CN205985281U - 基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器，包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器、第一传输线、第二传输线、第一输入输出端口、第二输入输出端口；第一传输线的一端分别与第一阶跃阻抗谐振器和第一输入输出端口连接，另一端分别与第二传输线的一端及第二阶跃阻抗谐振器连接，第二传输线的另一端分别与第三阶跃阻抗谐振器和第二输入输出端口连接；第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器间隔并排，每个阶跃阻抗谐振器均由两条宽窄、长度不一的传输线串接而成。本实用新型具有结构简单可靠、选择性好、低损耗、成本低、超宽阻带等优点。

Description

基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器

技术领域

本实用新型涉及高频组件的技术领域，尤其是指一种基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器。

背景技术

随着信息产业和无线通信系统的蓬勃发展，微波频谱资源日趋紧张，各种微波毫米波电路、组件及系统的应用越来越广泛，频带的划分越来越精细，利用率越来越高，而低通滤波器作为电路系统里重要的组成部分之一，其性能的优劣很大程度决定了系统的工作质量。低通滤波器是指容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的滤波器，其主要工作于通信系统发射端的前级以及接收端的后级，用于抑制谐波和杂波信号，低损耗通过有用信号。

近些年来，为了设计出体积小、带内损耗小、滚降快、超宽阻带的性能良好的低通滤波器，学者们提出了许多新型的谐振器结构，其中有些的确展现出良好的性能：阻带较宽，滚降较快；而有些通过级联起来也能展现出较宽的阻带带宽，然而体积却过大，不易于集成。除了从微带表面结构着手，因具有带隙特性以及慢波特性，许多学者也将精力投入到了各种各样的缺陷地结构，在单一微带线上加入缺陷地可以引入传输零点从而可以产生低通滤波器的效应。然而，以上各种措施对于展现超宽阻带并且较小体积方面上还是欠佳。

2007年，西班牙学者Israel Arnedo在国际会议“2007International Symposiumon Signals,Systems and Electronics”上发表题为"Low Pass Filter with WideRejection Band in Microstrip Technology"的文章。该滤波器通过背面开槽和正弦曲线枝节技术实现宽阻带低通滤波器。该滤波器在技术上设计比较复杂且最高阻带范围为7.5f₀，f₀为低通滤波器的截止频率。而本 专利提出的超宽阻带滤波器-18dB阻带最高范围为13f₀，比该滤波器宽了很多。

2015年9月，中国学者Fu-Chang Chen等在本技术领域期刊"IEEE TRANSACTIONSON COMPONENTS,PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY"发表了“High-SelectivityLow-Pass Filters With Ultrawide Stopband Based on Defected GroundStructures”。该滤波器利用缺陷地拓宽了阻带抑制的范围。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构合理可靠、选择性好、低损耗、滚降快、体积小、成本低的基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器，包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器、第一传输线、第二传输线、第一输入输出端口、第二输入输出端口；所述第一传输线的一端分别与第一阶跃阻抗谐振器和第一输入输出端口连接，其另一端分别与第二传输线的一端及第二阶跃阻抗谐振器连接，所述第二传输线的另一端分别与第三阶跃阻抗谐振器和第二输入输出端口连接，信号从其中一个输入输出端口馈入，从另一个输入输出端口输出；所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器间隔并排，每个阶跃阻抗谐振器均由两条宽窄、长度不一的传输线串接而成。

所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器的输入阻抗Z_in通过下面的公式计算出来：

式中，j为虚数单位，Z_A和Z_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的阻抗， B为开路传输线，θ_A和θ_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的电长度；

通过令输入阻抗Z_in＝0能够得到阶跃阻抗谐振器的谐振条件为：

所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器在谐振时能够产生多个可控的传输零点，传输零点的频率由上面公式(1)、(2)求得，也就是说，传输零点的位置均能够由阶跃阻抗谐振器的阻抗(Z_A，Z_B)和电长度(θ_A，θ_B)完全控制；

而当Z_in＝∞时，通过调节传输零点的位置，让传输零点分别处于不同的寄生通带上或者附近，抑制对应的寄生通带，能够达到宽阻带的效果。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型提出的滤波器具有超宽阻带抑制，18dB抑制的范围达到13f₀，f₀为低通滤波器的截止频率。

2、本实用新型提出的滤波器结构简单，便于设计与调试，通过调整阶跃阻抗谐振器的阻抗比和长度，可以很好的控制零点的位置。

3、本实用新型提出的结构相比通用的利用缺陷地的方法，减少了设计的复杂性，也避免了缺陷地带来的辐射问题。

附图说明

图1本实用新型的超宽阻带低通滤波器结构示意图。

图2为本实用新型的超宽阻带低通滤波器仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器， 包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器、第一传输线3、第二传输线6、第一输入输出端口9、第二输入输出端口10；所述第一传输线3的一端分别与第一阶跃阻抗谐振器和第一输入输出端口9连接，其另一端分别与第二传输线6的一端及第二阶跃阻抗谐振器连接，所述第二传输线6的另一端分别与第三阶跃阻抗谐振器和第二输入输出端口10连接，信号从其中一个输入输出端口馈入，从另一个输入输出端口输出；所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器间隔并排，每个阶跃阻抗谐振器均由两条宽窄、长度不一的传输线串接而成，具体为第一阶跃阻抗谐振器由第三传输线1、第四传输线2组成，第二阶跃阻抗谐振器由第五传输线4、第六传输线5组成，第三阶跃阻抗谐振器由第七传输线7、第八传输线8组成。

所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器的输入阻抗Z_in通过下面的公式计算出来：

式中，j为虚数单位，Z_A和Z_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的阻抗，B为开路传输线，θ_A和θ_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的电长度。

通过令输入阻抗Z_in＝0能够得到阶跃阻抗谐振器的谐振条件为：

由两条传输线构成的阶跃阻抗谐振器在谐振时可以产生多个可控的传输零点，因此，所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器能够产生很多可控的传输零点，传输零点的频率由上面公式(1)、(2)求得，也就是说，传输零点的位置均能够由阶跃阻抗谐振器的阻抗(Z_A，Z_B)和电长度(θ_A，θ_B)完全控制。

而当Z_in＝∞时，该结构会产生寄生通带。通过调节传输零点的位置，让传输零点分别处于不同的寄生通带上或者附近，抑制对应的寄生通带，能够达到宽阻带的效果。

使用电路仿真软件AWR-Microwave Office的仿真结果如图2所示。

横轴表示本实用新型的超宽阻带低通滤波器的信号频率，纵轴表示幅值，包括插入损耗(S₂₁)的幅值和回波损耗(S₁₁)的幅值。S₂₁表示通过本实用新型的超宽阻带低通滤波器的信号的输入功率与信号的输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：输出功率/输入功率(dB)＝20×log|S₂₁|。在本实用新型的超宽阻带低通滤波器的信号传输过程中，信号的部分功率被反射回信号源，被反射的功率成为反射功率。S₁₁表示通过本实用新型的超宽阻带低通滤波器的信号的输入功率与信号的反射功率之间的关系，其相应的数学函数如下：反射功率/入射功率＝20×log|S₁₁|。

从图中可知，该低通滤波器的-3dB截止频率为1.14GHz，通带内插入损耗绝对值低于0.1dB，回波损耗绝对值大于20dB，-18dB带阻抑制从1.38GHz到15GHz。无论从插入损耗、回波损耗、选择性，还是带阻宽度方面都具有出色的表现，尤其在带阻宽度方面。总之，本实用新型通过控制三个阶跃阻抗谐振器的阻抗大小和长度控制零点位置，从而实现超宽阻带抑制的功能，值得推广。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器，其特征在于：包括第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器、第一传输线、第二传输线、第一输入输出端口、第二输入输出端口；所述第一传输线的一端分别与第一阶跃阻抗谐振器和第一输入输出端口连接，其另一端分别与第二传输线的一端及第二阶跃阻抗谐振器连接，所述第二传输线的另一端分别与第三阶跃阻抗谐振器和第二输入输出端口连接，信号从其中一个输入输出端口馈入，从另一个输入输出端口输出；所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器间隔并排，每个阶跃阻抗谐振器均由两条宽窄、长度不一的传输线串接而成。

2.根据权利要求1所述的基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带低通滤波器，其特征在于：所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器的输入阻抗Z_in通过下面的公式计算出来：

$Z_{in}={\mathrm{jZ}}_A\frac{Z_A{\mathrm{tan\θ}}_A-Z_B{\mathrm{cot\θ}}_B}{Z_A+Z_B{\mathrm{tan\θ}}_A{\mathrm{cot\θ}}_B}---\left(1\right)$

式中，j为虚数单位，Z_A和Z_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的阻抗，B为开路传输线，θ_A和θ_B分别为阶跃阻抗谐振器的两条传输线的电长度；

通过令输入阻抗Z_in＝0能够得到阶跃阻抗谐振器的谐振条件为：

$\frac{Z_A}{Z_B}=\frac{{\mathrm{cot\θ}}_B}{{\mathrm{tan\θ}}_A}---\left(2\right)$

所述第一阶跃阻抗谐振器、第二阶跃阻抗谐振器、第三阶跃阻抗谐振器在谐振时能够产生多个可控的传输零点，传输零点的频率由上面公式(1)、(2)求得，也就是说，传输零点的位置均能够由阶跃阻抗谐振器的阻抗(Z_A，Z_B)和电长度(θ_A，θ_B)完全控制；

当Z_in＝∞时，通过调节传输零点的位置，让传输零点分别处于不同的寄生通带上或者附近，抑制对应的寄生通带，能够达到宽阻带的效果。