CN203339279U - 一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、信号输入端、信号输出端、第一谐振器和第二谐振器；两个谐振器排布成中心对称的结构；第一馈电线、第二馈电线结构相同且排布成中心对称的结构，第一馈电线与信号输入端连接，第二馈电线与信号输出端连接，并且第一馈电线与第一谐振器之间、第二馈电线与第二谐振器之间均形成耦合结构。本实用新型具有结构来产生体积小、选择性高、三个中心频率方便控制的优点。

Description

一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器

技术领域

本发明涉及一种小型化的三频滤波器，特别是涉及一种体积小，高选择性，三个中心频率方便控制，可应用于射频前端电路中的多频率通信系统带通滤波器。 

背景技术

当今社会，随着多系统无线通信和移动通信技术的迅猛发展，现代微波、毫米波系统正在迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本的方向发展。滤波器作为射频系统前端的关键器件也成为了热点问题，小型化、多通带、高选择性的滤波器有着极为迫切的需求。 

目前国内外研究者在射频滤波器方面做了大量研究，也取得了不少成果，多通带滤波器的主要的传统的设计方法可以分为以下三种。第一种方法是利用多个滤波器组合设计多频段滤波器，包括带通滤波器与带阻滤波器的组合、多个带通滤波器的组合等。如大唐移动通信设备有限公司熊军的专利——一种级联滤波器的设计方法及设计装置（专利号200910241860.3）提出了一种PFIR和CIC滤波器级联的组合滤波器。第二种方法是通过使用多套谐振器组合，不同的谐振器产生不同的通带，从而达到获得多通带的效果。如论文B.-J.Chen,T.-M.Shen,and R.-B.Wu,“Design of tri-band filters with improved band allocation,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.57,no.7,pp.1790-1797,Jul.2009使用两套谐振器组合，其中一套谐振器产生一个通带，另一套产生另外两个通带，实现了三通带带通滤波器的设计。第三种方法是采用多节阶跃阻抗谐振器结构，如上海大学肖中银、黄春艳、王业清、李好、储君君的专利——基于非对称阶跃阻抗谐振器的超窄带双频滤波器（专利号201210116440.4），利用两节阶跃阻抗谐振器，通过改变阶跃阻抗谐振器的阻抗比来得到所需的谐振频率，从而实现双频滤波器的设计。第一、二种方法设计的滤波器整体尺寸大、成本高，在竞争日益激烈的通信行业处于劣势。而第三种方法设计的滤波器虽然结构简单，体积也很小，但是由于它的几个频率相互影响， 导致频率不容易控制，通带带宽也不容易控制。 

近年来，中心加载结构因为结构简单、设计方便而受到众多设计滤波器的研究者的青睐。我国学者章秀银教授利用开路枝节线中心加载谐振器的结构设计了通带频率易控的双频滤波器，取得了不错的效果。如X.Y.Zhang,J.-X.Chen,Q.Xue,and S.-M.Li,“Dual-band bandpass filter using stub-loaded resonators,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.17,no.8,pp.583–585,Aug.2007。而在Ming-Qi Zhou,Xiao-Hong Tang,and Fei Xiao,“Compact Dual Band Bandpass Filter Using Novel E-Type Resonators With Controllable Bandwidths,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.18,no.12,pp.779-781,Dec.2008.文章中，采用在开路线的中间加载短路枝节线，设计了尺寸更小的双频滤波器。但是他们加载的是阻抗一致的枝节线，并都是双通带滤波器，没有很好地利用频带,没有充分考虑到耦合结构决定了滤波器的通带带宽、带外性能、传输零点等特性。 

发明内容

由于现有设计方法的缺陷，使得现有的多频滤波器存在体积大、成本高、频率及通带不易控制等缺点。本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种小型化的基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器。 

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案如下： 

一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、信号输入端、信号输出端、第一谐振器和第二谐振器；两个谐振器排布成中心对称的结构，并且两个谐振器结构完全相同；谐振器包括一条主传输线和一个中心加载的开路阶跃阻抗枝节线；第一馈电线、第二馈电线结构相同且排布成中心对称的结构，第一馈电线与信号输入端连接，第二馈电线与信号输出端连接，并且第一馈电线与第一谐振器之间、第二馈电线与第二谐振器之间均形成耦合结构。 

进一步优化的，所述上层微带结构为中心对称结构。 

进一步优化的，第一谐振器的主传输线包括第二微带线、第三微带线和第十 微带线，第二微带线一端开路，另一端和第三微带线相连，第三微带线的另一端和第十微带线相连，第十微带线的另一端开路，第二微带线、第三微带线和第十微带线顺次连成成左右对称的n形结构；第一谐振器的中心加载的开路阶跃阻抗枝节线包括第四微带线和第五微带线，第四微带线一端和第三微带线相连，另一端和第五微带线相连，第五微带线的另一端开路，第四微带线、第五微带线顺次连接成竖“1”形，第四微带线、第五微带线在宽度上不等。 

进一步优化的，第一馈电线包括第一微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线，其中第一微带线的一端与第九微带线相连，另一端开路；第六微带线、第七微带线和第八微带线依次连接构成n形结构,第六微带线一端开路，第八微带线一端与第九微带线相连；第九微带线是信号输入端，第十一微带线是信号输出端；信号从第九微带线的左端输入，然后分开两路到馈电线上，再经馈电线与谐振器之间的耦合作用，信号进入到谐振器，最后经第十一微带线的右端输出。 

进一步优化的，主传输线的长度L₁为所述滤波器的第二个谐振频率f₂对应的波长λ的二分之一,即 

$f_2=\frac{c}{2L_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

其中c为光波或电磁波在真空或介质中的传播速度，L₁为主传输线的长度，且L₁为两倍的第二微带线和第三微带线的长度之和，ε_eff为中间层介质基板的介电常数； 

而主传输线长度的一半加上阶跃阻抗枝节线产生第一频率f₁和第三频率f₃，其中f₁与f₃满足 

$\frac{f_3}{f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{{\tan }^{-1}\sqrt{\mathrm{Rz}}}$

$R_Z=\frac{Z_1}{Z_3}$

其中Z₁为主传输线的特性阻抗，Z₃第五微带线的特性阻抗，R_z为Z₁与Z₃的阻抗比。 

进一步优化的，上层微带结构和下层接地金属板的材料均为质地均匀的铜； 中间层介质基板的材料为罗杰斯RO4003介质基板,罗杰斯RO4003各项参数如下：介电常数为3.38±0.05，损耗因子为0.0027，导热系数为0.64W/（m·K），体积电阻为1.7×10^10MΩ.cm，表面电阻为4.2×10^9MΩ。 

相对于现有技术，本发明具有如下优点和技术效果： 

（1）多频。通信的快速发展对通信系统的收发机提出了小型化、集成化、高性能化等要求，采用多频天线、多频滤波器和多频放大器可以实现上述要求并大大节约成本。本发明提供一种多频可调滤波器，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。 

（2）三个通带的中心频率方便控制。先通过调节主传输线的长度来调节第二个中心频率，之后仅通过调节开路阶跃阻抗枝节线的总长度和宽度来调节第一和第三通带的频率。 

（3）具有高选择性。在本发明中，采用交叉耦合的结构和开路的枝节线馈电，使每个通带的两侧都有传输零点来增强通带的选择性，使滤波器的选择性更高。 

(4)体积较小。相较于使用多套谐振器产生多通带滤波器导致滤波器的体积过大，本发明只采用了两个谐振器，而且中心加载的开路阶跃阻抗线并没有增大多少体积，但是却可以产生三个频带，所以使滤波器的体积大大减小，为射频前端电路节省了不少空间。 

(5)成本低。本发明采用开路阶跃阻抗枝节线加载谐振器设计三频滤波器，上层微带结构和下层接地金属板的材料都是铜，中间层介质基板的材料是罗杰斯RO4003介质基板，相较于现有的许多滤波器来说，体积小而成本低，提高了多频滤波器在射频前端电路的市场竞争力。 

附图说明

图1是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器结构图； 

图2是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器结构尺寸示意图； 

图3a是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器的谐振器结构； 

图3b是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器的奇模等效电路； 

图3c是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器的偶模等效电 路； 

图4是基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器的仿真结果图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。 

本实例的小型化的高选择性的基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板。上层微带结构和下层接地金属板的材料均为质地均匀的铜，中间层介质基板的材料为罗杰斯RO4003介质基板。上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面。上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、信号输入端、信号输出端、第一谐振器A和第二谐振器B；两个谐振器排布成中心对称的结构，并且两个谐振器结构完全相同；谐振器包括一条主传输线和一个中心加载的开路阶跃阻抗枝节线；第一馈电线、第二馈电线结构相同且排布成中心对称的结构，第一馈电线与信号输入端连接，第二馈电线与信号输出端连接，并且第一馈电线与第一谐振器之间、第二馈电线与第二谐振器之间均形成耦合结构。 

如图1所示左上方标示的第一谐振器A包括主传输微带线部分和中心加载的开路阶跃阻抗枝节线部分。其中主传输线部分包括第二微带线2、第三微带线3和第十微带线10，第二微带线2一端开路，另一端和第三微带线3相连，第三微带线3的另一端和第十微带线10相连，第十微带线10的另一端开路，第二微带线2、第三微带线3和第十微带线10构成左右对称的n形结构；第二谐振器B与第一谐振器A成中心对称结构，并与第一谐振器的结构完全相同；中心加载的开路阶跃阻抗枝节线部分包括第四微带线4和第五微带线5，第四微带线4一端和第三微带线3相连，另一端和第五微带线5相连，第五微带线5的另一端开路，第4、第五微带线5顺次连接成竖“1”形，但第4、第五微带线5在宽度上不等。 

第一馈电线部分由第一微带线1、第六微带线6、第七微带线7和第八微带线8组成，其中第一微带线1的一端与第九微带线9相连，另一端开路；第六微带线6、第七微带线7和第八微带线8依次连接构成n形结构,第六微带线6一 端开路，第八微带线8一端与第九微带线9相连。第九微带线9是信号输入端，第十一微带线11是信号输出端。信号从第九微带线9的左端输入，然后分开两路到馈电线上，再经馈电线与谐振器之间的耦合作用，信号进入到谐振器，最后经第十一微带线11的右端输出。 

作为实例，三通带带通滤波器中，谐振器、馈电线、信号输入输出端部分完全成中心对称结构。 

图3a是小型化的高选择性的频率易控的中心加载开路阶跃阻抗线的三通带带通滤波器的谐振器结构；图3b是小型化的高选择性的频率易控的中心加载开路阶跃阻抗线的三通带带通滤波器的奇模等效电路；图3c是小型化的高选择性的频率易控的中心加载开路阶跃阻抗线的三通带带通滤波器的偶模等效电路； 

在图3a谐振器结构中，L₁为主传输线的长度。由奇偶模分析可知，主传输线的长度L₁为所述三通带带通滤波器的第二个谐振频率f₂对应的波长λ的二分之一,即 

$f_2=\frac{c}{2L_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$     公式一 

其中c为光波或电磁波在真空或介质中的传播速度，L₁为主传输线的长度，且L₁为两倍的第二微带线2和第三微带线3的长度之和，ε_eff为中间层介质基板的介电常数。 

而主传输线长度的一半加上阶跃阻抗枝节线产生第一和第三频率。其中f₁与f₃的关系表示如下 

$\frac{f_3}{f_1}=\frac{\mathrm{\π}}{{\tan }^{-1}\sqrt{\mathrm{Rz}}}$     公式二 

$R_Z=\frac{Z_1}{Z_3}$     公式三 

其中Z₁为主传输线的特性阻抗，Z₃第五微带线5的特性阻抗，R_z为Z₁与Z₃的阻抗比。 

由奇偶模分析可知，主传输线的长度L₁为所述三通带带通滤波器的第二个谐振频率f₂对应的波长λ的二分之一，而主传输线长度的一半加上阶跃阻抗枝节 线产生第一和第三频率。因此可以先调节第二通带中心频率，然后通过调节开路阶跃阻抗枝节线的长度和宽度来调节第一和第三频率。 

因此当主传输线长度L₁固定之后，通过改变开路阶跃阻抗枝节线的长度和宽度，即改变第4、第五微带线5的长度和宽度，就可以改变第一和第三谐振频率。设计三通带带通滤波器的工作频率为1.5GHz、2GHz和3.65GHz，则根据计算可知第一微带线1的长度为25.4±0.2mm,第二微带线2的长度为23±0.2mm,第三微带线3的长度为14±0.2mm，第四微带线4的长度为14.2±0.4mm，第五微带线5的长度为8±0.2mm，第六微带线6的长度为21.3±0.4mm，第七微带线7的长度为4±0.2mm，第八微带线8的长度为23.1±0.2mm，第九微带线9的长度可自选。第一微带线1的宽度为0.4±0.2mm，第二微带线2和第三微带线3的宽度为1±0.2mm,第四微带线4的宽度为1.4±0.2mm，第五微带线5的宽度为0.4±0.2mm，第六微带线6，第七微带线7和第八微带线8的宽度为0.4±0.2mm，第九微带线9的宽度为1.86±0.2mm。 

由上述分析可知，馈电线、信号输入输出端不影响滤波器频率的调节。因此保持馈电线微带线的长度、宽度不变，端口线长度自选，端口线宽度不变，可以先调节第二通带中心频率，然后通过调节开路阶跃阻抗枝节线的长度和宽度来调节第一和第三通带中心频率，获得不同中心频率的三通带带通滤波器。 

上述的小型化的高选择性的频率易控的中心加载开路阶跃阻抗线的三通带带通滤波器中，外部质量因素主要是由馈电线和谐振器之间的耦合来控制，也就是由第一微带线和第六、第七、第八微带线所连接起来的这段微带线与谐振器之间的耦合控制，因此影响外部质量因素的就是这几条微带线的长度、宽度和耦合间隙。谐振器之间的耦合主要是由两个谐振器之间的耦合距离和长度所决定。通过选取合适的长度和宽度就可得到合适的带宽。 

实施例 

小型化的高选择性的频率易控的中心加载开路阶跃阻抗线的三通带带通滤波器的结构如图1所示，有关尺寸规格如图2所示。介质基板的厚度为0.81mm，相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027。谐振器折叠成n形结构、滤波器成中心对称结构可以有效减小滤波器的尺寸。从图2中看滤波器的各微带线尺寸参数如下：L=25.4±0.2mm,L₂=15±0.2mm,L₃=23±0.2mm,L₄=21.3±0.2mm, L₅=8±0.2mm,L₆=14.2±0.2mm,L₇=23.5±0.2mm,W₁=1.92mm,W₂=1±0.2mm,W₃=0.4±0.1mm,W₄=1±0.2mm,W₅=0.4±0.1mm,W₆=0.4±0.1mm,W₇=1.4±0.2mm,g₁=0.2mm,g₂=0.3mm,g₁=0.9mm。这个滤波器的整体大小是0.167λ_g*0.24λ_g,其中λ_g是最低通带频率的波导波长。选择这些微带线各自的长度和宽度，以获得所需的输入/输出阻抗特性、频带内传输特性和频带外衰减特性。图4是根据以上参数，设计好的滤波器的仿真结果图。S₁₁表示回波损耗，S₂₁表示插入损耗。从图中可以看出，三个频率分别位于1.5GHz,2GHz,3.65GHz,三个通带的插入损耗分别是1.7dB,1.3dB,1.3dB，回波损耗都小于-10dB。3dB相对带宽分别为9.6%，7.4%，9.8%。八个传输零点分别位于1.09GHz,1.27GHz,1.42GHz,1.83GHz,2.47GHz,2.59GHz，3.80GHz，4.39GHz。这些传输零点极大地提高了滤波器的选择性。从以上指标来看，本发明达到了一个比较好的效果。仿真由商业电磁仿真软件ZELAND来完成。 

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其特征在于包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属板；上层微带结构附着在中间层介质基板上表面，下层接地金属板附着在中间层介质基板下表面；上层微带结构包括第一馈电线、第二馈电线、信号输入端、信号输出端、第一谐振器和第二谐振器；两个谐振器排布成中心对称的结构，并且两个谐振器结构完全相同；第一谐振器包括一条主传输线和一个中心加载的开路阶跃阻抗枝节线；第一馈电线、第二馈电线结构相同且排布成中心对称的结构，第一馈电线与信号输入端连接，第二馈电线与信号输出端连接，并且第一馈电线与第一谐振器之间、第二馈电线与第二谐振器之间均形成耦合结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其特征在于所述上层微带结构为中心对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其特征在于第一谐振器的主传输线包括第二微带线、第三微带线和第十微带线，第二微带线一端开路，另一端和第三微带线相连，第三微带线的另一端和第十微带线相连，第十微带线的另一端开路，第二微带线、第三微带线和第十微带线顺次连成成左右对称的n形结构；第一谐振器的中心加载的开路阶跃阻抗枝节线包括第四微带线和第五微带线，第四微带线一端和第三微带线相连，另一端和第五微带线相连，第五微带线的另一端开路，第四微带线、第五微带线顺次连接成竖“1”形，第四微带线、第五微带线在宽度上不等。

4.根据权利要求1所述的一种基于开路阶跃阻抗线加载的小型化可控三频滤波器，其特征在于第一馈电线包括第一微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线，其中第一微带线的一端与第九微带线相连，另一端开路；第六微带线、第七微带线和第八微带线依次连接构成n形结构,第六微带线一端开路，第八微带线一端与第九微带线相连；第九微带线是信号输入端，第十一微带线是信号输出端；信号从第九微带线的左端输入，然后分开两路到馈电线上，再经馈电线与谐振器之间的耦合作用，信号进入到谐振器，最后经第十一微带线的右端输出。

Images