CN201387928Y - 发夹式微带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

一种发夹式微带带通滤波器，包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器均为“U”型且依次间隔排列，第一谐振器、第三谐振器和第五谐振器开口向下设置，第二谐振器和第四谐振器开口向上设置；第二谐振器的一个谐振条位于第一谐振器的两个谐振条之间，第四谐振器的一个谐振条位于第五谐振器的两个谐振条之间；第一谐振器与第五谐振器之间并联第一微带线，第二谐振器与第四谐振器之间并联第二微带线；第一谐振器上设有输入端，第五谐振器上设有输出端。本实用新型通过传输零点，增加了滤波器的带外抑制度，使该滤波器具有良好的矩形度及选频特性。

Description

发夹式微带带通滤波器

技术领域

本实用新型涉一种滤波器，尤其是一种用于微波通信领域的发夹式微带带通滤波器。

背景技术

微波滤波器现在已经成为一种十分重要的微波元件，其种类繁多，仅按其所用传输线的类型来分，就可分成波导滤波器、同轴滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等等。

微带滤波器是微波滤波器的一种。随着微波技术在无线通讯和雷达系统中应用的不断增多，对电路尺寸小、制作简单的带通滤波器的需求也日益增加。由于微带在平面制图和制版上的方便，且易于和别的电路集成，因此尽管微带的损耗大，Q值低但微带带通滤波器仍在微波领域得到了广泛的应用。

常见的微带带通滤波器结构有平行耦合、端耦合、发夹式、梳状型和交指型等。其中发夹式带通滤波器由于其结构紧凑，易于集成，广泛应用于各种微波通信电路中。

传统的平面耦合带通滤波器设计一般都是根据滤波器的通带和阻带的衰减指标，选择出适当的归一化低通原型，然后计算出阻抗矩阵元素和各耦合线段的偶模及奇模阻抗，最后根据偶、奇模阻抗确定该滤波器的实际物理尺寸。然而，该设计复杂烦琐，精确度往往不高，因为边缘耦合电容的影响需要对耦合区的长度进行修正，因此反复验证和调整必不可少。

近年来，随着计算机和应用软件的不断发展，微波滤波器的设计也进入了一个崭新的阶段。计算机模拟辅助设计绕开了复杂的理论计算和推导，利用电磁场仿真软件进行微波滤波器的设计。

因此，亟需一种利用电磁场仿真软件进行设计的新型微带带通滤波器，以克服上述弊端。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于微波通信领域的发夹式微带带通滤波器。

本实用新型的技术方案是：

一种发夹式微带带通滤波器，包括第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器均为“U”型且依次间隔排列，第一谐振器、第三谐振器和第五谐振器开口向下设置，第二谐振器和第四谐振器开口向上设置；第二谐振器的一个谐振条位于第一谐振器的两个谐振条之间，第四谐振器的一个谐振条位于第五谐振器的两个谐振条之间；第一谐振器与第五谐振器之间并联第一微带线，第二谐振器与第四谐振器之间并联第二微带线；第一谐振器上设有输入端，第五谐振器上设有输出端。

所述第一微带线的长度为三倍半波长λg/2。

所述第二微带线的长度为半波长λg/2。

所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第一微带线和第二微带线的板材厚度为0.3毫米至0.6毫米之间。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的发夹式微带带通滤波器通过在5阶发卡式滤波器的非相邻谐振间分别并联长度为λg/2、3×λg/2的微带线，使得在滤波器的通带两侧产生一对传输零点，构成一种新的微带带通滤波器。其插损小且具有良好的矩形度。制作工艺简单，成本低廉，结构紧凑，尺寸小，在工程上具有良好的应用价值。

本实用新型发明在传统的发夹带通滤波器基础上进行了改进，通过在通带两侧产生的传输零点，增加了滤波器的带外抑制度，使该滤波器具有良好的矩形度及选频特性。同时调整滤波器的结构布局，减小体积。

附图说明

图1为传统的发卡式微带滤波器的结构示意图。

图2为本实用新型的发夹式微带带通滤波器结构示意图。

图3为本实用新型的发夹式微带带通滤波器的计算机仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

本实用新型的设计原理：传统的微带发卡式滤波器的结构如图1所示，其谐振单元为微带发夹型谐振器，也叫U形谐振器。两个发夹型谐振器之间的耦合根据谐振器放置的相对位置可分为电耦合、磁耦合和混合耦合三种情况。谐振器的间距和相对位置偏移决定了耦合系数的大小。谐振器之间的耦合系数K可按下式进行计算：

$K=\frac{f_{p2}^2-f_{p1}^2}{f_{p2}^2+f_{p1}^2}$

式中，f_p1和f_p2是当两个谐振器之间的中心面分别被定义为电壁和磁壁时的谐振频率。

耦合的拓扑结构大体上可以划分为级联耦合和交叉耦合两大类。级联耦合滤波器的N阶谐振器沿一个方向依次排开，只有一条耦合路径，并且只有相邻谐振器之间存在耦合。交叉耦合滤波器的具体实现形式多种多样且灵活多变。交叉耦合的实质是从信号源到负载端有不止一条耦合路径，包括主耦合路径和相对较弱的辅耦合路径，任意两谐振器(包括信号源和负载端在内)之间都可以产生耦合。相对于级联耦合，交叉耦合的最大优点是能够在通带附近的有限频率处产生传输零点，因而滤波器的带外抑制能力将获得极大提高，反映到传输曲线S21上就明显地表现为通带-阻带过渡段变得陡峭。使用交叉耦合的谐振器滤波器比普通级联型的滤波器具有更好的频率选择性，同时可以减少所需谐振器的数目。

设计发卡式滤波器首先要确定带通滤波器的低通原型，N为低通原型的阶次，等于半波长谐振器的数目，为低通原型滤波器的归一化数值，一般选用切比雪夫归一化低通原型；FBW为微波滤波器的相对带宽，定义为

$\mathrm{FBW}=2\frac{f_2-f_1}{f_2+f_1}=\frac{f_2-f_1}{f_0}$

式中，f₁和f₂分别为微波滤波器的上、下带边频率；f₀为通带中心频率。然后根据以上低通原型，带通滤波器设计参数可通过以下变换公式获得，即

$Q_{e1}=\frac{g_0{g}_1}{\mathrm{FBW}};$ $Q_{\mathrm{en}}=\frac{g_n{g}_{n+1}}{\mathrm{FBW}}$

$M_{i,j}=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_i{g}_{i+1}}}$ (i＝1～(n-1))

式中Q_en是谐振器输入输出端口的外部品质因子，M_i，j是相邻谐振器之间的耦合系数。

由于在该滤波器的设计中要通过在滤波器结构的谐振器之间实现交叉耦合，继而实现滤波器响应实现传输零点，所以先简单介绍一下滤波器传输零点的理论。

一般的滤波器的传输函数可以表示为：

${\left|S_{21}\left(\mathrm{\Ω}\right)\right|}^2=\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}^2{F}_N^2\left(\mathrm{\Ω}\right)}$

其中， $\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{\sqrt{{10}^{-(L_R/10)}-1}}$ 为归一化频率，为滤波器的回波损耗。具有传输零点的切比雪夫型滤波函数可以表示为：

F_N＝cosh{(N-2)cosh^-1(Ω)+cosh^-1((Ω_aΩ+1)/(Ω_a+Ω))}            (6)

由上式可知，当＝±(＞1)时为滤波器的传输零点位置，当趋于无穷大时，滤波器的传输零点趋于无穷，即为通常熟悉的切比雪夫函数响应。带通滤波器的传输频率响应可以由下面对频率变换条件确定：

$\mathrm{\Ω}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}(\frac{f}{f_0}-\frac{f_0}{f})$

其中f为频率变量，f₀为滤波器的中心频率，ω为滤波器的分数带宽。由上式可以得到滤波器的频率轴上有限频率处传输零点的位置为：

$f_1=f_0\frac{-{\mathrm{\Ω}}_a\mathrm{\ω}+\sqrt{{\left({\mathrm{\Ω}}_a\mathrm{\ω}\right)}^2+4}}{2}$

$f_2=f_0\frac{{\mathrm{\Ω}}_a\mathrm{\ω}+\sqrt{{\left({\mathrm{\Ω}}_a\mathrm{\ω}\right)}^2+4}}{2}$

由上式可知越接近1，表示滤波器的传输零点离滤波器通带越近，滤波器的带外衰减越大。

要在滤波器的频率响应实现传输零点，通常需要在滤波器结构的谐振器之间实现交叉耦合，使得谐振器的相邻耦合和非相邻耦合之间相位反相，即相邻谐振器之间的耦合如果为磁耦合，非相邻谐振器之间的耦合则应该为电耦合。

结合以上对传统微带发卡式滤波器结构和传输零点理论的分析，本实用新型为5阶发卡式滤波器，在第一谐振器1和第五谐振器5之间并联长度为三倍半波长λg/2的微带线，以及在第二谐振器2和第四谐振器4之间并联长度为λ半波长g/2的微带线。

软件仿真设计：

利用高频分析软件AWR仿真分析了根据上述原理设计的带通滤波器，仿真结果如图5所示。介质基片采用厚度为0.5毫米的Ro4003型电路板。

一种发夹式微带带通滤波器，包括第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3、第四谐振器4和第五谐振器5，第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3、第四谐振器4和第五谐振器5均为“U”型且依次间隔排列，第一谐振器1、第三谐振器3和第五谐振器5开口向下设置，第二谐振器2和第四谐振器4开口向上设置；第二谐振器2的一个谐振条20位于第一谐振器1的两个谐振条10、11之间，第四谐振器4的一个谐振条40位于第五谐振器5的两个谐振条50、51之间；第一谐振器1与第五谐振器5之间并联第一微带线6，第二谐振器2与第四谐振器4之间并联第二微带线7；第一谐振器1上设有输入端8，第五谐振器5上设有输出端9。

第一微带线6的长度为三倍半波长λg/2。

第二微带线7的长度为半波长λg/2。

第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3、第四谐振器4、第五谐振器5、第一微带线6和第二微带线7的板材厚度为0.3毫米至0.6毫米之间。作为优选，第一谐振器1、第二谐振器2、第三谐振器3、第四谐振器4、第五谐振器5、第一微带线6、第二微带线7、输出端9和输入端8可由厚度为0.5毫米的Ro4003型PCB电路板通过蚀刻制得。具体厚度也可根据实际使用需要调整。

本实用新型未涉及的硬件和软件均可通过现有技术实现。

Claims (4)

1、一种发夹式微带带通滤波器，包括第一谐振器(1)、第二谐振器(2)、第三谐振器(3)、第四谐振器(4)和第五谐振器(5)，其特征是所述第一谐振器(1)、第二谐振器(2)、第三谐振器(3)、第四谐振器(4)和第五谐振器(5)均为“U”型且依次间隔排列，第一谐振器(1)、第三谐振器(3)和第五谐振器(5)开口向下设置，第二谐振器(2)和第四谐振器(4)开口向上设置；第二谐振器(2)的一个谐振条(20)位于第一谐振器(1)的两个谐振条(10，11)之间，第四谐振器(4)的一个谐振条(40)位于第五谐振器(5)的两个谐振条(50，51)之间；第一谐振器(1)与第五谐振器(5)之间并联第一微带线(6)，第二谐振器(2)与第四谐振器(4)之间并联第二微带线(7)；第一谐振器(1)上设有输入端(8)，第五谐振器(5)上设有输出端(9)。

2、根据权利要求1所述的发夹式微带带通滤波器，其特征是所述第一微带线(6)的长度为三倍半波长λg/2。

3、根据权利要求1所述的发夹式微带带通滤波器，其特征是所述第二微带线(7)的长度为半波长λg/2。

4、根据权利要求1所述的发夹式微带带通滤波器，其特征是所述第一谐振器(1)、第二谐振器(2)、第三谐振器(3)、第四谐振器(4)、第五谐振器(5)、第一微带线(6)和第二微带线(7)的板材厚度为0.3毫米至0.6毫米之间。

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