CN112271422A - 一种微带线滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种微带线滤波器，包括PCB基板、参考地平面和滤波器本体，参考地平面位于PCB基板的底层，滤波器本体位于PCB基板的顶层；滤波器本体包括依次连接的输入匹配单元、第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和输出匹配单元。本发明尺寸小、精度高、容易加工、成本低、容易集成到电路中；滤波器的插入损耗低，反射系数小，性能优良；滤波器的带外抑制高，特别是二倍频处的带外抑制高。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种应用于X波段的微带线滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的快速发展，频率资源越来越短缺，出现了相对拥挤的状况，为了合理的利用有限的频率资源，国家相关部门对频段作了更细致第划分。因此，作为选频器件的滤波器在现代通信系统中作用显著提高，广泛应用于移动通信、卫星通信、宽带通信、雷达、导航、电子对抗、遥感测试等领域。而随着设备的增多，无线干扰越来越严重，这对滤波器的性能指标提出了更高的要求，如低插入损耗、低反射系数、高带外抑制，尺寸小，易加工。
X波段广泛应用于空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等。在国内，X波段中第8.8～9.6GHz频段应用于无线电导航和无线电定位，但是在这个频段的可选商用滤波器型号很少，微带线滤波器由于尺寸小、容易加工、精度高、成本低、容易集成、工作频率范围大等优点被广泛采用。
微带滤波器常采用的形式有发夹型、平行耦合线、梳状线、交指型和微带椭圆函数滤波器等。梳状线和交指型滤波器具有体积小的优点，但是需要过孔接地，有寄生电感，受寄生电感影响，呈现低频侧带外抑制差，通带内高频侧插入损耗高的现象，带内波动大的缺点。微带椭圆函数滤波器的涉及过程复杂，较难实现，平行耦合线滤波器由于个平行耦合节在一个方向级联，因此尺寸较大。发夹型微带线滤波器是在平行耦合型滤波器基础上改进的一种滤波器，此类滤波器具有插入损耗低、反射系数小等优点，但是这类发夹型微带线滤波器存在二倍频通带，对信号二次谐波抑制度不够，无法满足对二次谐波抑制有要求的电路应用，这是发夹型微带线滤波器较大的缺点。
参照图13和图14，图13是典型的发夹型微带线滤波器本体结构示意图，图14是典型的发夹型微带线滤波器的幅频响应，从图中可以看出在X频段的二倍频抑制很差，不足5dB。
发明内容
本发明提供了一种微带线滤波器，具有插入损耗低，反射系数小，带外抑制高，特别是二倍频处的带外抑制高等优点。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种微带线滤波器，包括PCB基板、参考地平面和滤波器本体，参考地平面位于PCB基板的底层，滤波器本体位于PCB基板的顶层；滤波器本体包括依次连接的输入匹配单元、第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和输出匹配单元。
作为本发明的优化方案，输入匹配单元的输入线宽W11大于输出线宽W12。
作为本发明的优化方案，输入匹配单元和输出匹配单元为指数渐变型、线性变换型、中心线对齐式多段微带线突变变换型或边缘对齐式多段微带线突变变换型。
作为本发明的优化方案，第一滤波单元和第三滤波单元的传输线上均设置有若干个开路传输线支节。
作为本发明的优化方案，开路传输线支节为一段直微带或弯折。
作为本发明的优化方案，多个开路传输线支节设置在传输线的同侧或两侧。
作为本发明的优化方案，相邻的开路传输线支节间隔小于传输信号的波长长度的八分之一，开路传输线支节长度为传输信号的波长长度的八分之一。
作为本发明的优化方案，第二滤波单元包括若干个谐振单元，谐振单元呈U形状，相邻谐振单元的开口方向上下交替变化。
作为本发明的优化方案，输入匹配单元和输出匹配单元的形状相同，输入匹配单元和输出匹配单元以第二滤波单元为中心相互对称。
作为本发明的优化方案，第一滤波单元和第三滤波单元的形状相同，第一滤波单元和第三滤波单元以第二滤波单元为中心相互对称。
本发明具有积极的效果：1)本发明尺寸小、精度高、容易加工、成本低、容易集成到电路中；
2)微带线滤波器的插入损耗低，反射系数小，性能优良；
3)微带线滤波器的带外抑制高，特别是二倍频处的带外抑制高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构图；
图2-5是输入匹配单元和输出匹配单元的各种结构示意图；
图6-9是第一滤波单元和第三滤波单元的各种结构示意图；
图10是滤波器本体的一种结构示意图；
图11是包含图10滤波器本体的微带线滤波器的幅频响应图；
图12是滤波器本体的另一种结构示意图；
图13是典型的发夹型微带线滤波器本体结构示意图；
图14是典型的发夹型微带线滤波器的幅频响应。
其中：1、PCB基板，2、参考地平面，3、滤波器本体，31、输入匹配单元，32、第一滤波单元，33、第二滤波单元，34、第三滤波单元，35、输出匹配单元。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种微带线滤波器，包括PCB基板1、参考地平面2和滤波器本体3，参考地平面2位于PCB基板1的底层，滤波器本体3位于PCB基板1的顶层；滤波器本体3包括依次连接的输入匹配单元31、第一滤波单元32、第二滤波单元33、第三滤波单元34和输出匹配单元35。其中，PCB基板1由基材组成，基材的材料包括但不限于FR4、Rogers、环氧板、玻纤板或者混压材料。参考地平面2的材料包括但不限于铜、金、银等金属或者合金等。参考地平面2的覆铜覆盖面积大于滤波器本体3的面积。滤波器本体3的材料包括但不限于铜、金、银等金属或者合金等。
如图2-5所示，输入匹配单元31是将输入阻抗Z11(通常为50欧)变换成高输出阻抗Z12(通常大于50欧)，输入匹配单元31的输入线宽W11大于输出线宽W12。
输入匹配单元31和输出匹配单元35为指数渐变型、线性变换型、中心线对齐式多段微带线突变变换型或边缘对齐式多段微带线突变变换型。
如图6-9所示，第一滤波单元32连接在输入匹配单元31和第二滤波单元33之间，第一滤波单元32的传输线上均设置有若干个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗一般为50欧姆或者略低于50欧姆。第一滤波单元32传输线上相邻的开路传输线支节间隔略小于传输信号的波长长度的八分之一，开路传输线支节长度为传输信号的波长长度的八分之一左右。传输线上的多个开路传输线支节可以在传输线的同一侧，也可以不在同一侧，也可以在传输线的两侧。开路传输线支节可以是一段直微带，也可以是弯折。
第二滤波单元33包括若干个谐振单元，谐振单元呈U形状，相邻谐振单元的开口方向上下交替变化，谐振单元的有效长度为传输信号的波长长度的二分之一。第一滤波单元32和第二滤波单元33的第一个谐振单元连接，第一滤波单元32连接在第二滤波单元33的第一个谐振单元U型转折一侧。第二滤波单元33的最末一个谐振单元连接第三滤波单元34连接，第三滤波单元34连接在第二滤波单元33的最末一个谐振单元U型转折一侧。
第三滤波单元34连接在第二滤波单元33输出匹配单元35之间，第三滤波单元34的传输线上均设置有若干个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗一般为50欧姆或者略低于50欧姆。第三滤波单元34传输线上相邻的开路传输线支节间隔略小于传输信号的波长长度的八分之一，开路传输线支节长度为传输信号的波长长度的八分之一左右。传输线上的多个开路传输线支节可以在传输线的同一侧，也可以不在同一侧，也可以在传输线的两侧。开路传输线支节可以是一段直微带，也可以是弯折。
输入匹配单元31和输出匹配单元35的形状相同，输入匹配单元31和输出匹配单元35以第二滤波单元33为中心相互对称。
第一滤波单元32和第三滤波单元34的形状相同，第一滤波单元32和第三滤波单元34以第二滤波单元33为中心相互对称。通过设置第一滤波单元32和第三滤波单元34，解决二次倍频抑制差的问题。
如图10所示是本发明的一种结构示意图，包括PCB基板1，PCB基板1的板厚为0.254mm，基材为Rogers。参考地平面2的材料为铜，铜厚0.035mm，长和宽与PCB基板1的尺寸相同。滤波器本体3的材料为铜，铜厚0.035mm。滤波器本体3包括输入匹配单元31、第一滤波单元32、第二滤波单元33、第三滤波单元34和输出匹配单元35。
图3所示为输入匹配单元31和输出匹配单元35的示意图，本示例中输入匹配单元31，输入阻抗Z11为50欧姆，输入线宽W11为0.78mm，输出阻抗Z12为105欧姆，输出线宽W12为0.2mm，输入线宽W11变换成输出线宽W12设计为两段微带线突变变换型(中心线对齐)，线宽为0.45mm，线长为0.5mm。
图9所示为第一滤波单元32和第三滤波单元34的示意图，本示例中第一滤波单元32连接输入匹配单元31和第二滤波单元33。第一滤波单元32的传输线输入阻抗Z21为105欧姆，线宽W21为0.2mm，与输入匹配单元31的输出线宽W12相等。
第一滤波单元32传输线上有两个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗为50欧姆，线宽0.78mm，线长为2.6mm。其中第一开路传输线支节在传输线下方，第二开路传输线支节在传输线上方，两开路支节间隔1.6mm。
第二滤波单元33由5个谐振单元组成，谐振单元呈U型状，谐振单元线宽0.456mm，谐振单元的两个谐振臂间隔1.8mm，臂长5.446mm。第一滤波单元32连接在第二滤波单元33的第一个谐振单元U型转折处1mm。
第二滤波单元33的第五个谐振单元连接第三滤波单元34，第三滤波单元34连接在第二滤波单元33的第五个谐振单元U型转折处1mm。
第二滤波单元33相邻的谐振单元方向上下交替变化。第二滤波单元33的第一个谐振单元与第二个谐振单元之间的间隔和第二滤波单元33的第四个谐振单元与第五个谐振单元之间的间隔为0.127mm。第二滤波单元33的第二个谐振单元与第三个谐振单元之间的间隔和第二滤波单元33的第三个谐振单元与第四个谐振单元之间的间隔为0.196mm。
第三滤波单元34连接第二滤波单元33和输出匹配单元35。第三滤波单元的传输线输出阻抗Z42为105欧姆，线宽W42为0.2mm，与输出匹配单元35的输入线宽W51相等。
第三滤波单元34传输线上有两个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗为50欧姆，线宽0.78mm，线长为2.6mm。其中第一开路传输线支节在传输线下方，第二开路传输线支节在传输线上方，两开路支节间隔1.6mm。
输出匹配单元35的输入阻抗Z51为105欧姆，输入线宽W51为0.2mm，输出阻抗Z52为50欧姆，输出线宽W52为0.78mm，输入线宽W51变换成输出线宽W52设计为两段微带线突变变换型(中心线对齐)，线宽为0.45mm，线长为0.5mm。
第一滤波单元32和第三滤波单元34以第二滤波器单元33为中心相互对称。输入匹配单元31和输出匹配单元35以第二滤波器单元33为中心相互对称。图11是图10的幅频响应。其中，工作在8.8GHz处的插入损耗为1.51dB，反射系数S11为-18.7dB；工作在9.6GHz处的插入损耗为1.65dB，反射系数S11为-28.5dB，整个工作频段内，插入损耗<1.8dB，反射系数S11<-15dB，其滤波器插入损耗、反射损耗性能相当优良。另外，在工作频段外的4～8GHz&10～20GHz频段，滤波器的带外抑制大于25dB，特别的，在工作频率的二倍频17.6～19.2GHz，带外抑制大于30dB，与传统的发夹型微带线滤波器相比，二倍频的抑制性能有非常大的提升。
如图12所示，是本发明另一种结构示意图。本示例中输入匹配单元31，输入阻抗Z11为50欧姆，输入线宽W11为0.78mm，输出阻抗Z12为105欧姆，输出线宽W12为0.2mm，输入线宽W11变换成输出线宽W12设计为指数渐变型，线长为2.58mm。
第一滤波单元32连接输入匹配单元31和第二滤波单元33。第一滤波单元32的传输线输入阻抗Z21为105欧姆，线宽W21为0.2mm，与输入匹配单元31的输出线宽W12相等。
第一滤波单元32传输线上有一个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗为50欧姆，开路传输线支节在传输线两侧，线宽0.78mm，每侧线长为1.4mm，支节距离输入匹配单元31为0.3mm,距离第二滤波单元33为2mm。
第二滤波单元33由5个谐振单元组成，谐振单元呈U型状，谐振单元线宽0.5531mm,谐振单元的两个谐振臂间隔1.8mm,臂长5.5771mm。
第一滤波单元32和第二滤波单元33的第一个谐振单元连接，第一滤波单元32连接在第二滤波单元33的第一个谐振单元U型转折处1.1631mm。
第二滤波单元33的第五个谐振单元连接第三滤波单元34，第三滤波单元34连接在第二滤波单元33的第五个谐振单元U型转折处1.1631mm。
第二滤波单元33相邻的谐振单元方向上下交替变化。第二滤波单元33的第一个谐振单元与第二个谐振单元之间的间隔和第二滤波单元33的第四个谐振单元与第五个谐振单元之间的间隔为0.127mm。第二滤波单元33的第二个谐振单元与第三个谐振单元之间的间隔和第二滤波单元33的第三个谐振单元与第四个谐振单元之间的间隔为0.1967mm。
第三滤波单元34连接第二滤波单元33和输出匹配单元35。第三滤波单元的传输线输出阻抗Z42为105欧姆，线宽W42为0.2mm，与输出匹配单元35的输入线宽W51相等。
第三滤波单元34传输线上有一个开路传输线支节，开路传输线支节阻抗为50欧姆，开路传输线支节在传输线两侧，线宽0.78mm,每侧线长为1.4mm，支节距离输出匹配单元35为0.3mm，距离第二滤波单元33为2mm。
输出匹配单元35的输入阻抗Z51为105欧姆，输入线宽W51为0.2mm，输出阻抗Z52为50欧姆，输出线宽W52为0.78mm，输入线宽W51变换成输出线宽W52设计为指数渐变型，线长为2.58mm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微带线滤波器，其特征在于：包括PCB基板(1)、参考地平面(2)和滤波器本体(3)，所述参考地平面(2)位于PCB基板(1)的底层，所述滤波器本体(3)位于PCB基板(1)的顶层；所述滤波器本体(3)包括依次连接的输入匹配单元(31)、第一滤波单元(32)、第二滤波单元(33)、第三滤波单元(34)和输出匹配单元(35)。
2.根据权利要求1所述的一种微带线滤波器，其特征在于：输入匹配单元(31)的输入线宽W11大于输出线宽W12。
3.根据权利要求2所述的一种微带线滤波器，其特征在于：所述的输入匹配单元(31)和输出匹配单元(35)为指数渐变型、线性变换型、中心线对齐式多段微带线突变变换型或边缘对齐式多段微带线突变变换型。
4.根据权利要求3所述的一种微带线滤波器，其特征在于：第一滤波单元(32)和第三滤波单元(34)的传输线上均设置有若干个开路传输线支节。
5.根据权利要求4所述的一种微带线滤波器，其特征在于：所述的开路传输线支节为一段直微带或弯折。
6.根据权利要求4或5所述的一种微带线滤波器，其特征在于：多个开路传输线支节设置在传输线的同侧或两侧。
7.根据权利要求4或5所述的一种微带线滤波器，其特征在于：相邻的开路传输线支节间隔小于传输信号的波长长度的八分之一，开路传输线支节长度为传输信号的波长长度的八分之一。
8.根据权利要求4所述的一种微带线滤波器，其特征在于：第二滤波单元(33)包括若干个谐振单元，谐振单元呈U形状，相邻谐振单元的开口方向上下交替变化。
9.根据权利要求4所述的一种微带线滤波器，其特征在于：输入匹配单元(31)和输出匹配单元(35)的形状相同，输入匹配单元(31)和输出匹配单元(35)以第二滤波单元(33)为中心相互对称。
10.根据权利要求4所述的一种微带线滤波器，其特征在于：第一滤波单元(32)和第三滤波单元(34)的形状相同，第一滤波单元(32)和第三滤波单元(34)以第二滤波单元(33)为中心相互对称。
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