CN210984907U - 一种小型化宽带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型化宽带带通滤波器，包括：基板；一对谐振器，均为四分之一波长步阶阻抗谐振器，且错位相对设于基板的同一端面上；一对I/O接口，相对设于基板两侧且与一对谐振器一一对应并分别通过连接线与谐振器连接。文提出了一种微小化宽带带通滤波器。该滤波器可以实现中心频率为2.2GHz，具有1.5~2.9GHz的通带，具有64%的带宽。为了验证设计理论，我们制造并量测滤波器，从量测结果看，通带内插入损耗为S21=‑1.5 dB，回波损耗均大于‑10dB，通带群延迟在0.01‑0.15内。在频带上边4.2GHz的地方出现传输零点，提高了滤波器的选择性，整个电路尺寸约为21mm x 5mm，即0.25λg X 0.06λg，λg是2GHz的波导波长，同时测量结果也显示出与模拟结果的良好一致性。
Description
技术领域
本实用新型涉及通讯器件技术领域，尤其是一种一种小型化宽带带通滤波器。
背景技术
近年来，无线通信系统迅速发展。用于通信系统的频谱资源也越发的紧缺，以充分利用频率资源尤为重要。作为通信系统中关键射频组件的带通滤波器(bandpass filter)可以有效的实现提高系统性能。带通滤波器，例如双频滤波器，多频滤波器以及宽带滤波器，一直是通信系统中的关键设备。由于低功耗和高数据传输率的优点，宽带滤波器设计引起了极大的兴趣。3.1至5.7GHz的直接序列超宽带(DS-UWB)滤波器，过去20年学术界和工业界发表了许多重要研究成果。
过去，已经提出了几种达到宽带滤波器设计的谐振器结构，例如使用多模谐振器(multi-mode，MMR)、阶梯阻抗谐振器(step impedance resonator，SIR)或缺陷接地结构(defected ground structure，DGS)。然而，上述宽带滤波器的仍然复杂，且尺寸有很大的改善空间。如上所述，设计宽带滤波器而不使用复杂的设计过程，同时实现良好的频带选择性和微小化尺寸仍是一个挑战。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、小型化且性能佳的一种小型化宽带带通滤波器。
为了实现上述的技术目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种小型化宽带带通滤波器，
基板；
一对谐振器，均为四分之一波长步阶阻抗谐振器，且错位相对设于基板的同一端面上；
一对I/O接口，相对设于基板两侧且与一对谐振器一一对应并分别通过连接线与谐振器连接。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的基板选自：复合树脂基板、陶瓷基板、矽基板、软性基板之一。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的谐振器包括相互连接成型为一体的第一阻抗单位和第二阻抗单位，且第一阻抗单位和第二阻抗单位之间为非对称。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的四分之一波长步阶阻抗谐振器具有一阻抗比，所述的阻抗比定义为第二阻抗单位的阻抗值除以第一阻抗单位的阻抗值，且该阻抗比小于1且大于0.5。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的四分之一波长步阶阻抗谐振器具有一电子长度比，所述的电子长度比定义第二阻抗单位的电子长度值除以第一阻抗单位的电子长度值，且所述的电子长比小于1且大于0。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述第一阻抗单位的阻抗值为介于60至100Ω之间，所述第二阻抗单位的阻抗值为10至60Ω之间。
采用上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案巧妙性利用两个四分之一波长步阶阻抗谐振器进行混合耦合组成滤波器，可以实现中心频率为2.2GHz，具有1.5～2.9GHz的通带，具有64％的带宽。且本方案结构紧凑，体积小，具有良好的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型方案做进一步的阐述：
图1为本实用新型方案的简要实施结构示意图；
图2为本实用新型方案的一对四分之一波长的宽带宽阻带带通滤波器的简要结构示意图；
图3为本新型方案的谐振器的简要结构示意图；
图4为本实用新型方案的谐振器的简要谐振图；
图5为本实用新型方案一对谐振器之间在不同耦合系数下的简要性能表征图；
图6为本实用新型方案一对谐振器在不同耦合系数下的模拟仿真S参数图；
图7为本实用新型方案的滤波器的实测性能与仿真性能对比图；
图8为本实用新型方案的滤波器的通带群时延示意图。
具体实施方式
在本实用新型中，提出了一种新型微小化的宽带滤波器设计。该滤波器的结构非常简单，是由两个四分之一波长的步进阻抗谐振器组成，并由混合耦合的排列，输入输出端由直接馈入以提供足够的耦合能量组成。
如图1所示，本实用新型一种小型化宽带带通滤波器，
基板1；
一对谐振器2，均为四分之一波长步阶阻抗谐振器，且错位相对设于基板的同一端面上；
一对I/O接口3，相对设于基板1两侧且与一对谐振器2一一对应并分别通过连接线31与谐振器2连接。
其中，作为一种可能的实施方式，进一步，所述的基板1选自：复合树脂基板、陶瓷基板、矽基板、软性基板之一。
另外，参见图3，作为一种可能的实施方式，进一步，所述的谐振器2包括相互连接成型为一体的第一阻抗Z1和第二阻抗Z2，且第一阻抗Z1和第二阻抗Z2之间为非对称；作为一种较优的选择，优选的，所述的第一阻抗Z1的阻抗值大于第二阻抗Z2。
作为一种较优的具体实施，其具体如下：
着重参见图2所示，本实例中的滤波器具有简单的混合耦合结构，由两个四分之一波长的步阶阻抗谐振器组成，用FR4基板设计和制造带通滤波器，其厚度(h)为0.8mm，介电常数(εr)为4.4，损耗角正切(tanδ)为0.02。
再着重参见图3所示，其示出了单一四分之一波长步阶阻抗谐振器的结构，它由阻抗部分Z1和阻抗部分Z2两部分构成，这两部分的阻抗是非对称的，阻抗Z1部分具有电长度θ1，阻抗Z2部分具有电长度θ2。K＝Z2/Z1为步阶阻抗谐振器的阻抗比，电子长度比为α＝θ2/(θ1+θ2)，电子总长度为θt＝θ1+θ2。四分之一波长步阶阻抗谐振器的输入阻抗(Zin)[9]为：
当Yin＝0时，得到通带谐振条件：
tanθ1tanθ2＝K (2)
θ1和θ2之间的关系可以得出：
θ1＝(1-α)·θt (3a)
θ2＝α·θt (3b)
K＝tan[(1-α)·θt]·tan(α·θt) (4)
其中，等式(4)表示阻抗比(K)、改变总电长度(θt)和电子长度比(α)之间的关系。图4示出了该谐振器的简要谐振图；步阶阻抗谐振器可以通过确定阻抗比(K)和电子长度比(α)来有效地移动更高阶的谐振模式。通过这种方法来确定SIR的谐振频率，可以很方便地实现具有宽阻带或多通带的带通滤波器。
本实例中，滤波器设计为f0＝2.2GHz，并具有非常宽的阻带；阻抗比(K)的值对于SIR1是0.85，对于SIR2是0.55；因此，SIR的虚假响应应该是分散的。
如果寄生频率彼此闭合，则难以抑制寄生响应。SIR 1和SIR 2的基频位于2.2GHz，通过控制SIR的尺寸可以阻止寄生频率。因此，SIR1高阻抗部分(Z1＝100Ω)的物理宽度和长度(Z1＝100Ω)为0.35mm(W1)和10mm(L1)，低阻抗部分(Z2＝85Ω)的物理宽度和长度为0.53mm(W2)和10mm(L2)；SIR2高阻抗部分(Z1＝100Ω)的物理宽度和长度(Z1＝100Ω)为0.35mm(W3)和10mm(L3)，低阻抗部分(Z2＝55Ω)的物理宽度和长度为1.29mm(W4)和10mm(L4)。
基于四分之一波长的阶梯阻抗谐振器的特性，选择两个较低谐振模式，然后通过仔细布置I/O端口耦合谐振模式，可以容易地实现宽带通响应。这两个滤波器的基频工作频率为2.2GHz。当传输零点发生时，只有SIR1或SIR2共振并吸收大部分电流强度。
选择合适的耦合间隙(g)以满足通带处的特定耦合系数。从图5中可以看出，当耦合间隙(g)减小时，耦合系数增加，即两个谐振器之间的耦合能量得到增强，回波损耗也得到更好。图6为不同g下通过IE3D仿真出来的S参数较图。从图5中可以看出随着g变大，中心频率往高频移动，同时带宽越来越小。结合图5和图6，又由于本实验室的雕刻机最小雕刻距离为0.15mm，因此根据耦合系数的要求选择g＝0.15mm。
结合图1，其示出了基于前述方案参数实施的具体结构，经通带测试和通带群时延测试，得到图7和图8所示结果，可知，该带通滤波器的测量结果表现出很高的性能，包括：中心频率为2.2GHz，具有1.5～2.9GHz的通带，即是带宽比(fractional bandwidth，FBW)为64％。通带内插入损耗为S21＝-1.5dB，回波损耗均大于-10dB，通带群延迟在0.15ns内。在频带上边4.2GHz的地方出现传输零点，提高了滤波器的选择性，整个电路尺寸约为21mm x5mm，即0.25λg X 0.06λg，λg是2GHz的波导波长。虽然测量结果在高频段表现出一些不同的模拟结果，可以认为是制造误差，但所提出的带通滤波器仍然表现出良好的宽带阻带响应性能。该滤波器具有简单的设计结构，紧凑的尺寸和出色的性能，因此所提出的滤波器对于现代宽带无线通信系统非常有用。
以上所述为本实用新型实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：其包括：
基板；
一对谐振器，均为四分之一波长步阶阻抗谐振器，且错位相对设于基板的同一端面上；
一对I/O接口，相对设于基板两侧且与一对谐振器一一对应并分别通过连接线与谐振器连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：所述的基板选自：复合树脂基板、陶瓷基板、矽基板、软性基板之一。
3.根据权利要求1所述的一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：所述的谐振器包括相互连接成型为一体的第一阻抗单位和第二阻抗单位，且第一阻抗单位和第二阻抗单位之间为非对称。
4.根据权利要求3所述的一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：所述的四分之一波长步阶阻抗谐振器具有一阻抗比，所述的阻抗比定义为第二阻抗单位的阻抗值除以第一阻抗单位的阻抗值，且该阻抗比小于1且大于0.5。
5.根据权利要求3所述的一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：所述的四分之一波长步阶阻抗谐振器具有一电子长度比，所述的电子长度比定义第二阻抗单位的电子长度值除以第一阻抗单位的电子长度值，且所述的电子长比小于1且大于0。
6. 根据权利要求4所述的一种小型化宽带带通滤波器，其特征在于：所述第一阻抗单位的阻抗值为介于60至100 Ω之间，所述第二阻抗单位的阻抗值为10至60 Ω之间。
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