CN201222527Y

CN201222527Y - 微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器

Info

Publication number: CN201222527Y
Application number: CNU2008200639941U
Authority: CN
Inventors: 曹纪纲
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2018-06-27

Abstract

本实用新型公开了一种微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，该微波带通滤波器由滤波器腔体和内部交叉耦合结构组成，所述交叉耦合结构包括四个谐振环，谐振环为内凹型结构，此四个谐振环成2×2矩阵型放置，其中，第一个谐振环和第四个谐振环以凹槽口正向相对的方式放置，形成电耦合，并分别通过微带线与滤波器腔体内两侧的同轴探针相连，微带线的线宽为0.2mm。本实用新型设计简单，实施方便，能够广泛应用于微波毫米波波段，与现有技术相比，具有更小型化和高工作频率的特点。本实用新型主要用于卫星和移动通讯系统中。

Description

微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种滤波器，具体地说，是涉及一种应用于微波波段、毫米波波段的微波带通滤波器。

背景技术

现代滤波器多用于卫星和移动通信系统中，要求滤波器在通带内具有高选择性、低插入损耗、小型化和线形相位等特点。为了实现高选择性，增加滤波器的品质因数，传输零点理论被应用到微带带通滤波器技术中。

传输零点理论，即在滤波器中采用交叉耦合结构，该交叉耦合结构在通带两侧有限点处增加传输零点。目前，这种交叉耦合结构被广泛应用于滤波器电路中，其中，J.S.Hong和M.J.Lancaster在交叉耦合技术作了大量的工作，并产生了一种如图1所示的交叉耦合结构，使用该交叉耦合结构设计的滤波器的中心频率为950M；Chu-ChenYang和Chi-Yang Chang利用了如图2所示结构实现带通滤波性能，中心频率为2.95G；而KARI T.JOKELA给出了另一种如图3所示的交叉耦合结构，中心频率为3.5G。

纵观上述各种滤波器，不难发现，当前的交叉耦合结构存在以下缺陷：

一.上述各种滤波器通常采用线宽为50欧姆的微带线，同时因交叉环的结构限制，导致滤波器尺寸为厘米级，结构较大；

二.工作频率在5G以下，不能被应用于微波和毫米波波段。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微带滤波器，通过设计新型电路结构，解决现有技术中的缺陷，实现微带滤波器的高工作频率和微波、毫米波波段的广泛应用。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，包括滤波器腔体，其特征在于，所述滤波器腔体内设有用于实现带通滤波的交叉耦合结构，该交叉耦合结构由至少四个谐振环组成，交叉耦合结构的两端分别通过微带线与同轴探针连接。

所述谐振环成矩阵型放置。

所述谐振环为内凹型谐振环。

所述谐振环的内凹处设有开口。

所述交叉耦合结构由四个谐振环组成，四个谐振环按照2×2矩阵位置设置，其中，第一个谐振环和第四个谐振环以凹槽口正向相对的方式设置，并分别通过微带线与滤波器腔体内两侧的同轴探针相连。

本实用新型是以传输零点理论为基础，通过改进交叉耦合结构，使交叉耦合结构中形成三种耦合结构：交叉耦合、磁耦合和电耦合。在这三种结构中，电耦合是指凹槽口正向相对放置的两个耦合环形成的结构，并作为交叉耦合结构的输入输出端；磁耦合是指凹槽口反向放置的两个耦合环形成的结构；而交叉耦合则是两个凹槽口成斜向放置的两个耦合环形成的结构，具体情况见图6～图8。在改进交叉偶合结构的基础上，使用0.2mm阻抗线而非传统的50欧姆阻抗线，使得滤波器具有更小型化结构和更高工作频率的特点。

在具体设计中，使用传输零点理论中的设计方法，并利用下列(1-1)和(1-2)式子进行设计：

g_{1} (Ω_{a}) = 1.22147 - 0.35543 \cdot Ω_{a} + 0.18337 \cdot Ω_{a}^{2} - 0.0447 \cdot Ω_{a}^{3} + 0.00425 \cdot Ω_{a}^{4}

g_{2} (Ω_{a}) = 7.22106 - 9.48678 \cdot Ω_{a} + 5.89032 \cdot Ω_{a}^{2} - 1.65776 \cdot Ω_{a}^{3} + 0.17723 \cdot Ω_{a}^{4}

J_{1} (Ω_{a}) = - 4.30192 + 6.26745 \cdot Ω_{a} - 3.67345 \cdot Ω_{a}^{2} + 0.9936 \cdot Ω_{a}^{3} - 0.10317 \cdot Ω_{a}^{4}

J_{2} (Ω_{a}) = 8.17573 - 11.36315 \cdot Ω_{a} + 6.96223 \cdot Ω_{a}^{2} - 1.94244 \cdot Ω_{a}^{3} + 0.20636 \cdot Ω_{a}^{4} - - - (1 - 1)

Q_{et} = Q_{eo} = \frac{g_{1}}{FBW}

M_{t, t + 1} = M_{n - 1, n - t + 1} = \frac{FBW}{\sqrt{g_{t} g_{t + 1}}}

for i＝1 to m-1

M_{m, m + 1} = \frac{FBW \cdot J_{m}}{g_{m}}

M_{m - 1, m + 2} = \frac{FBW \cdot J_{m - 1}}{g_{m - 1}} - - - (1 - 2)

式(1-2)确定了具体的设计参数和耦合系数。为了设计方便，在介质基片ε_r＝2.22，厚度h＝0.254mm上，得到图9～图11所示的耦合系数与相邻环间距离的曲线图，利用上述方法和曲线图可以得到本实用新型所述的微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器。

本实用新型设计十分简单，通过改进交叉耦合结构，使用0.2mm宽的微带线，能够大大减小滤波器的结构尺寸，使滤波器的结构达到2.45*2.2mm²的微小程度，工作频率达10G以上，在K波段甚至达到23G。

与现有技术相比，本实用新型不仅能够工作在微波毫米波波段，更具有小型化和高工作频率的优势，主要应用于卫星和移动通信系统中。

附图说明

图1为J.S.Hong和M.J.Lancaster设计的交叉耦合结构的示意图。

图2为Chu-Chen Yang和Chi-Yang Chang设计的交叉耦合结构的示意图。

图3为KARI T.JOKELA设计的交叉耦合结构的示意图。

图4为本实用新型中谐振环的示意图。

图5为本实用新型的交叉耦合结构的示意图。

图6为本实用新型中交叉耦合的示意图。

图7为本实用新型中磁耦合的示意图。

图8为本实用新型中电耦合的示意图。

图9为本实用新型中交叉耦合M-d曲线图。

图10为本实用新型中磁耦合M-d曲线图。

图11为本实用新型中电耦合M-d曲线图。

图12为本实用新型的整体结构示意图。

具体实施方式

下面通过举例来对本实用新型进行详细说明。

微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，包括滤波器腔体，在滤波器腔体内设有用于实现带通滤波的交叉耦合结构，该交叉耦合结构由四个谐振环组成，四个谐振环成2×2矩阵型放置，其中，第一个谐振环和第四个谐振环的凹槽口正向相对放置，形成电耦合，此两个谐振环作为交叉耦合结构的输入输出端，分别通过微带线与滤波器腔体内两侧的同轴探针相连。

下面以设计一个中心频率为10.3G、工作带宽3％、L_R为-20dB的窄带带通滤波器为例进行说明。

微带线采用0.2mm宽，经过电磁软件模拟仿真调整后，谐振环的边长为2.2mm。根据现有技术，可以很容易计算得出Ω_a＝1.0146，将Ω_a代入(1-1)和(1-2)可以得出滤波器中各个耦合环间的耦合系数M矩阵。

根据耦合系数M和环间距d的关系，并基于Rogers公司的Duriod5880的基片，其中介电常数ε_r为2.22，厚度h为0.254mm，通过电磁场模拟软件CST计算得到耦合系数与各个相邻环之间的物理尺寸的关系曲线。图6～图8给出了各种属性耦合系数与环间距之间的对应关系，根据各种关系，可以设计出响应的带通滤波器，各波段的带通滤波器特征如下：

一.X波段：其带通滤波器的中心频率为10G，带宽为550M，带内插损为0.5dB，尺寸为5.9*5.9mm²。

二.Ku波段：其带通滤波器的中心频率为17G，带宽为860M，带内插损为0.8dB，尺寸为4*3.9mm²。

三.K波段：其带通滤波器的中心频率为23G，带宽为2.3G，带内插损为1.5dB，尺寸为2.45*2.2mm²。

由上述数据可以明显看出，本实用新型与现有技术相比，更具有小型化和高工作频率的优势，能够广泛应用于微波毫米波波段中。

Claims

1.微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，包括滤波器腔体，其特征在于，所述滤波器腔体内设有用于实现带通滤波的交叉耦合结构，该交叉耦合结构由至少四个谐振环组成，交叉耦合结构的两端分别通过微带线与同轴探针连接。

2.根据权利要求1所述的微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，其特征在于，所述谐振环呈矩阵型放置。

3.根据权利要求1所述的微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，其特征在于，所述谐振环为内凹型谐振环。

4.根据权利要求3所述的微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，其特征在于，所述谐振环的内凹处设有开口。

5.根据权利要求1所述的微带凹槽交叉耦合环微波带通滤波器，其特征在于，所述交叉耦合结构由四个谐振环组成，四个谐振环按照2×2矩阵位置设置，其中，第一个谐振环和第四个谐振环按凹槽口正向相对的方式设置，并分别通过微带线与滤波器腔体内两侧的同轴探针相连。