悬置带线交叉耦合带通滤波器

摘要

本发明公开了一种悬置带线交叉耦合带通滤波器，主要解决传统滤波器不能同时实现减小插入损耗和小型化的问题。其包括矩形外腔(1)，悬置介质基板(2)，Z形输入馈线(3)，Z形输出馈线(4)，矩形悬置带线谐振器(5)和U型交叉耦合线(6)。Z形输入输出馈线均由三条相互垂直的微带线构成，分别分布在端口和介质基板的上下两侧；多级矩形悬置带线谐振器设为结构相同的六级，每级包括两片矩形贴片和金属过孔，矩形贴片分布在介质基板上下表面，在开路一端通过金属过孔连接；每条U型交叉耦合线包括两侧枝节和上侧枝节，分布在带线谐振器之间。本发明能减小滤波器插入损耗与电路尺寸，实现电路的小型化，可用于无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于悬置带线器件，特别涉及一种交叉耦合带通滤波器，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

目前的实际应用中，雷达、微波通信、移动通信等部门中多频率、多信道工作的要求越来越普遍，对分隔频率的要求也越来越高，所以需要使用大量的微波滤波器，特别是带通滤波器，可以将通带两侧的信号都过滤掉，既能够限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又可以用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。微波毫米波电路中，通常采用微带线和波导等传输线来进行滤波器的设计，其都有缺点，微带线的品质因数即Q值较低，而波导体积过大，与上面所说的传输线相比，悬置带线不仅克服了他们的缺点，并且集成了更多优点，它通过将薄的介质基板悬置在金属腔体中来实现。与微带线相同，悬置带线虽说也是一种印制电路板技术，但是它的Q值比微带线要高的多，可以用来设计宽带的各种形式滤波器，如高通、低通、带通、带阻和多路复用器等，由于其阻抗变化范围很宽，不仅适合超宽带滤波器和多工器的制作，而且与交指结构、梳状结构以及半波长的平行耦合线技术相结合，能够设计窄带的滤波器。与波导类型的滤波器相比，其对于腔体的容差比波导要高，因为其滤波性能主要还是依赖于介质板的特性，所以其体积较之有所减小。

交叉耦合是滤波器的非相邻谐振腔之间形成耦合从而在其通带外实现有限传输零点的一种方式，这种方式使得滤波器在不增加阶数的情况下能提高指标，用更少的谐振单元实现相同的指标，从而满足现代通信终端的小型化需求。同时，合理调整交叉耦合滤波器带外传输零点的位置，不仅可以提高带外抑制，还可以改善通带内的群时延特性。因此，交叉耦合滤波器受到国内外众多学者越来越高的重视，其综合设计、实现技术及调试方法成了当前滤波器研究的热点。

2005年，Wolfgang Menzel等人在IEEE on Microwave Theory and Techniques期刊(vol.53,NO.10,pp.3230-3237,2005)上发表了“Quasi-Lumped Suspended Stripline Filters and Diplexers”，在悬置带线这种结构上提出了一种新的谐振单元结构，并设计了一款五阶带通滤波器展示了悬置带线结构在滤波器和双工器的低损耗和小型化方面的优越性。但该方案中并没有引入传输零点来进一步优化滤波器的带外抑制，同时该带通滤波器的插入损耗为2.1dB。2015年，Zhao-Xu Xu等人在IEEE on Electronics Letters期刊(Vol.51No.25pp.2121–2123，2015)上发表了“Suspended Stripline Low-loss Bandpass Filter with Four Transmission Zeros”，提出了一种带有四个传输零点的五阶带通滤波器，并在第一个谐振腔和第五个谐振腔之间利用“U”型枝节实现了非相邻谐振腔之间交叉耦合强度的可控。但该方案虽然带有四个传输零点，但实际能够实现可控的传输零点只有一个，并且只是位置的可控，并没有实现极性的可控；同时，由于“U”型枝节的存在使该带通滤波器的通带和可控的传输零点之间出现了一个比较明显的毛刺现象，影响通带和带外抑制特性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种悬置带线交叉耦合带通滤波器，以在不影响相邻谐振腔之间的耦合的条件下，减小插入损耗，灵活控制带外传输零点的位置和极性，同时减小“U”型结构枝节的总体长度，进而消除该结构产生的毛刺，实现良好的通带和带外抑制特性。

本发明的技术思路是：通过调节非相邻谐振腔之间“U”型结构枝节的长度和改变使“U”型结构枝节是否接地，来灵活控制带外传输零点的位置和极性，且不影响相邻谐振腔之间的耦合，同时消除该结构产生的毛刺，实现良好的通带和带外抑制特性；同时通过对谐振单元结构的改进以有效地减少谐振腔的介质损耗，从而进一步降低滤波器的插入损耗。

根据上述思路，本发明给出如下两种技术方案：

技术方案1：

一种悬置带线交叉耦合带通滤波器，包括矩形金属外腔1，悬置介质基板2，Z形输入馈线3，Z形输出馈线4、多级矩形悬置带线谐振器5和多条U型交叉耦合线6，其特征在于：

Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，均由三条相互垂直的微带线构成，且Z型输入馈线3覆在悬置介质基板2上表面的边侧，Z型输出馈线4覆在悬置介质基板2下表面的另一边侧；

多级矩形悬置带线谐振器5，其结构相同，每一级矩形悬置带线谐振器均包括两片矩形贴片和金属过孔，各级之间呈交指状分布在悬置介质基板2的上下表面，并在矩形贴片的开路一端通过金属过孔连接；

多条U型交叉耦合线6，以悬置介质基板成中心对称分布，每一条U型交叉耦合线介于每间隔一级的矩形悬置带线谐振器之间，用以在谐振腔之间产生交叉耦合，通过改变U型交叉耦合线两端距离矩形悬置带线谐振器的缝隙宽度，控制非相邻谐振腔之间的耦合强度与传输零点的相对位置。

作为优选，所述Z形输入馈线3，Z形输出馈线4均由三条相互垂直的微带线构成，即：

两者的第一条微带线是端口连接馈线，其长度为L₀，宽度为w₀＝w_50Ω，w_50Ω为50欧姆微带线宽度；

两者的第二条微带线是与矩形悬置带线谐振器平行的耦合馈线，其长度L₁满足0<L₁<(w/2-H-w₀/2)，其中W为外部矩形腔体宽度，H为馈线连接矩形谐振器处抽头位置的高度，宽度为1.4mm≤W₁≤1.6mm；

两者的第三条微带线是与矩形悬置带线谐振器垂直相连的耦合馈线，其长度为4.5mm≤L₄≤6.7mm，宽度1.4mm≤W₁≤1.6mm。

作为优选，所述多级矩形悬置带线谐振器(5)中的每一级，其宽度为9.9mm≤W₂≤10.1mm，长度满足λ_g为腔体内的波长，c为真空中的光速，ε_e为悬置介质基板的有效介电常数，f₀为矩形悬置带线谐振器的谐振频率。

作为优选，所述U型交叉耦合线的中间枝节宽度为1mm≤W₃≤1.5mm、长度为7.85mm≤L₃≤16.35mm，两侧枝节宽度为1mm≤W₄≤1.5mm，长度为1.9mm≤H₁≤3.1mm。

所述的悬置带线交叉耦合带通滤波器，其特征在于，U型交叉耦合线距两侧谐振器的缝隙宽度为0.3mm≤G≤0.7mm。

技术方案2：

一种悬置带线交叉耦合带通滤波器，包括矩形金属外腔1，悬置介质基板2，Z形输入馈线3，Z形输出馈线4、多级矩形悬置带线谐振器5和多条U型交叉耦合线6，其特征在于：

Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，均由三条相互垂直的微带线构成，且Z型输入馈线3覆在悬置介质基板2上表面的边侧，Z型输出馈线4覆在悬置介质基板2上表面的另一边侧；

多级矩形悬置带线谐振器5，其结构相同，每一级矩形悬置带线谐振器均包括两片矩形贴片和金属过孔，各级之间呈山字形成以轴对称结构分布在悬置介质基板2的上下表面，并在矩形贴片的开路一端通过金属过孔连接；

多条U型交叉耦合线6，以悬置介质基板成轴对称分布在悬置介质基板一侧，每一条U型交叉耦合线介于每间隔一级的矩形悬置带线谐振器之间，用以在谐振腔之间产生交叉耦合，通过改变U型交叉耦合线两端距离矩形悬置带线谐振器的缝隙宽度，控制非相邻谐振腔之间的耦合强度与传输零点的相对位置。

本发明具有以下技术优点：

1.本发明采用悬置空气带线结构,减小传输线的介质损耗,提高了谐振器的无载Q值。

2.本发明采用交指型或山字形腔间耦合结构，实现了两种不同的交叉耦合形式，在滤波器带外实现多个有限传输零点，提高了滤波器的带外抑制度。

3.本发明通过调节“U”形耦合线的长度和位置，可以改变非相邻谐振腔之间的耦合强度，从而控制传输零点的相对位置。

附图说明

图1为本发明第一实施例的三维结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明第二实施例的三维结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明第一实施例的频率响应曲线图；

图6为本发明第二实施例的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

实施例1：呈中心对称的悬置带线交叉耦合带通滤波器。

参照图1和图2，本实施例包括矩形外腔1，悬置介质基板2，Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，多级矩形悬置带线谐振器5和多条U型交叉耦合线6。其中：

所述矩形外腔1是铜制金属外腔，其中，长度L＝135mm，宽度W＝49.75mm，高度为10mm。

所述悬置介质基板2，悬置于矩形腔体的正中央，采用介电常数为2.55，厚度为1mm的介质基板；

所述多级矩形悬置带线谐振器5，在本实例中共有六级，但不限于六级。每一级矩形悬置带线谐振器均包括两片矩形贴片和金属过孔，这两片矩形贴片分布在悬置介质基板2的上下表面，两片矩形贴片的一端置于悬置介质基板边缘，与矩形外腔相连，另一端通过金属过孔相连；六级矩形悬置带线谐振器在悬置介质基板的上下表面呈交指状非等间距分布，整体由前三级与后三级呈中心对称分布，其中第一级与第二级间距为D₁＝9.49mm，第二级与第三级间距为D₂＝10.56mm，前三级与后三级间距为D₃＝10.53mm，金属过孔直径D＝2mm。每一级的长度满足：式中，λ_g为腔体内的波长，c为真空中的光速，ε_e为该悬置带线的有效介电常数，f₀为谐振器的谐振频率，L₂为矩形谐振器的边长，L₂＝32.8mm；矩形谐振器的宽度为W₂＝10mm。

所述Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，均由三条相互垂直的微带线构成，第一条是端口连接馈线，长度为L₀＝6mm，宽度为W₀＝W_50Ω＝7.24mm，W_50Ω为50欧姆微带线宽度；第二条是与矩形悬置带线谐振器平行的耦合馈线，长度满足0<L₁<(W/2-H-W₀/2)，本实例取L₁＝14mm，其中W＝49.75mm为外部矩形腔体宽度，耦合馈线连接矩形谐振器抽头位置的高度为H＝6.53mm，宽度为W₁＝1.5mm；第三条是与矩形悬置带线谐振器垂直相连的馈线，长度为L₄＝4.68mm，宽度为W₁＝1.5mm。

所述多条U型交叉耦合线6，在本实例中共两条，呈中心对称分布，第一条位于第一级矩形悬置带线谐振器和第三级矩形悬置带线谐振器之间，第二条位于第四级矩形悬置带线谐振器和第六级矩形悬置带线谐振器之间，用于产生非相邻腔之间的交叉耦合，以左边一条为例，两侧枝节一端置于悬置介质基板边缘，另一端与上侧枝节相连，总体呈倒U形结构；其上侧宽度为长度为L₃＝19.05mm，W₃＝1.5mm，两侧枝节长度为H₁＝3mm，宽度为W₄＝1mm，距两侧谐振器的缝隙宽度为G＝0.5mm。

本实施例滤波器的频率响应曲线如图5所示，图5中的S₂₁为滤波器的传输特性曲线，S₁₁为滤波器的反射特性曲线。由图5可知，通带的中心频率为1.95GHz，相对带宽为3.07％。该滤波器具有较低的插入损耗，较好的带外抑制特性和通带性能，同时实现了多个传输零点的位置与极性可控。

实施例2：呈中心对称的悬置带线交叉耦合带通滤波器。

参照图3和图4，本实施例包括矩形外腔1，悬置介质基板2，Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，多级矩形悬置带线谐振器5和多条U型交叉耦合线6。其中：

所述矩形外腔1与实施例1相同。

所述悬置介质基板2，与实施例1相同。

所述多级矩形悬置带线谐振器5，本实例中共有六级，但不限于六级。每一级矩形悬置带线谐振器均包括两片矩形贴片和金属过孔，这两片矩形贴片分布在悬置介质基板2的上下表面，两片矩形贴片的一端置于悬置介质基板边缘，与矩形外腔相连，另一端通过金属过孔相连；六级矩形悬置带线谐振器在悬置介质基板的上下表面呈山字形非等间距分布，整体由前三级与后三级呈轴对称分布，其中第一级与第二级间距为D₁＝9.19mm，第二级与第三级间距为D₂＝10.3mm，前三级与后三级间距为D₃＝2.87mm，金属过孔直径D＝2mm。每一级的长度满足：式中，λ_g为腔体内的波长，c为真空中的光速，ε_e为该悬置带线的有效介电常数，f₀为谐振器的谐振频率，L₂为矩形谐振器的边长，L₂＝30mm；矩形谐振器的宽度为W₂＝10mm。

所述Z形输入馈线3，Z形输出馈线4，均由三条相互垂直的微带线构成，第一条是端口连接馈线，长度为L₀＝6mm，宽度为W₀＝W_50Ω＝7.24mm，W_50Ω为50欧姆微带线宽度；第二条是与矩形悬置带线谐振器平行的耦合馈线，长度满足0<L₁<(W/2-H-W₀/2)，本实例取L₁＝14.5mm，其中W＝49.75mm为外部矩形腔体宽度，耦合馈线连接矩形谐振器抽头位置的高度为H＝6.43mm，宽度为W₁＝1.5mm；第三条是与矩形悬置带线谐振器垂直相连的馈线，长度为L₄＝6.57mm，宽度为W₁＝1.5mm。

所述多条U型交叉耦合线6，本实例中设为但不限于两条，其呈轴对称分布，第一条位于第一级矩形悬置带线谐振器和第三级矩形悬置带线谐振器之间，第二条位于第四级矩形悬置带线谐振器和第六级矩形悬置带线谐振器之间，用于产生非相邻腔之间的交叉耦合，以左边一条为例，下侧枝节置于悬置介质基板边缘，两侧枝节在两端分别与下侧枝节相连，伸向悬置介质基板，总体呈U形结构；其上侧宽度为长度为L₃＝18.49mm，W₃＝1mm，两侧枝节长度为H₁＝1.94mm，宽度为W₄＝1mm，距两侧谐振器的缝隙宽度为G＝0.5mm。

本实施例滤波器的频率响应曲线如图6所示，图6中的S₂₁为滤波器的传输特性曲线，S₁₁为滤波器的反射特性曲线。由图6可知，通带的中心频率为2.14GHz，相对带宽为2.8％。该滤波器具有较低的插入损耗，较好的带外抑制特性和通带性能，同时实现了多个传输零点的位置与极性可控。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。