基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器

摘要

本发明公开了一种基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器，包括一个十字型谐振器、谐振器三个短截线末端的三个金属化通孔、平行耦合馈线结构。本发明均采用分布参数的微带线设计。本发明具有重量轻、可靠性高、性能优异、温度稳定性好、大批量生产成本低等优点，特别适用于相应微波频段的通信、数字雷达、军用与民用多模和多路通信系统终端、无线通信手持终端等，以及对重量、性能、可靠性有苛刻要求的相应系统中。

说明书

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，特别是一种基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器。

背景技术

2002年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)允许3.1GHz～10.6GHz频段民用，给通信领域的发展带了一束曙光，随后学术界和工业界如火如荼地开展了对超宽带设备中超宽带技术的研究。超宽带技术在军事、民用无线通信中有着广泛应用，无线通信系统的飞速发展给现有系统提出更加艰巨的要求，尤其对于无线发射接收系统，超宽带系统与现有通信系统之间的兼容问题越来越受到重视。而滤波器是超宽带无线通信系统中必不可少的重要元件，起着隔离出有用信号的重大作用。对于在3.1GHz～10.6GHz范围内已有的无线系统带来的影响，不容忽视，例如应用于卫星通信的C波段和X波段和WLAN信号。为了避免与现有的通信相互干扰，迫切需要性能优良的高阻带滤波器及在整个超宽带范围内均有效抑制干扰的多通超宽带滤波器。因此，研究有陷波频段超宽带带通滤波器在整个超宽带范围内着举足轻重的意义。国内外很多学者对此进行了研究，发现他们陷波频带设计方法主要可以归类为三种：加载开路短截线法、不对称输入/输出耦合法和加载具有可控传输零点的其它谐振器法。使用多模谐振器自身固有的传输零点而不再额外使用其它例如开路短截线等谐振器的陷波设计方法还没有被提及和讨论。尚未发现基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的相关研究和报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、可靠性高、易于加工、成本低的基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器，包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿顺时针方向分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线，第一微带线位于最上方，其中第二微带线与第四微带线关于y轴对称，第一微带线的末端设置第一金属化通孔，第二微带线的末端设置第二金属化通孔，第四微带线的末端设置第三金属化通孔，第六微带线和第七微带线同时与第三微带线耦合，第六微带线一端与第五微带线相连，第五微带线另一端与第一输入端相连，第七微带线一端与第八微带线相连，第八微带线另一端与第一输出端相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）本发明能够根据自身结构在通带内产生陷波频段；（2）带内插入损耗小；（3）群延时平坦；（4）采用微带结构，电路结构简单，体积小，重量轻，易于加工，工艺简单成熟；（5）利用微带加工工艺的大批量生产的一致性，获得高成品率和低成本。

下面结合具体实施例对本发明做较为详细的描述。

附图说明

图1是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的终端短路十字型谐振器等效电路图。

图2是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的短路终端十字型谐振器的零极点随阻抗比k₁和k₂的变化曲线。

图3是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的结构图。

图4是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的相对带宽随阻抗Z₃的变化曲线(Z₄=100Ω)。

图5是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的陷波频段中心频率随终端短路十字型谐振器枝节长度的变化曲线。

图6是本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器的仿真与实测结果S参数。

具体实施方式

本发明公开了一种基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器，包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿顺时针方向分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4，第一微带线1位于最上方，其中第二微带线2与第四微带线4关于y轴对称，第一微带线1的末端设置第一金属化通孔V₁，第二微带线2的末端设置第二金属化通孔V₂，第四微带线4的末端设置第三金属化通孔V₃，第六微带线6和第七微带线7同时与第三微带线3耦合，第六微带线6一端与第五微带线5一端相连，第五微带线5另一端与第一输入端Port1相连，第七微带线7一端与第八微带线8一端相连，第八微带线8另一端与第一输出端Port2相连；第一微带线1的长度小于第三微带线3的长度。

所述第一微带线1的末端设置第一金属化通孔V₁，第二微带线2的末端设置第二金属化通孔V₂，第四微带线4的末端设置第三金属化通孔V₃，这些金属化通孔用来接地。

所述微带线尺寸、金属化通孔大小以及耦合间距的大小是可调节。

所述第五微带线5和第八微带线8在同一直线上，该直线与第二微带线2平行。

第五微带线5和第八微带线8的阻抗相等，均为50Ω或者75Ω。

该滤波器传输零点对应的第四微带线4和第三微带线3的电长度分别满足以下公式：

$>{\theta }_2{=\tan }^{-1}\left(\frac{-2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_1\tan {\theta }_3}{Z_2{Z}_3\tan {\theta }_3+Z_1{Z}_2\tan {\theta }_1}\right)$>

$>{\theta }_3{=\tan }^{-1}\left(\frac{-Z_1{Z}_2\tan {\theta }_1\tan {\theta }_2}{Z_2{Z}_3\tan {\theta }_2+2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_1}\right)$>

式中，参数含义为Z₁是第三微带线3的特性阻抗，Z₂是第四微带线4的特性阻抗，Z₃是第一微带线1的特性阻抗，θ₁是第三微带线3的电长度，θ₂是第四微带线4的电长度，θ₃是第一微带线1的电长度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图3，本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器，由电长度分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄的微带线构成十字型谐振器；在谐振器三个短截线末端有金属化通孔，用来接地；在输入输出端采用平行耦合馈线结构。具体而言，本发明包括十字型谐振器，该十字型谐振器的四条微带线沿顺时针方向分别为第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4，第一微带线1位于最上方，其中第二微带线2与第四微带线4关于y轴对称，第一微带线1的末端设置第一金属化通孔V₁，第二微带线2的末端设置第二金属化通孔V₂，第四微带线4的末端设置第三金属化通孔V₃，第六微带线6和第七微带线7同时与第三微带线3耦合，第六微带线6一端与第五微带线5相连，第五微带线5另一端与第一输入端Port1相连，第七微带线7一端与第八微带线8相连，第八微带线8另一端与第一输出端Port2相连。

本发明基于终端短路十字型谐振器的陷波频段超宽带带通滤波器，其工作原理简述如下：本发明是基于终端短路十字型谐振器来设计的，所以我们先讨论终端短路十字型谐振器原理。1）如图1所示的终端短路的十字型谐振器，本身具有两个传输极点和一个传输零点，其输入阻抗和零极点可以表示为：

$>Z_{\mathrm{in}2}=j\frac{Z_1{Z}_2{Z}_3+Z_1(Z_2+2Z_3)}{Z_1(Z_2+2Z_3)\cot \theta -Z_2{Z}_3\tan \theta }---\left(1\right)$>

$>f_{\mathrm{Bp}1}=\frac{2f_0}{\pi }{\tan }^{-1}\left(\sqrt{\frac{Z_1(Z_2+2Z_3)}{Z_2{Z}_3}}\right)---\left(2\right)$>

$>f_{\mathrm{Bp}2}=\frac{2f_0}{\pi }{\tan }^{-1}(-\sqrt{\frac{Z_1(Z_2+2Z_3)}{Z_2{Z}_3}})---\left(3\right)$>

f_Bz1=f₀                   (4)

其中f_Βp1,2和f_Βz1分别表示该谐振器的传输极点和零点频率，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别是是第三微带线3、第四微带线4、第一微带线1和第二微带线2的特性阻抗和电长度。设k₁=Z₂/Z₁，k₂=Z₃/Z₁，图2给出了其零极点随阻抗比k₁和k₂的变化曲线，当k₁不变而k₂变大或者k₂不变k₁增大时，两个传输极点将逐渐远离位于中心频率处的传输零点。

2）为了更好的控制终端短路十字型谐振器的固有传输零点以抑制其它通信系统的信号干扰，申请人将讨论θ₁≠θ₂≠θ₃(θ₂=θ₄)的情况下基于该类谐振器而设计的超宽带滤波器的特性。现在我们研究重点将放在如何利用短路十字型谐振器的固有零点来生成所需要的陷波频带。当θ₁≠θ₂≠θ₃时，如图1所示的谐振器的输入阻抗可以表示为：

$>Z_{\mathrm{in}2}=j{Z}_1\frac{Z_2{Z}_3\tan {\theta }_2\tan {\theta }_3+Z_1{Z}_2\tan {\theta }_1\tan {\theta }_2+2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_1\tan {\theta }_3}{Z_1{Z}_2\tan {\theta }_2+2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_3-Z_2{Z}_3\tan {\theta }_1\tan {\theta }_2\tan {\theta }_3}---\left(5\right)$>

滤波器的插入损耗S₂₁为：

$>S_{21A}=\frac{Y_{\mathrm{oddA}}-Y_{\mathrm{evenA}}}{(Y_0+Y_{\mathrm{oddA}})(Y_0+Y_{\mathrm{evenA}})}---\left(6\right)$>

其中：

$>Y_{\mathrm{oddA}}=\frac{2\mathrm{jA}\sin {\theta }_1\cos {\theta }_1}{A^2{\cos }^2{\theta }_1-B^2}---\left(7\right)$>

$>Y_{\mathrm{evenA}}=\frac{Y_{\mathrm{rA}}A\sin \left(2{\theta }_1\right)+4j{\sin }^2{\theta }_1}{A\sin \left(2{\theta }_1\right)+{\mathrm{jY}}_{\mathrm{rA}}(B^2-A^2{\cos }^2{\theta }_1)}---\left(8\right)$>

$>Y_{\mathrm{rA}}=\frac{1}{2}{Y}_{\mathrm{in}2}=\frac{1}{2Z_{\mathrm{in}2}}---\left(9\right)$>

可以看出，当Z_in2=0时，式(8)可以替换为：

$>Y_{\mathrm{evenA}}=\frac{A\sin \left({2\theta }_1\right)}{j(B^2-A^2{\cos }^2{\theta }_1)}---\left(10\right)$>

其中，A=Z_oe+Z_oo，B=Z_oe-Z_oo。很显然，它和式(7)中的奇模输入导纳Y_oddA相等，也就是说此时我们可以得到滤波器的传输零点。简化计算之后可以求得对应于传输零点的短路枝节电长度：

$>{\theta }_2{=\tan }^{-1}\left(\frac{-2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_1\tan {\theta }_3}{Z_2{Z}_3\tan {\theta }_3+Z_1{Z}_2\tan {\theta }_1}\right)---\left(11\right)$>

$>{\theta }_3{=\tan }^{-1}\left(\frac{-Z_1{Z}_2\tan {\theta }_1\tan {\theta }_2}{Z_2{Z}_3\tan {\theta }_2+2Z_1{Z}_3\tan {\theta }_1}\right)---\left(12\right)$>

需要强调的是本设计中的θ₁的电长度始终是滤波器中心频率对应的90°。图4为基于终端短路十字谐振器超宽带带通滤波器相对带宽随枝节阻抗的变化曲线，可以看出通过合理的调节滤波器枝节阻抗，使得滤波器的带宽在较大的范围内变化，且相对带宽将随着枝节阻抗的变大而增加。

根据式(11)和(12)，图5给出了l_A1=6.2mm时滤波器陷波频段随终端短路十字谐振器的枝节长度的变化情况。图中的P点表示当θ₁=θ₂=θ₃=θ₄时，滤波器的陷波将出现在中心频率处。

本发明已经进行了多次实施实验，下面简要说明实施例的实验情况：

实施例是中心频率为6.65GHz的基于终端短路十字型谐振器的固定陷波频段超宽带带通滤波器。申请人加工制作了一个基于终端短路十字型谐振器的固定陷波频段超宽带带通滤波器，所使用的介质板为RO4003（ε_r=3.38,h=0.508mm），滤波器的详细尺寸为第一微带线1的长度和宽度分别为l_A3=3.2mm，w_A3=0.3mm，第二微带线2和第四微带线4的长度和宽度分别为l_A2=11.5mm，w_A2=0.4mm，第三微带线3的长度和宽带分别为l_A1=6.2mm，w_c2=0.1mm，第六微带线6和第七微带线7长度和宽度分别为l_A1=6.2mm，w_c1=0.2mm，第六微带线6与第三微带线3耦合间距为s=0.08mm，第七微带线7与第三微带线3耦合间距为s=0.08mm，第五微带线5和第八微带线8都是50Ω微带线。该滤波器的仿真与实测结果S参数已在图6中给出。可以看到，滤波器的中心频率f₀=6.65GHz，通带范围为3.5GHz到9.8GHz，相对带宽为94.7%，最小插入损耗为0.8dB且通带内的回波损耗优于10dB。其上阻带大于20dB的带外抑制频率范围为10.5GHz到18GHz。滤波器的四个传输极点分别位于3.7GHz,6.5GHz，8.3GHz和9.1GHz，同时在靠近滤波器截止频率的1.9GHz和10.8GHz处有两个传输零点。在终端短路十字型谐振器固有传输零点的帮助下，一个位于5.8GHz的陷波频段被设计出来，其中心频率抑制能力大于30dB，将很好的抑制无线局域网等通信系统的信号对超宽带通信的噪声干扰。整个滤波器的结构也很紧凑，仅有23.6×11.1mm²(0.36λ_g²,λ_g表示滤波器中心频率对应的导波波长)。滤波器的群延时非常平坦，通带内的群延时约为0.45ns。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。