基于嵌套环形与缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器

摘要

本发明提出了基于嵌套环形与缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器，旨在提高宽带差分带通滤波器的带外选择性和共模抑制度，解决宽带差分带通滤波器设计中滤波器体积偏大的问题，发明包括介质基板(1)、设置于介质基板(1)下表面的金属接地板(2)、设置于介质基板(1)的上表面的谐振器(3)、输入输出馈线(4)、阶梯阻抗缝隙线谐振器(5)。本发明所提出的滤波器具有较小的整体尺寸，具有优良的共模抑制能力，插入损耗非常小且可控制传输零点的特性，提高了差模通带的选择性，可用于移动无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的基于嵌套环形谐振器与缝隙谐振器的宽带差分带通滤波器。本发明可在中心频率3.0GHz，频率范围2.75-3.60GHz内对微波信号进行滤波的功能，可应用于移动通信系统。

背景技术

微波滤波器是通信系统、雷达系统等射频前端系统不可缺少的重要组成部分，其主要作用是最大限度地滤除系统噪声及其他信道信号的干扰，其性能好坏直接影响整个无线通信系统的稳定和性能指标。现代无线通信系统要求射频器件在工作的频段内保持良好的抗环境噪声能力。为解决上述问题，将差分结构引入宽带滤波器中，既实现了系统的小型化，还实现了良好的抗干扰性能。此外，由于现代通信频段的多样性，现有技术的带通滤波器的选择性往往不够，不能满足现代通信频段多样化的需求。通过枝节加载与微带缝隙结构在通带外引入传输零点来提高滤波器的选择性。

Dong Chen等学者在其发表的论文“A Differential-Mode Wideband BandpassFilter on Slotline Multi-Mode Resonator With Controllable Bandwidth”(Microwave and Wireless Components Letters,IEEE,2015:2528-2530)中提出了一种基于缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器。该宽带差分带通滤波器采用折叠型微带线作为馈电结构，采用差分输入实现20dB共模信号抑制，通过阶梯阻抗谐振器结构在差模通带内形成四个传输极点来实现滤波器宽带特性，并且在通带右侧引入了一个传输零点。但是，该滤波器仍然存在的不足之处是，由于通带左侧没有传输零点，选择性差，此外，滤波器的尺寸较大，存在较大可利用的空间。

深圳市景程信息科技有限公司在其申请的专利文献“基于环形谐振器的带通滤波器”(申请日：2017.08.08，申请号201810162774.8，申请公布号CN 107026303 A)中公开了一种基于均匀阻抗环形谐振器的宽带差分带通滤波器。该宽带差分带通滤波器采用双开路枝节加载型耦合馈电结构，实现全频率范围内的共模信号抑制，通过环形谐振器上耦合的开路枝节在差模通带内形成三个传输极点来实现滤波器的宽带特性，同时通带右侧引入一个传输零点。但是，该滤波器存在的不足之处是，滤波器只有右侧有一个传输零点，通带左侧缺少传输零点，选择性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于嵌套环形与缝隙谐振器的宽带差分带通滤波器。

为了实现上述目的，本发明包括介质基板1、设置于介质基板1下表面的金属接地板2、设置于介质基板1的上表面的谐振器3、设置于介质基板1的上表面的输入输出馈线4、设置于介质基板1下表面的阶梯阻抗缝隙线谐振器5；其特征在于：所述谐振器3由两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环组成；所述介质基板1的上、下表面的微带线和缝隙线组成的整体结构，关于轴线AA'和BB'对称，所述轴线AA'和BB'互相垂直；所述输入输出馈线4包括分别设置在轴线AA'两侧的U型输入微带线10和U型输出微带线11，所述U型输入微带线10和U型输出微带线11在金属地板2上的投影与阶梯阻抗缝隙线谐振器5重叠连接；所述U型输入微带线和U型输出微带线的两个微带臂均为50欧姆微带线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环的结构，该结构将一对开口谐振环嵌套放置于另一对开口谐振环的内部空隙之中，合理利用了开口谐振环的剩余空间，使滤波器的结构更加紧凑，克服了现有技术中滤波器体积较大的不足，使得本发明减小了滤波器的整体尺寸，同时简化了设计的复杂度。

第二，本发明采用的输入输出馈线为U型输入微带线和U型输出微带线，其中的两个微带臂为50欧姆微带线，用于实现与馈电端口的良好匹配。U型输入微带线和U型输出微带线的微带底用于与介质基板下方的阶梯阻抗缝隙线耦合连接，实现信号在微带线与缝隙线之间的过渡。并且由于这一U型微带缝隙结构可以激励起差模信号而无法激励起共模信号，克服了现有技术中由于共模抑制不够而到导致移动通信系统性能降低的不足，使得本发明共模信号对系统的干扰降低，将共模结构与差模结构的设计隔离开，简化了设计的复杂度。

第三，本发明采用的两对互相嵌套折叠型均匀阻抗开口谐振环中的一对是关于轴线AA'对称的均匀阻抗开口谐振环，通过加载在所述谐振环两端的折叠枝节加载电感枝节，与谐振环的开口形成混合耦合，这在差模通带右侧引入一个传输零点。此外，本发明采用的是微带缝隙线结构，通过微带线与缝隙线的微带缝隙耦合在差模通带左侧引入一个传输零点，克服了现有技术中传输零点不够导致带外选择性较差的不足，大大提升了本发明宽带带通滤波器的带外选择性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明介质基板上表面各结构位置尺寸图；

图4为本发明介质基板下表面各结构位置尺寸图；

图5为本发明的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数仿真和实测图；

图6为本发明的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数仿真和实测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照附图1、附图2，对本发明的整体结构作进一步的描述。

本发明包括本发明包括介质基板1、设置于介质基板1下表面的金属接地板2、设置于介质基板1的上表面的谐振器3、设置于介质基板1的上表面的输入输出馈线4、设置于介质基板1下表面的阶梯阻抗缝隙线谐振器5；其特征在于：所述谐振器3由两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环组成；所述介质基板1的上、下表面的微带线和缝隙线组成的整体结构，关于轴线AA'和BB'对称，所述轴线AA'和BB'互相垂直；所述输入输出馈线4包括分别设置在轴线AA'两侧的U型输入微带线10和U型输出微带线11，所述U型输入微带线10和U型输出微带线11在金属地板2上的投影与阶梯阻抗缝隙线谐振器5重叠连接；所述U型输入微带线和U型输出微带线的两个微带臂均为50欧姆微带线。

所述两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环中的第一对是由折叠形均匀阻抗开口谐振环6和7组成，所述折叠形均匀阻抗开口谐振环6和7关于轴线BB'对称。所述谐振环6和谐振环7组成的整体结构由矩形开口谐振环、四个与该矩形开口谐振环等宽的折叠枝节和四个与该矩形开口谐振环等宽的微扰枝节连接而成。所述的折叠形均匀阻抗开口谐振环6在金属地板2上的投影和阶梯阻抗缝隙线谐振器5中的阶梯阻抗缝隙线12左侧重叠。所述的折叠形均匀阻抗开口谐振环7在金属地板2上的投影与阶梯阻抗缝隙线谐振器5中的阶梯阻抗缝隙线13右侧重叠。

所述两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环中的第二对是由折叠形均匀阻抗开口谐振环8和9组成，所述谐振环8和谐振环9关于轴线AA'对称。所述谐振环8和谐振环9组成的整体结构是由矩形开口谐振环和四个与该矩形开口谐振环等宽的折叠枝节连接而成。

所述的U型输入微带线10和U型输出微带线11，均由一条平行于轴线AA'的微带底和两条平行于轴线BB'的微带臂组成，U型输入微带线10和U型输入微带线11关于轴线AA'和轴线BB'对称，其中U型输入微带线10和U型输出微带线11的微带臂宽度均为50欧姆微带线宽。

所述阶梯阻抗缝隙线谐振器5与轴线BB'平行设置。所述阶梯阻抗缝隙线谐振器5由第一阶梯阻抗缝隙线14、第二阶梯阻抗缝隙线15、第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17和阶梯阻抗缝隙线12、阶梯阻抗缝隙线13组成。所述第一阶梯阻抗缝隙线14、第二阶梯阻抗缝隙线15和阶梯阻抗缝隙线12依次连接。所述第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17和阶梯阻抗缝隙线13依次连接。所述第一阶梯阻抗缝隙线13、第二阶梯阻抗缝隙线14、阶梯阻抗缝隙线12和第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17和阶梯阻抗缝隙线13关于轴线AA'对称。

参照附图3，对本发明的上表面结构的尺寸作进一步的描述。

本发明的实施例描述的是中心频率工作在3.0GHz，频率范围2.75-3.60GHz的宽带差分带通滤波器，所述嵌套开口谐振器3由两对互相嵌套的折叠形均匀阻抗开口谐振环组成，线宽均为W_m＝0.5mm，以形成两个位置可调的差模传输极点，此外这一嵌套结构利用了矩形谐振环的剩余空间，减小微带谐振器尺寸。所述折叠形均匀阻抗开口谐振环6和折叠形均匀阻抗开口谐振环7的长度L₁＝20.4mm谐振环上折叠枝节的长度L₃＝1.1mm，扰动枝节的长度L₄＝0.6mm，通过加载枝节在差模通带右侧引入传输零点，提高了通带的选择性。所述折叠形均匀阻抗开口谐振环8和折叠形均匀阻抗开口谐振环9的长度L₂＝33.7mm，谐振环上折叠枝节的长度L₅＝2.5mm，折叠形均匀阻抗开口谐振环6和折叠形均匀阻抗开口谐振环7沿轴线AA’的间距g₁＝0.3mm，采用折叠结构缩小了谐振器所需的尺寸，实现了滤波器的小型化。折叠形均匀阻抗开口谐振环7和折叠形均匀阻抗开口谐振环8沿轴线BB’的间距g₂＝0.4mm，沿轴线AA’的间距g₃＝1.5mm，折叠形均匀阻抗开口谐振环6和折叠形均匀阻抗开口谐振环7的折叠枝节间的间距g₄＝1.7mm，折叠形均匀阻抗开口谐振环6和折叠形均匀阻抗开口谐振环7的间距g₅＝1.0mm。所述U型输入微带线10用于同时输入差模信号与共模信号，U型输入微带馈线10的两条微带臂的长度L_i1＝12.0mm，线宽W_i1＝2.0mm，微带底的长度L_i2＝19.0mm，宽度W_i2＝5.0mm。U型输入微带馈线11的两条微带臂的长度L_o1＝12.0mm，线宽W_o1＝2.0mm，微带底的长度L_o2＝19.0mm，宽度W_o2＝5.0mm。轴线AA'与U型输入微带线两臂远离轴线AA'一侧的距离为23.7mm，轴线BB'与微带谐振器所在一侧的介质板边界的距离为15.1mm。

参照附图4，对本发明的下表面结构的尺寸作进一步的描述。

所述阶梯阻抗缝隙线12与介质基板1上方的折叠形均匀阻抗开口谐振环6组成微带-缝隙线的转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制。所述第四阶梯阻抗缝隙线13，与介质基板1上方的折叠形均匀阻抗开口谐振环7组成缝隙-微带线转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制。所述第一阶梯阻抗缝隙线14、第二阶梯阻抗缝隙线15、第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17、阶梯阻抗缝隙线12和阶梯阻抗缝隙线13组成的阶梯阻抗缝隙线谐振器产生第三个差模通带内的传输极点，展宽差模通带，实现宽带特性。阶梯阻抗缝隙线12的长度L_s3＝6.2mm，宽度W_s3＝1.0mm。阶梯阻抗缝隙线13的长度L_s4＝6.2mm，宽度W_s4＝1.0mm。

所述第一阶梯阻抗缝隙线14与介质基板1上方的U型输入微带线10组成微带-缝隙线的转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制。所述第四阶梯阻抗缝隙线17，与其正上方的U型输出微带线11组成缝隙-微带线转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制。第一阶梯阻抗缝隙线9的长度L_s1＝4.0mm，宽度W_s1＝8.0mm。第四阶梯阻抗缝隙线12的长度L_s6＝4.0mm，宽度W_s6＝8.0mm。

所述第一阶梯阻抗缝隙线14、第二阶梯阻抗缝隙线15和阶梯阻抗缝隙线12依次连接。所述第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17和阶梯阻抗缝隙线13依次连接。所述第一阶梯阻抗缝隙线14、第二阶梯阻抗缝隙线15、阶梯阻抗缝隙线12和第三阶梯阻抗缝隙线16、第四阶梯阻抗缝隙线17和阶梯阻抗缝隙线13关于轴线AA'对称。第二阶梯阻抗缝隙线15的长度L_s2＝5.0mm，宽度W_s2＝0.16mm。第三阶梯阻抗缝隙线16的长度L_s5＝5.0mm，宽度W_s5＝0.16mm。

下面结合本发明的工作原理对本发明作进一步的描述。

信号由U型输入微带线10输入时，其中的微带差模信号激励起下方第一阶梯阻抗缝隙线14的电场，而微带共模信号无法激起第一阶梯阻抗缝隙线14的电场，这样只有差模信号得以通过第一阶梯阻抗缝隙线14并传输至第二阶梯阻抗缝隙线15，共模信号被抑制。由于缝隙线与微带线之间的强耦合，可在低频处产生一个传输零点。阶梯阻抗缝隙谐振器5形成一个差模传输极点，与嵌套开口谐振器3形成的两个传输极点共同实现滤波器的宽带特性。折叠形均匀阻抗开口谐振环6通过折叠枝节的平行耦合将能量传输到对折叠形均匀阻抗开口谐振环7、8和9上，由于折叠形均匀阻抗开口谐振环6与7上折叠枝节与微扰枝节产生的混合电磁耦合在差模通带的右侧引入一个传输零点。因此，差模通带左右两侧各有一个传输零点，滤波器的带外选择性得到了提高。最后，信号通过微带线、缝隙-微带线与微带线平行耦合传输到第四阶梯阻抗缝隙线，通过缝隙-微带线结构将信号传输到U型输出微带线。

所述介质基板，采用相对介电常数为2.2，大小为47.5mm*30.2mm，厚度为0.8mm的矩形Rogers RT/Duroid 5880材料。

下面结合仿真与实测实验对本发明的效果作进一步描述。

1、仿真与实测条件与内容：

本发明的仿真实验是利用商业仿真软件HFSS_13.0，在2.0-4.5GHz范围内，对本发明滤波器的频率响应进行仿真，得到的回波损耗S₁₁和的传输特性S₂₁的仿真曲线图，差模仿真结果见附图5，共模仿真结果见附图6。

本发明的实测实验是使用矢量网络分析仪N5230A，对基于嵌套环形与缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器进行了两个测量实验。实验1测试了本发明的宽带差分带通滤波器的差模回波损耗和差模插入损耗实验结果见附图5。实验2测试了本发明宽带差分带通滤波器的共模回波损耗和共模插入损耗实验结果见附图6。

2、仿真与实测结果分析：

附图5为基于嵌套环形与缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数仿真与实测图，附图5中的横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为差模回波损耗与差模插入损耗，单位为dB。附图5中的虚线表示仿真结果曲线，实线表示实测结果曲线。从附图5可以看出，本发明的差模通带的中心频率为3.0GHz，相对带宽为28.3％。通带中最小差模回波损耗为0.91dB。在差模通带左右两侧分别有一个传输零点，位于2.47GHz、3.59GHz处，滤波器的3dB带宽与20dB带宽的比值为0.778，优于对比文件，可见，两个传输零点显著提高了带外选择性。

附图6为基于嵌套环形与缝隙线谐振器的宽带差分带通滤波器的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数实测图，附图6中的横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为共模回波损耗与共模插入损耗单位为dB。附图6中的虚线表示仿真结果曲线，实线表示实测结果曲线。从附图6可以看出，本发明的共模回波损耗在工作频段范围内小于等于0.4dB，共模插入损耗大于等于40.0dB，优于对比文件，可见，本发明宽带差分带通滤波器实现了显著的共模抑制。