(c)表示具有容性交叉耦合的四谐振器单元滤波器，谐振器1、4连接输入输出端口。在谐振器单元2与3的谐振频率低端，主传输通道(1→2→3→4相移：-90°+90°-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：+90°)间的相移相反，反相叠加的结果在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元2与3的谐振频率高端，主传输通道(1→2→3→4相移：-90°-90°-90°-90°-90°＝-90°-360°)与交叉耦合通道(1→4相移：+90°)间的相移相反，反相叠加的结果在传输通带高端带边也生成一个传输零点，在引入交叉耦合前后的传输特分别见图8的虚线与实线。

图5(d)表示具有感性交叉耦合的四谐振器单元滤波器，谐振器1、4连接输入输出端口。类似图5(c)的分析表明，在谐振器单元2与3的谐振频率低端与高端，主传输通道(1→2→3→4)与交叉耦合通道(1→4)间的相移相同，在传输通带低端与高端带边都不生成传输零点。但出现虚频率零点，使其通带内群时延特性更平坦，其传输特性类似图8的虚线，但带外抑制性能变差。

图5(e)表示具有感性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器，谐振器1、4连接输入输出端口。在谐振器单元2的谐振频率低端，传输通道(1→2→3相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→3相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边不生成传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，传输通道(1→2→3相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→3相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边生成一个传输零点；在谐振器单元3的谐振频率低端，传输通道(1→3→4相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边不生成传输零点；在谐振器单元3的谐振频率高端传输通道(1→3→4相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→3相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边生成一个传输零点。因此，在传输通带高端带边生成两个传输零点，低端没有传输零点，在引入交叉耦合前后的传输特分别见图9的虚线与实线。

图5(f)表示具有感性与容性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器，谐振器1、4连接输入输出端口。在谐振器单元2的谐振频率低端，传输通道(1→2→3相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→3相移：+90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，传输通道(1→2→3相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→3相移：+90°)间的相移相同故在传输通带高端带边不产生传输零点；在谐振器单元3的谐振频率低端，传输通道(1→3→4相移：+90°+90°-90°＝+90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元3的谐振频率高端，传输通道(1→3→4：相移为+90°-90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边不生成传输零点。因此，在传输通带低端带边生成两个传输零点，高端没有传输零点，在引入交叉耦合前后的传输特分别见图10的虚线与实线。

图5(g)表示具有感性与容性三交叉耦合的五谐振器单元滤波器，谐振器1、5连接输入输出端口。

在谐振器单元3的谐振频率低端，传输通道(2→3→4相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(2→4相移：+90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元3的谐振频率高端，传输通道(2→3→4相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(2→4相移：+90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边无传输零点；

在谐振器单元2的谐振频率低端，传输通道(1→2→4相移：-90°+90°+90°＝+90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边产生一个传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，传输通道(1→2→4相移：-90°-90°+90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边无传输零点；

在谐振器单元4的谐振频率低端，传输通道(1→4→5相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→5相移：+90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元4的谐振频率高端，传输通道(1→4→5相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→5相移：+90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边无传输零点。

因此，在传输通带低端带边生成三个传输零点，高端没有传输零点，在引入交叉耦合前后的传输特分别见图11的虚线与实线。

图5(h)表示具有三感性交叉耦合的五谐振器单元滤波器，谐振器1、5连接输入输出端口。

在谐振器单元3的谐振频率低端，传输通道(2→3→4相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(2→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边无传输零点；在谐振器单元3的谐振频率高端，传输通道(2→3→4相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(2→4相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边产生一个传输零点；

在谐振器单元2的谐振频率低端，传输通道(1→2→4相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边无传输零点；在谐振器单元2的谐振频率高端，传输通道(1→2→4相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→4相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边产生一个传输零点；

在谐振器单元4的谐振频率低端，传输通道(1→4→5相移：-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→5相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边无传输零点；在谐振器单元4的谐振频率高端，传输通道(1→4→5相移：-90°-90°-90°＝-270°)与交叉耦合通道(1→5相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边生成一个传输零点。

因此，在传输通带高端带边生成三个传输零点，低端没有传输零点，在引入交叉耦合前后的传输特分别见图12的虚线与实线。

需要说明的是，在复杂的滤波器结构中，可能存在多条信号传输通道，但是生成传输零点的条件不仅要求两传输通道相对相移相反，还要求其对信号幅度衰减相近，由于传输通带外的信号通过高品质因素谐振器时受到剧烈衰减，其幅度下降很快，因此在分析传输零点时，只需要考虑那些通过最少谐振器数目的传输通道与交叉耦合通道。比如，对于图5(g)或(f)的滤波器结构，在考察交叉耦合通道(1→5)的传输零点贡献时，只需考虑它与传输通道(1→4→5)的关系，不必考虑它与传输通道(1→2→4→5)以及(1→2→3→4→5)等的关系。另外，在考察交叉耦合通道与主传输通道的相对相移差时，可以不考虑两条传输通道相同部分的相位，这可以简化分析而不影响相对相移差。比如，对于图5(g)或(f)的滤波器结构，在考察交叉耦合通道(2→4)的传输零点贡献时，只需考虑它与传输通道(2→3→4)的相差关系，不必考虑其完整传输通道(1→2→4→5)与(1→2→3→4→5)的相移。

显见，用本发明给出交叉耦合相位模型分析各种结构形式的滤波器的耦合与交叉耦合的相对相移关系以确定传输零点的特征，简便实用，便于普通工程技术人员掌握。

再次，本发明基于电路网络理论，建立耦合通道(部件)的等效导纳参数模型；然后，根据等效导纳参数模型和已知的传输通道相对相移关系，利用第二步给出的判定传输零点的准则，就可以确定交叉耦合部件的参数，由此，可以得到具有正确的传输零点位置的交叉耦合滤波器设计方案；

我们建立如下主耦合与交叉耦合模型。视交叉耦合通道与控制部件为一个四端口网络，它等效为含有虚拟传输线(特性导纳Y_c，电长度θ_c)的理想导纳变换器，见图13(a)。利用网络理论，图13(a)的网络可进一步等效为图13(b)的网络结构，其等效关系从其对应的ABCD矩阵推导出来(其详细过程参见：李忻聂在平，电子科技大学学报文章《交叉耦合模型及其在腔体滤波器中的实现》)。

耦合通道的最终等效导纳变换器参数J₁₂与等效电纳参数jB₁与jB₂(j是虚数单位)如下：

$J_{12}=\frac{J_1{J}_2}{Y_c\sin {\mathrm{\θ}}_c};$ $B_1=-\frac{J_1^2\mathrm{con}{\mathrm{\θ}}_c}{Y_c};$ $B_2=-\frac{J_2^2\cot {\mathrm{\θ}}_c}{Y_c}$

其中，J₁、J₂分别是虚拟传输线连接两谐振器单元的导纳参数。通过邻近的谐振器把电纳jB₁与jB₂吸收后，等效网络见图13(c)，经导纳变换器实现谐振器1与2之间的耦合。图中，L1与C1、L2与C2分别是该耦合通道两端的谐振器单元的等效LC回路。令其谐振器的电纳斜率参数为

$B_1^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\frac{d{B}_2}{\mathrm{d\ω}}{|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0};$ $B_2^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\frac{d{B}_2}{\mathrm{d\ω}}{|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}$

其中，ω是传输信号频率，ω₀是传输通带中心频率。因此，谐振器之间的耦合或交叉耦合系数K₁₂为

$K_{12}=\frac{J_{12}}{\sqrt{B_1^{\′}}{B}_2^{\′}}$

令Q1，Q2是从等效传输线观察到的谐振器1、2的外在品质因素，则

$Q_1=\frac{Y_c{B}_1^{\′}}{J_1^2};$ $Q_2=\frac{Y_c{B}_2^{\′}}{J_2^2}$

代入得到

$K_{12}=\frac{1}{\sqrt{Q_1{Q}_2}\sin {\mathrm{\θ}}_c}$

至此，根据设计模拟滤波器性能综合出上式的交叉耦合系数，即可以确定交叉耦合结构和控制部件参数，得到具有正确的传输零点位置的交叉耦合滤波器设计方案。

再次，本发明根据滤波器功率承载能力、尺寸与重量等要求确定滤波器的工程实现方案，提供滤波器中交叉耦合部件的通用实现方法，基于本发明中的交叉耦合相位关系模型以及耦合的等效导纳参数模型，通过设计与控制交叉耦合部件参数，在滤波器中实现模型所需要的交叉耦合系数，获得滤波器性能的优化。

在选定的两个非相邻谐振器之间建立交叉耦合传输通道，对于容性交叉耦合，采用半刚性电缆，带线条，微带条，其它金属丝，集总电容器，分布电容器以及它们的组合部件实现。在腔体滤波器中的典型实现方式见图14，图中标号1是滤波器的输入输出端口，2是半刚性电缆用作容性交叉耦合部件。

对于感性交叉耦合，采用含有加载模片的通道，半刚性电缆、带线或微带构成的小环或弧状结构，金属杆，集总电感器，分布电感器，集总电容器，以及它们的组合部件实现。在腔体滤波器中的典型实现方式见图15，图中标号1是滤波器的输入输出端口，3是金属半环用作感性交叉耦合部件。

交叉耦合部件在滤波器中的通用实现方式见示意图16与17，图中圆圈代表非相邻谐振器单元。图16给出几种滤波器中采用单一交叉耦合部件形成交叉耦合的方案示意图。图16(1)表示与谐振器相连接的平行部件形成容性交叉耦合；图16(2)表示与谐振器相连接的中部含有额外分布电容的平行部件形成容性交叉耦合；图16图16(3)表示未与谐振器相连接的耦合部件形成容性交叉耦合；图16(4)表示未与谐振器相连接而中部含有额外分布电容的耦合部件形成容性交叉耦合；图16(5)给出未与谐振器相连接而中部含有额外分布电感的耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图16(6)给出与谐振器相连接而中部含有额外分布电感的耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图16(7)表示与谐振器相连接而中部含有额外集总电容的耦合部件形成容性交叉耦合；图16(8)给出与谐振器相连接而中部含有集总电感的耦合部件形成感性交叉耦合；图16(9)表示未与谐振器相连接而中部含有额外集总电容的耦合部件形成容性交叉耦合；图16(10)给出未与谐振器相连接而中部含有集总电感的耦合部件形成感性交叉耦合。

图17是滤波器中采用组合交叉耦合部件形成交叉耦合的示意图，图中只给出了两个组合部件的情形，但可以包含多个组合部件。因此，不应理解为仅仅包括图17中给出的图形限制。图17(1)表示未与谐振器相连接含有集总或分布电容器与电感器的并联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图17(2)表示与谐振器相连接含有集总或分布电容器与电感器的并联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图17(3)表示未与谐振器相连接含有集总电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图17(4)表示与谐振器相连接含有集总电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图17(5)表示未与谐振器相连接含有分布电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合；图17(6)表示与谐振器相连接含有分布电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合。

最后，本发明提供具有交叉耦合的滤波器的调试方法。按照滤波器工程实现方案，加工、组装构成滤波器，根据设计所采用的结构形式以及耦合与交叉耦合部件，利用本发明中给出的耦合相位关系模型得到的各谐振器单元以及各耦合部件的相对相移关系，确定各谐振器的谐振频率分布及其各谐振器单元的基本参数，以及利用等效导纳参数模型确定的耦合与交叉耦合部件的基本参数，微调谐振器单元与耦合部件的参数，可快速准确地调试得到满足设计规范要求的滤波器。

本发明具有以下有益效果：

1.具有交叉耦合的滤波器可以实现非对称抑制性能的传输响应。

2.给出的交叉耦合设计与实现方法通用且简便，适于微带、腔体等滤波器，易于实现。

3.与普通切比雪夫滤波器相比，谐振器单元数目减少了；与椭圆函数滤波器相比，结构简洁，调试简便。

4.具有交叉耦合的滤波器具有低插损、高品质因素及高选择性；降低了滤波器件成本，减小了体积，减轻了重量，可满足现代通信对高性能滤波器件的需求。

5.提供的滤波器交叉耦合分析方法，可用于分析各种结构形式的滤波器的耦合与交叉耦合的相对相移关系，从而确定传输零点的特征。

6.提供的滤波器交叉耦合分析方法，有助于分析、设计与调试滤波器。

7.提供的滤波器交叉耦合通用分析方法，简便实用，普通工程技术人员易于掌握。

8.给出的滤波器的耦合与交叉耦合的通用模型，可以确定耦合与交叉耦合部件的参数，从而在滤波器中实现所需要的耦合与交叉耦合系数，设置适当的传输零点位置。

9.提供的滤波器交叉耦合的通用实现方法，可以通过选择、设计与控制交叉耦合部件，在滤波器中实现指定的交叉耦合系数。

10.提供的滤波器交叉耦合的通用实现方案中，交叉耦合控制部件具有较大的电尺寸，制作材料无特殊要求，便于制作和现场调试，便于滤波器件批量生产。

11.提供的滤波器交叉耦合的通用实现方法，具有较大的灵活性，方法简便，可操作性强，普通工程技术人员易于掌握和设计。

12.提供的滤波器调试方法，可快速准确地调试滤波器，普通工程技术人员即可掌握。

附图说明

图1是耦合相位关系模型示意图。

其中，图(1)表示感性耦合；图(2)表示容性耦合；图(3)表示谐振器单元；图(4)是串联电容与传输线组合表示容性或感性耦合；图(5)是串联电感与传输线组合表示容性或感性耦合。图中，A、B代表电路网络端口。

图2是感性耦合的典型散射参数相位特性曲线。

图3是容性耦合的典型散射参数相位特性曲线。

图4是谐振器单元的典型散射参数相位特性曲线。

图5是具有交叉耦合通道的典型滤波器结构示意图。

其中，图(a)是具有感性交叉耦合的三谐振器单元滤波器示意图；

图(b)是具有容性交叉耦合的三谐振器单元滤波器示意图；

图(c)是具有容性交叉耦合的四谐振器单元滤波器示意图；

图(d)是具有感性交叉耦合的四谐振器单元滤波器示意图；

图(e)是具有感性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器示意图；

图(f)是具有感性与容性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器示意图；

图(g)是具有感性与容性三交叉耦合的五谐振器单元滤波器示意图；

图(h)是具有三感性交叉耦合的五谐振器单元滤波器示意图。

图中，圆圈代表谐振器单元，其中的数字是该谐振器的编号，编号为最大与最小的谐振器连接输入输出端口；电感与电容表示谐振器之间的耦合关系，其旁边的数字表示其可能的相对相移。

图6给出图5(a)所示的具有感性交叉耦合的三谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图7给出图5(b)所示的具有容性交叉耦合的三谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图8给出图5(c)所示的具有容性交叉耦合的四谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图9给出图5(e)所示的具有感性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图10给出图5(f)所示的具有感性与容性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图11给出图5(g)所示的具有感性与容性三交叉耦合的五谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图12给出图5(h)所示的具有三感性交叉耦合的五谐振器单元滤波器在引入交叉耦合前后的传输特性。

图13是耦合通道(部件)的等效导纳参数模型示意图。

其中，图(a)给出具有虚拟传输线的导纳变换器模型图；

图(b)是图13(a)的等效网络结构示意图；

图(c)是主耦合与交叉耦合的最终等效导纳变换器模型。

图中，Y_c是虚拟传输线的特性导纳，其电长度为θ_c，J₁、J₂分别是虚拟传输线连接两谐振器单元的导纳参数，J₁₂、jB₁与jB₂是耦合通道的最终等效导纳变换器参数与等效电纳参数(j是虚数单位)，L1与C1、L2与C2分别是该耦合通道两端的谐振器单元的等效LC回路。

图14给出一种具有容性交叉耦合的腔体滤波器示意图。图中，标号1代表输入输出端口，标号2是半刚性电缆用作容性交叉耦合部件。

图15给出一种具有感性交叉耦合的腔体滤波器示意图。图中，标号1代表输入输出端口，标号3是金属半环用作感性交叉耦合部件。

图16是滤波器中采用单一交叉耦合部件形成交叉耦合的示意图。

其中，图(1)表示与谐振器相连接的平行部件形成容性交叉耦合示意图；

图(2)表示与谐振器相连接的中部含有额外分布电容的平行部件形成容性交叉耦合示意图；

图(3)表示未与谐振器相连接的耦合部件形成容性交叉耦合示意图；

图(4)表示未与谐振器相连接而中部含有额外分布电容的耦合部件形成容性交叉耦合示意图；

图(5)给出未与谐振器相连接而中部含有额外分布电感的耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(6)给出与谐振器相连接而中部含有额外分布电感的耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(7)表示与谐振器相连接而中部含有额外集总电容的耦合部件形成容性交叉耦合示意图；

图(8)给出与谐振器相连接而中部含有集总电感的耦合部件形成感性交叉耦合示意图；

图(9)表示未与谐振器相连接而中部含有额外集总电容的耦合部件形成容性交叉耦合示意图；

图(10)给出未与谐振器相连接而中部含有集总电感的耦合部件形成感性交叉耦合示意图。

图中，圆圈代表非相邻谐振器单元。

图17是滤波器中采用两个组合交叉耦合部件形成交叉耦合的示意图。

其中，图(1)表示未与谐振器相连接含有集总或分布电容器与电感器的并联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(2)表示与谐振器相连接含有集总或分布电容器与电感器的并联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(3)表示未与谐振器相连接含有集总电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(4)表示与谐振器相连接含有集总电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(5)表示未与谐振器相连接含有分布电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图；

图(6)表示与谐振器相连接含有分布电容器与分布电感器的串联交叉耦合部件形成容性或感性交叉耦合示意图。

图中，圆圈代表非相邻谐振器单元。

图18是具有对称四个传输零点的八极谐振腔滤波器结构示意图。

图19给出图18所示结构的滤波器的测试曲线。

图20表示在高端带边含有两个传输零点，在低端含有一个传输零点的非对称传输响应的十极谐振器滤波器结构示意图。

图21给出图20所示结构的滤波器的测试曲线。

图22是具有交叉耦合的四同轴谐振腔滤波器的实物模型图。

图23给出图22所示结构的滤波器的传输响应测试曲线。

具体实施方式

实施例1：

八极谐振腔滤波器，其结构示意图见图18，它是图5(e)与图5(f)合并而成的结构。由前面分析已知，图5(e)表示具有感性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器，在传输通带高端带边含有两个传输零点，低端没有传输零点，其传输特见图9的实线；图5(f)表示具有感性与容性双交叉耦合的四谐振器单元滤波器，在传输通带低端带边含有两个传输零点，高端没有传输零点，其传输特性见图10的实线，因此，图18结构形式的滤波器传输特性含有四个传输零点，其中谐振器1～4所产生的两个传输零点位于通带低端带边，谐振器5～8所产生的两个传输零点位于通带高端带边。该滤波器特性测试结果见图19，与利用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析结果相同。本实施例表明，应用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析复杂结构形式的滤波器的耦合与交叉耦合的相对相位关系，确定是否存在传输零点以及传输零点的特征，对于滤波器分析、设计与调试是一种简便实用的方法。

实施例2：

十极谐振器滤波器，其结构示意图见图20，谐振器1与10连接输入输出端口，其谐振器间的主耦合为容性耦合。利用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析其传输零点特性如下。

在谐振器单元3的谐振频率低端，传输通道(2→3→4相移：+90°+90°+90°＝+270°)与交叉耦合通道(2→4相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边无传输零点；在谐振器单元3的谐振频率高端，传输通道(2→3→4相移：+90°-90°+90°＝+90°)与交叉耦合通道(2→4相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边产生一个传输零点。

在谐振器单元5的谐振频率低端，传输通道(4→5→6相移：+90°+90°+90°＝+270°)与交叉耦合通道(4→6相移：+90°)间的相移相反，故在传输通带低端带边产生一个传输零点；在谐振器单元5的谐振频率高端，传输通道(4→5→6相移：+90°-90°+90°＝+90°)与交叉耦合通道(4→6相移：+90°)间的相移相同，故在传输通带高端带边无传输零点。

在谐振器单元8的谐振频率低端，传输通道(7→8→9相移：+90°+90°+90°＝+270°)与交叉耦合通道(7→9相移：-90°)间的相移相同，故在传输通带低端带边无传输零点；在谐振器单元8的谐振频率高端，传输通道(7→8→9相移：+90°-90°+90°＝+90°)与交叉耦合通道(7→9相移：-90°)间的相移相反，故在传输通带高端带边产生一个传输零点。

其它谐振器的相移对滤波器传输零点无影响。因此，在传输通带高端带边生成两个传输零点，低端出现一个传输零点。

该滤波器特性测试结果见图21，与利用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析结果吻合。本实施例表明，应用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析各种结构形式的滤波器的耦合与交叉耦合的相对相位关系，可以方便准确地确定滤波器传输特性的传输零点特征，有益于高性能滤波器的分析、设计与调试。

实施例3：

设计了铝合金制作的同轴谐振腔滤波器，实物模型见图22。铝合金盒中开出了四个同轴谐振腔，与同轴谐振腔连接的输入/输出装置(I/O和O/I)为同轴探针，在各同轴谐振腔中加装了调谐螺钉，除了同轴谐振腔之间的主信号通道外，在首尾同轴谐振腔之间开出了一个矩形辅助信号通道，该矩形槽中布设了四分之一波长的矩形带线作为交叉耦合控制部件(1)。

该滤波器的耦合相位关系模型见图5(c)，它是具有容性交叉耦合的四谐振器单元滤波器。应用本发明给出的交叉耦合相位分析模型分析该结构形式的滤波器的耦合与交叉耦合的相对相位关系可知，在谐振器单元2与3的谐振频率低端，主传输通道(1→2→3→4相移：-90°+90°-90°+90°-90°＝-90°)与交叉耦合通道(1→4相移：+90°)间的相移相反，反相叠加的结果在传输通带低端带边生成一个传输零点；在谐振器单元2与3的谐振频率高端，主传输通道(1→2→3→4相移：-90°-90°-90°-90°-90°＝-90°-360°)与交叉耦合通道(1→4相移：+90°)间的相移相反，反相叠加的结果在传输通带高端带边也生成一个传输零点，因此在通带两侧个有一个传输零点。其模拟传输特性图8的实线。

其测试的传输特性见图23。如去掉交叉耦合控制部件并封闭辅助信号通道，则该滤波器就成了常规切比雪夫滤波器，其传输特性与图8的虚线吻合。如果改动交叉耦合带线为五分之一波长，并相应调整调谐螺钉后测得传输零点相对通带中心向外移动。该实施例表明，此种结构的腔体滤波器在通带带边引入了一对有限的传输零点，有效地提高了通带带边的抑制性能。加长带线则增强了交叉耦合，带边的传输零点相对通带中心内移，近端抑制性能提高了；相反缩短带线减弱了交叉耦合，带边的传输零点相对通带中心外移，远端的抑制得到改善。去除交叉耦合，则没有有限的传输零点。本发明提供的交叉耦合相位分析模型可以准确分析滤波器传输特性的传输零点特征。本发明提供的滤波器主耦合与交叉耦合通用模型，可以用于确定耦合与交叉耦合部件的参数，设置正确的传输零点位置，得到高性能的滤波器。本发明所提供的交叉耦合实现方法，简便有效。

Claims (3)

1、一种滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，其特征是采用如下步骤：

第一步(建立耦合相位关系模型步骤)：耦合相位关系模型如下：若耦合通道(部件)为感性耦合，认为其对传输信号相移约-90°；若耦合通道(部件)为容性耦合，认为其对传输信号相移约+90°；对于谐振器单元，认为其在谐振点处对传输信号相移为零，在谐振频率低端对传输信号相移约+90°，在谐振频率高端对传输信号相移约-90°；串联电容或串联电感与传输线组合表示具有任意确定相移的容性或感性耦合；

第二步(判定传输零点的准则步骤)：判定传输零点的准则是：利用第一步给出的耦合相位关系模型，若主传输通道的相对相移与交叉耦合传输通道的相对相移差接近180°，且对传输信号幅度衰减相近，则在滤波器传输通带带边生成传输零点；若主传输通道的相对相移与交叉耦合传输通道的相对相移接近，则在滤波器传输通带带边不生成传输零点；利用判定传输零点的准则可以分析具有交叉耦合的滤波器结构形式的传输通道相对相移关系，同理，在已知传输通道相对相移关系时，利用判定传输零点的准则可以得到具有交叉耦合的滤波器的结构形式；

第三步(设计具有交叉耦合的滤波器步骤)：首先，基于电路网络理论，建立耦合通道(部件)的等效导纳参数模型；然后，根据等效导纳参数模型和已知的传输通道相对相移关系，利用第二步给出的判定传输零点的准则，就可以确定交叉耦合部件的参数，由此，可以得到具有正确的传输零点位置的交叉耦合滤波器设计方案；

第四步(滤波器工程实现步骤)：根据第三步得到的滤波器设计方案，以及滤波器功率承载能力、尺寸与重量等工程要求，确定滤波器的工程实现方案；

第五步(滤波器加工与调试步骤)：按照第四步得到的滤波器工程实现方案，加工、组装构成滤波器；利用第一步给出的耦合相位关系模型得到各谐振器单元以及各耦合与交叉耦合部件的相对相移关系，以及第三步确定的交叉耦合部件参数，调试得到满足设计规范要求的滤波器。

2、根据权利要求1所述的一种滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，其特征是所述的交叉耦合容性工程实现的方式可以是：采用半刚性电缆，或带线条，或微带条，或其它金属丝带，或集总电容器，或分布电容器及其它们的组合部件。

3、根据权利要求1所述的一种滤波器中交叉耦合的设计与制备方法，其特征是所述的交叉耦合感性工程实现的方式可以是：采用含有加载模片的通道，或半刚性电缆、带线或微带构成的小环或弧状结构，或集总电感器，或金属杆，或分布电感器及其它们的组合部件。

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