CN104009271B - 一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，包括输入馈线、输出馈线、四分之一波长第一谐振器和第四谐振器以及四分之三波长第二谐振器和第三谐振器；第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器依次级联形成环形结构；第一谐振器和第四谐振器分别与输入馈线和输出馈线对应平行，分别构成第一耦合结构和第五耦合结构；第一谐振器和第二谐振器连接第一接地通孔，构成第二耦合结构；第三谐振器一端和第四谐振器的一端与第二接地通孔连接，构成第四耦合结构；第二谐振器和第三谐振器之间存在耦合间隙，构成第三耦合结构；第一谐振器和第四谐振器端口之间存在耦合间隙，构成第六耦合结构。具有频率选择性高及带内插入损耗小的优点。

Description

一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种带通滤波器，特别涉及一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器。

背景技术

射频/微波滤波器是现代微波中继通信、卫星通信、无线通信和电子对抗等系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要和技术含量最高的微波无源器件。带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。带通滤波器主要工作于通信系统射频前端，用于低损耗通过某一频率范围内的有用信号，而将其他频率范围的频率分量衰减到极低水平。

然而，随着现代通信需求的高速发展，可利用的频谱资源日益紧张，因此对滤波器频率选择特性的要求越来越高。为了提高通信容量和避免相邻信道间的干扰，要求滤波器必须有陡峭的带外抑制；为了提高信噪比，要求通带内要有低的插入损耗；而为了减小信号的失真，要求通带内有平坦的幅频特性和群延时特性；为了满足现代通信终端小型化趋势，要求滤波器有更小的体积与重量。传统的巴特沃斯和切比雪夫滤波器已经难以满足这些要求，引入具有有限传输零点的交叉耦合结构的滤波器是目前最常用也是最佳的选择。与传统滤波器相比，这种滤波器不仅能够满足通带外的高选择特性，同时能够减少谐振腔的个数，降低设计成本和滤波器体积。目前为止，已经有很多学者提出了具有交叉耦合结构的微波带通滤波器，其中有些的确展现出良好的性能：带内插入损耗较小、选择性较高等。然而，有些结构却采用了过高的阶数使得滤波器体积过大，不利于集成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种频率选择性更高、带内损耗更小以及体积小的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器。本发明在谐振器之间引入了可控的交叉耦合，使得通带外产生多个传输零点，从而达到快速滚降，提高选择性的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，包括输入馈线和输出馈线；所述滤波器还包括结构相同且位置对称的四分之一波长第一谐振器和第四谐振器以及结构相同且位置对称的四分之三波长第二谐振器和第三谐振器；所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器依次级联形成一个环形结构；

所述第一谐振器和第四谐振器分别与输入馈线和输出馈线一一对应平行；并且所述第一谐振器与输入馈线之间存在间隙，构成第一耦合结构；

所述第一谐振器一端和第二谐振器的一端连接第一接地通孔，所述第一接地通孔为第一谐振器与第二谐振器之间引入磁耦合，构成第二耦合结构；

所述第二谐振器和第三谐振器之间存在耦合间隙，构成第三耦合结构；

所述第三谐振器一端和第四谐振器的一端与第二接地通孔连接；所述第二接地通孔为第三谐振器与第四谐振器之间引入磁耦合，构成第四耦合结构；

所述第四谐振器与输出馈线之间存在间隙，构成第五耦合结构；

所述第一谐振器和第四谐振器端口之间存在耦合间隙，构成第六耦合结构。

优选的，所述第一谐振器和第四谐振器均为一条微带线，作为第一谐振器的微带线和作为第四谐振器的微带线的其中一个端口分别与第一接地通孔和第二接地通孔连接，两条微带线另一个端口之间存在一个间隙，构成所述第六耦合结构；其中两条微带线对称设置且处于同一直线上。

优选的，所述第二谐振器和第三谐振器均由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线组成，其中上述互相连接的微带线之间的夹角为90度；

所述第二谐振器和第三谐振器通过第一微带线分别与第一接地通孔和第二接地通孔对应连接，所述第二谐振器和第三谐振器之间存在一个耦合间隙即第二谐振器和第三谐振器第五微带线之间存在耦合间隙，构成了所述第三耦合结构。

更进一步的，所述第一谐振器与第二谐振器的第一微带线之间的夹角为90度，所述第二谐振器的第二微带线与第一谐振器之间存在耦合间隙，与第一接地通孔一起构成所述第二耦合结构；

所述第四谐振器与第三谐振器的第一微带线之间的夹角为90度，所述第三谐振器的第二微带线与第四谐振器之间存在耦合间隙，与第二接地通孔一起构成所述第四耦合结构；

所述第二谐振器与第一谐振器之间的耦合间隙以及第三谐振器与第四谐振器之间的耦合间隙的宽度均为第二谐振器和第三谐振器的第一微带线的长度。

优选的，所述第二谐振器和第三谐振器之间耦合间隙的起始位置为：从第二谐振器和第三谐振器短路端算起在第二谐振器和第三谐振器总长度的三分之二处。

优选的，所述输入馈线和输出馈线均由依次连接的第七微带线、第八微带线和第九微带线连接；所述电磁波从输入馈线的第七微带线馈入，从输出馈线的第七微带线馈出；所述第七微带线、第八微带线和第九微带线连接成一个“7”型结构，第七微带线与第八微带线之间形成一个钝角，第八微带线和第九微带线之间形成一个锐角；

其中输入馈线和输出馈线对称设置，输入馈线的第九微带线与第一谐振器平行，输出馈线的第九微带线与第四谐振器平行；

优选的，输入馈线第九微带线的端口和输出馈线第九微带线的端口之间存在一个耦合间隙，构成所述第七耦合结构。

优选的，所述输入馈线的输入端口和输出馈线的输出端口均为50欧姆的匹配阻抗。

优选的，所述平面带通滤波器以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带基板上，其中微带基板的另外一面是覆铜接地板。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明的平面滤波器由两个四分之一波长谐振器和两个四分之三波长谐振器级联组成，具有体积小容易集成的优点。另外输入馈线和输出馈线与第一谐振器和第四谐振器之间分别构成耦合结构，谐振器之间也分别构成耦合结构，通过调整谐振器之间以及谐振器与输入馈线和输出馈线之间的磁耦合以及电耦合强度，使得滤波器的带宽在一定范围内得到调节，从而能够方便的控制滤波器的带宽。本发明中通过在第一谐振器与第四谐振器之间引入了可控的交叉耦合，从而使得本发明滤波器的通带两侧产生多个传输零点，极大提高了滤波器的带外抑制效果，大大提高了本发明滤波器的频率选择特性，同时具有带内插入损耗小的优点。

(2)本发明的平面滤波器还通过在输入馈线与输出馈线之间引入交叉耦合，从而使得滤波器的通带两侧产生更加多的传输零点，进一步提到了本发明滤波器的频率选择特性。

(3)本发明的平面滤波器采用的是微带形式，因此具有设计灵活、成本低、体积小以及便于集成的优点。

附图说明

图1是本发明平面带通滤波器的结构示意图。

图2是本发明平面带通滤波器在1.2GHz到4.8GHz频率范围内的插入损耗和回波损耗。

图3是本发明平面带通滤波器在1GHz到10GHz频率范围内的插入损耗和回波损耗。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其中本实施例的平面带通滤波器以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带基板1上，微带基板1的另外一面是覆铜接地板，该微带基板的相对介电常数为2.55，介质高度为0.80mm。

本实施例平面带通滤波器包括结构相同且位置对称的输入馈线2和输出馈线3、结构相同且位置对称的四分之一波长第一谐振器4和第四谐振器5以及结构相同且位置对称的四分之三波长第二谐振器6和第三谐振器7；其中第一谐振器4、第二谐振器6、第三谐振器7和第四谐振器5依次级联形成一个环形结构；

本实施例中输入馈线2和输出馈线3均由依次连接的第七微带线、第八微带线和第九微带线连接；所述电磁波信号从输入馈线的第七微带线的port1端口馈入，从输出馈线3的第七微带线的port2端口馈出经滤波器选择后的特定频率范围的有用信号；所述第七微带线、第八微带线和第九微带线连接成一个“7”型结构，第七微带线与第八微带线之间形成一个钝角，第八微带线和第九微带线之间形成一个锐角。输入馈线和输出馈线的第九微带线对称设置且处于同一直线上。其中输入馈线2和输出馈线3的第九微带线的宽度W₂＝1.1mm。输入馈线和输出馈线的三条馈线中，第七微带线、第八微带线和第九微带线的宽度依次减小。输入馈线的输入端口2和输出馈线3的输出端口均为50欧姆的匹配阻抗。

本实施例中第一谐振器4由微带线构成，第四谐振器5由微带线构成，其中两条微带线对称设置且处于同一直线上。两条微带线的长度L₁＝16.9mm。

本实施例中第二谐振器6和第三谐振器7均由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线组成，其中上述互相连接的微带线之间的夹角为90度；如图1中所示，六条微带线构成的第二谐振器6和第三谐振器7类似于螺旋结构。其中两个谐振器的第一微带线互相平行，第二微带线在同一直线上，第三微带线互相平行，第四微带线在同一直线上，第五微带线互相平行，第六微带线在同一直线上。第二微带线长度L₂＝4.9mm，第三微带线长度L₃＝16.0mm，第四微带线长度L₄＝11.0mm，第五微带线长度L₅＝11.0mm，第六微带线长度L₆＝9.3mm。上述各微带线的宽度均为W₁＝1.0mm。

本实施例输入馈线2的第九微带线与第一谐振器4的微带线平行，且第一谐振器4与输入馈线2之间存在间隙14，构成第一耦合结构；通过调整该间隙14的大小可以调整第一谐振滤器4和输入馈线2之间的耦合强度。

本实施例第一谐振器4的微带线以及第二谐振器6的第一微带线分别与第一接地通孔8连接，且第一谐振器4的微带线和第二谐振器6的第一微带线之间的夹角为90度，通过第一接地通孔8引入磁耦合，另外第二谐振器6的第二微带线与第一谐振器4的微带线平行且构成一个间隙10，通过该间隙10以及第一接地通孔8构成第二耦合结构，本实施例可通过调整该间隙10的大小或者第一接地通孔8的大小来调整第一谐振器4与第二谐振器6之间的耦合强度。

本实施例第二谐振器6和第三谐振器7的第五微带线之间存在间隙11，构成第三耦合结构，通过调整该间隙11来调节第二谐振器6和第三谐振器7之间的耦合强度。其中该间隙11的起始位置为：从第二谐振器6和第三谐振器7短路端算起在第二谐振器6和第三谐振器7总长度的三分之二处。

本实施例第三谐振器7的第一微带线与第四谐振器5的微带线均第二接地通孔9连接，通过第二接地通孔9引入磁耦合，另外第三谐振器的第二微带线与第四谐振器的微带线平行且构成一个间隙12，通过该间隙12以及第二接地通孔9构成第四耦合结构，本实施例可通过调整该间隙12的大小或者第二接地通孔9的大小来调整第三谐振器与第四谐振器之间的耦合强度。

本实施例输出馈线3的第九微带线与第四谐振器5的微带线平行，且第四谐振器5的微带线与输出馈线3之间存在间隙15，构成第五耦合结构；通过调整该间隙15的大小可以调整第四谐振滤器5和输出馈线3之间的耦合强度。

本实施例第一谐振器4的微带线没有与第一接地通孔8连接的一端和第四谐振器5的微带线没有与第二接地通孔9连接的一端存在一个间隙13，构成第六耦合结构，通过该耦合结构针对第一谐振器4与第四谐振器5之间引入可控的交叉耦合，在本实施例中，该交叉耦合使得平面带通滤波器通带两侧产生2个传输零点，另外通过调整间隙13的大小来可以调整第一谐振器4与第四谐振器5之间的交叉耦合强度。

本实施例输入馈线2和输出馈线3的第九微带线的端口之间形成一个间隙，构成第七耦合结构，通过第七耦合结构在源负载端的馈线间引入交叉耦合，在本实施例中，该交叉耦合使得平面带通滤波器通带两侧产生4个传输零点，另外通过调整该间隙的大小来可以调整输入馈线2和输出馈线3之间的交叉耦合强度。

其中本实施例平面带通滤波器的散射参数仿真结果如图2所示，其中频率范围为1.2GHz到4.8GHz，横轴表示本实施例带通滤波器的输入信号频率，纵轴表示对数幅度(dB)，包括插入损耗S21的幅度和回波损耗S11的幅度。其中S21表示通过本实施例带通滤波器的信号输入功率与信号输出功率之间的关系，其相应的数学函数为：

10*lg(Pi/Po)(dB)＝20*lg|S21|；

其中Pi表示输入功率，Po表示输出功率。

在本实施例带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；其中S11表示本实施例带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，其相应的数学函数为：

10*lg(Pr/Pi)(dB)＝20*lg|S11|；

其中Pr表示反射功率，Pi表示输入功率。

本实施例滤波器中心频率为3GHz，根据图2中回波损耗S11的曲线中可以得出，通带内有四个清晰的反射零点，其中带内插入损耗绝对值小于1.5dB，回波损耗绝对值大于20dB，并且在通带两侧产生六个传输零点，有效增加了截止频率的陡度，使得阻带下降快，带边更加陡峭，大大提高了滤波器的频率选择特性。

如图3所示，频率范围为1GHz到10GHz时，本实施例平面带通滤波器的散射参数仿真结果，由图中可以得出，本实施例平面带通滤波器在通带两侧可以产生多个传送零点，-20dB带外抑制从3.22GHz开始到8.92GHz，二倍频的寄生通带得到抑制，可见，带外抑制特性非常的好。

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。

Claims (9)

1.一种基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，包括输入馈线和输出馈线；其特征在于，所述滤波器还包括结构相同且位置对称的四分之一波长第一谐振器和第四谐振器以及结构相同且位置对称的四分之三波长第二谐振器和第三谐振器；所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器依次级联形成一个环形结构；

所述第一谐振器与输入馈线平行，并且所述第一谐振器与输入馈线之间存在间隙，构成第一耦合结构；

所述第一谐振器一端和第二谐振器的一端连接第一接地通孔，所述第一接地通孔为第一谐振器与第二谐振器之间引入磁耦合，构成第二耦合结构；

所述第二谐振器和第三谐振器之间存在耦合间隙，构成第三耦合结构；

所述第三谐振器一端和第四谐振器的一端与第二接地通孔连接；所述第二接地通孔为第三谐振器与第四谐振器之间引入磁耦合，构成第四耦合结构；

所述第四谐振器与输出馈线平行，并且所述第四谐振器与输出馈线之间存在间隙，构成第五耦合结构；

所述第一谐振器和第四谐振器端口之间存在耦合间隙，构成第六耦合结构。

2.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振器和第四谐振器均为一条微带线，作为第一谐振器的微带线和作为第四谐振器的微带线的其中一个端口分别与第一接地通孔和第二接地通孔连接，两条微带线另一个端口之间存在一个间隙，构成所述第六耦合结构；其中两条微带线对称设置且处于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述第二谐振器和第三谐振器均由依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线组成，其中上述互相连接的微带线之间的夹角为90度；

所述第二谐振器和第三谐振器通过第一微带线分别与第一接地通孔和第二接地通孔对应连接，所述第二谐振器和第三谐振器之间存在一个耦合间隙即第二谐振器和第三谐振器第五微带线之间存在耦合间隙，构成了所述第三耦合结构。

4.根据权利要求3所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振器与第二谐振器的第一微带线之间的夹角为90度，所述第二谐振器的第二微带线与第一谐振器之间存在耦合间隙，与第一接地通孔一起构成所述第二耦合结构；

所述第四谐振器与第三谐振器的第一微带线之间的夹角为90度，所述第三谐振器的第二微带线与第四谐振器之间存在耦合间隙，与第二接地通孔一起构成所述第四耦合结构；

所述第二谐振器与第一谐振器之间的耦合间隙以及第三谐振器与第四谐振器之间的耦合间隙的宽度均为第二谐振器和第三谐振器的第一微带线的长度。

5.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述第二谐振器和第三谐振器之间耦合间隙的起始位置为：从第二谐振器和第三谐振器短路端算起在第二谐振器和第三谐振器总长度的三分之二处。

6.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述输入馈线和输出馈线均由依次连接的第七微带线、第八微带线和第九微带线连接；电磁波从输入馈线的第七微带线馈入，从输出馈线的第七微带线馈出；所述第七微带线、第八微带线和第九微带线连接成一个“7”型结构，第七微带线与第八微带线之间形成一个钝角，第八微带线和第九微带线之间形成一个锐角；

其中输入馈线和输出馈线对称设置，输入馈线的第九微带线与第一谐振器平行，输出馈线的第九微带线与第四谐振器平行。

7.根据权利要求6所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，输入馈线第九微带线的端口和输出馈线第九微带线的端口之间存在一个耦合间隙，构成第七耦合结构。

8.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述输入馈线的输入端口和输出馈线的输出端口均为50欧姆的匹配阻抗。

9.根据权利要求1所述的基于级联四个谐振器的平面带通滤波器，其特征在于，所述平面带通滤波器以印刷电路板的方式制作在双面覆铜微带基板上，其中微带基板的另外一面是覆铜接地板。