CN112397859B - 基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器，属于微波电路集成技术领域。本发明采用同轴结构来实现，内部集成了三个终端开路谐振器，谐振器采用了新型的阶跃阻抗形式。通过调整阶跃阻抗谐振器高低阻抗传输线的阻抗比，可以使滤波器的寄生通带远离主通带，也可以使阶跃阻抗谐振器的总长度小于传统的二分之一波长。每个阶跃阻抗谐振器与外部传输线以及两个阶跃阻抗谐振器之间都采用终端耦合的形式。同轴滤波器外部端口采用了SSMP的接口形式，可以直接嵌入在天线与收发组件之间的结构中，起到抑制各次谐波的作用。该同轴滤波器设计简单，插损小,阻带很宽，易于与结构件集成。

Description

基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构

技术领域

本发明属于微波电路集成技术领域，具体为一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器。应用在无线通信或者雷达前端电路中，实现了对末级功放输出端的高次谐波抑制，此同轴滤波器具有良好的工程实现性。

背景技术

在大多数有源相控阵雷达前端电路中，往往将有源收发组件与天线阵面进行一体化设计，而且为了尽可能的提高集成度，两者之间往往采用直通互连的方式。虽然缩小了前端体积，但是这种简单的互连大大降低了雷达的电磁兼容性。尤其是收发组件输出端的无用杂散与谐波都有可能成为雷达系统的干扰源，影响系统性能。因此高性能，易集成的滤波器就显得十分关键。传统的微带滤波器形式多种多样，但是损耗较大，承受功率有限，而且空间辐射较强，不适于集成在收发组件的末级。相反，同轴滤波器损耗小，承受功率大，而且可以嵌入到收发组件与天线之间的结构内部，一方面起到互连的作用，另一方面可以有效抑制收发组件输出的杂散与谐波。基于半波长均匀阻抗谐振器的同轴滤波器设计简单，但是其寄生通带位于两倍的中心频率处，而且位置无法调节，因此也就无法抑制高次谐波。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决传统同轴滤波器阻带窄，体积大等各种缺点，本发明提出一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，实现了小型化、宽阻带以及阻带易调节等特性,从而提供一种更加实用的宽阻带带通滤波器结构。其寄生通带可以设置在四倍的中心频率处，甚至更高的位置，而且其具体位置可由谐振器的高低阻抗比来确定。

技术方案

一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，其特征在于整个结构全部采用同轴传输形式来实现，包括中间的滤波器主体结构和左右依次成对称分布的外部耦合装置、过渡转换装置和标准SSMP阴性接头，所述的标准SSMP阴性接头由内外导体以及中间的空气介质构成；所述的过渡转换装置由内外导体以及中间的PCTFE材料构成；所述的外部耦合装置由外导体、粗细突变的内导体以及中间的Teflon材料构成；所述的滤波器主体结构由外导体、3个三个尺寸完全一致的高低阻抗谐振器以及中间的Teflon材料构成；在外部耦合装置和滤波器主体结构之间设有耦合基片，在两个高低阻抗谐振器之间设有耦合基片。

本发明技术方案更进一步的说：所述的高低阻抗谐振器包括第二细内导体和位于第二细内导体两端的第二粗内导体，通过调整第二细内导体和第二粗内导体的直径和长度来设计滤波器的尺寸以及寄生通带的位置。

本发明技术方案更进一步的说：所述的耦合基片采用高介电常数的AL2O3材料加工而成。

本发明技术方案更进一步的说：位于外部耦合装置(3)和滤波器主体结构(4)之间的耦合基片的厚度为0.13mm。

本发明技术方案更进一步的说：在两端粗中间细的内导体之间的耦合基片的厚度为0.38mm。

有益效果

本发明提出的一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，该带通滤波器采用同轴结构来实现，内部集成了三个终端开路谐振器，为了尽可能缩小谐振器尺寸以及灵活调整滤波器寄生通带的位置，谐振器采用了新型的阶跃阻抗形式。通过调整阶跃阻抗谐振器高低阻抗传输线的阻抗比，可以使滤波器的寄生通带远离主通带，也可以使阶跃阻抗谐振器的总长度小于传统的二分之一波长。每个阶跃阻抗谐振器与外部传输线以及两个阶跃阻抗谐振器之间都采用终端耦合的形式，为了提高谐振器之间的耦合，在每个耦合缝隙处填充了高介电常数的陶瓷基片。同轴滤波器外部端口采用了SSMP的接口形式，可以直接嵌入在天线与收发组件之间的结构中，起到抑制各次谐波的作用。该同轴滤波器设计简单，插损小,阻带很宽，易于与结构件集成。因此，该滤波器可以有效的抑制高次谐波。与现有技术相比，其有益效果为：(1)采用同轴结构，滤波器电磁兼容性更好，而且易于嵌入在结构内部；(2)采用高低阻抗谐振器，结构更加紧凑；(3)通过调节谐振器高低阻抗的比值可以方便的调节寄生通道的位置；(4)上阻带更宽，可以抑制二次谐波，三次谐波，甚至四次谐波。

附图说明

图1为本发明宽阻带同轴滤波器的外部结构图。

图2为本发明宽阻带同轴滤波器的零件图。

图3同轴滤波器零件装配图

图4为本发明宽阻带同轴滤波器的测试电路简化图。

图5为本发明宽阻带同轴滤波器结构仿真和测试结果图。其中实线为仿真结果，虚线为测试结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明整个结构全部采用同轴传输形式来实现，其中包括外部的金属导体，中间的介质以及内部的金属导体。结构主要由标准SSMP接头，过渡变换装置，外部耦合装置，内部高低阻抗谐振器以及耦合基片构成。其中，SSMP接头由内外导体以及中间的空气介质构成；同轴过渡变换装置由内外导体以及中间的PCTFE材料构成，过渡变换装置一方面将两端的SSMP接头与同轴滤波器主体结构固定在一起，另一方面起到阻抗变换的作用。外部耦合装置由外导体，粗细突变的内导体以及中间的Teflon材料构成；内部谐振器由外导体，粗细突变的内导体以及中间的Teflon材料构成；耦合基片采用高介电常数的AL₂O₃材料加工而成，用于增强谐振器之间的耦合。两端的同轴接头都采用标准的SSMP形式。每个内部高低阻抗阶跃谐振器的内导都采用两端粗，中间细的突变形式。两个相邻谐振器之间的缝隙通过陶瓷基片填充。结构左右对称，而且内部的每个谐振器尺寸完全一致。谐振器的中间介质选用Teflon，过渡变换装置的中间介质选用PCTFE，两端SSMP的中间介质选用空气。通过过盈配合的连接方式将两端的SSMP接头与中间的滤波器主体固定在一起。

结合图1，本发明宽阻带带通滤波器结构全部通过同轴结构来实现，其中包括标准SSMP阴性接头1，过渡转换装置2，外部耦合装置3以及滤波器主体结构4。

结合图2，SSMP阴性接头由第一同轴外导体5，第一同轴内导体6以及中间的空气介质7构成。其中，内导体中间加工有直径为0.5mm的孔8，方便与外部阳性SSMP对接。结合图2，过渡转换装置由第二同轴外导体9，第二同轴内导体10，中间的PCTFE材料11以及环形空气槽12构成。其中，第二同轴内导体10为实心结构，一端插入到SSMP内导体的孔8中，另一端插入到外部耦合装置3内导体的孔中。环形空气槽12起到阻抗匹配的作用。外部耦合装置3由第三同轴外导体13，第一细内导体14，第一粗内导体15，中间的第一Teflon材料16以及0.13mm厚的第一AL₂O₃陶瓷基片17构成。其中高介电常数的陶瓷基片17直径与粗内导体15直径一致，用来增强外部结构与滤波器主体结构中两端谐振器的耦合。滤波器主体结构由第四同轴外导体18，三个尺寸完全一致的高低阻抗谐振器，包括第二粗内导体19以及第二细内导体20，中间的第二Teflon材料21以及0.38mm厚的第二AL₂O₃陶瓷基片22构成。其中，高介电常数的陶瓷基片用来增强相邻高低阻抗谐振器的耦合，高低阻抗谐振器的阻抗比值决定了滤波器的尺寸以及寄生通带的位置。

其中外部耦合装置3与滤波器主体结构4一体化加工，在外导体中间加工通孔，分别将Teflon介质18，三个高低阻抗谐振器，两个较厚的陶瓷基片22和两个较薄的陶瓷基片17放入其中。过渡装置2的内导体10与外部耦合装置3的细内导体14，粗内导体15一体化加工，然后插入到SSMP1内导体的孔8中，通过焊接工艺将两个独立的内导体固定起来。再将过渡装置的PCTFE材料11切开，套住过渡装置对应的内导体10，通过粘接工艺将已切开的PCTFE材料11固定起来，这样处理之后，一体化的内导体与PCTFE介质层11也就固定起来。过渡装置2与SSMP接头1也是一体化加工，在外导体中间加工通孔后，将固定起来的内导体与PCTFE介质层11放入其中。然后将过渡装置2，SSMP接头1的一体化结构与耦合装置3，滤波器主体4一体化结构紧紧压接在一起，并通过过盈配合的连接方式固定起来，使得内部相邻的高低阻抗谐振器与陶瓷基片充分接触。

以谐振器理论为基础，可以根据公式(1)-(4)来判断滤波器主通带以及寄生通带的位置：

当谐振器高低阻抗比K＝1时，此时谐振器粗细均匀，第一寄生通带位于两倍的中心频率f₀处，第二寄生通带位于三倍的中心频率f₀处，第三寄生通带位于四倍的中心频率f₀处，无法对高次谐波进行抑制，而且谐振器的总长度θ_T＝180°。当K＝0.25时(K<1)，此时谐振器粗细产生突变，第一寄生通带的位置高于三倍中心频率f₀，第二寄生通带的位置高于五倍中心频率f₀，第三寄生通带的位置高于六倍中心频率f₀，可以有效抑制端口的二次谐波以及三次谐波。根据公式(5)，此时谐振器的总长度θ_T<180°，而且当θ₁≈25°时，谐振器的总长度θ_T≈106°，远小于粗细均匀谐振器的总长度。

根据以上分析，当K<1，并且K值越小时，滤波器寄生通带的位置越远离滤波器的主通带。因此可以根据系统对滤波器阻带的要求确定出K的取值。为了尽可能减小K值，第二细内导体的直径一般接近实际加工的最小值，初始值一般取0.3mm。一般系统会对同轴滤波器的外径和总长度做出要求，根据加工经验，同轴结构外导体的厚度一般取0.5mm，因此同轴滤波器的外径减去外导体的厚度就可以得到同轴内部介质层的直径。一般同轴内部介质层选择Teflon材料，因此根据公式(6)，可以得到第二细内导体对应同轴结构的特性阻抗。K值确定后，可以得到第二粗内导体对应同轴结构对应的特性阻抗，根据公式(6)也可得出第二粗内导体的直径。谐振器之间填充的陶瓷基片为成品，尺寸由厂家提供，厚度一般取0.127～0.508mm。

当滤波器中心频率f₀给定之后，根据公式(7)可以得到对应的波长λ₀。K值确定之后，根据公式(1)可以得到高低阻抗谐振器的总电长度θ₀，根据公式(8)进而可以得到高低阻抗谐振器的物理长度。一般高低阻抗谐振器对称分布，并且第二细内导体与第二粗内导体的长度相等，因此两端的第二粗内导体长度分别为总长度的四分之一，中间的第二细内导体长度为总长度的二分之一。

外部耦合装置的粗内导体直径初始值可以选取与高低阻抗谐振器粗内导体的直径一致，为了增大耦合，其厚度接近实际加工的最小值，初始值一般取0.3mm。外部耦合装置的细内导体初始值选取与高低阻抗谐振器细内导体的直径一致，长度初始值选取为谐振器总长度的四分之一。

图1～图2所示的宽阻带同轴滤波器实现方案具有良好的通用性和可扩展性，通过调整高低阻抗谐振器的长度以及特性阻抗比值可以灵活调整滤波器的主通带位置以及寄生通带与主通带的相对位置，通过调整陶瓷基片的直径与厚度可以灵活调整滤波器的带宽。本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。

本发明宽阻带同轴滤波器结构，通过采用高低阻抗谐振器代替传统的均匀阻抗谐振器来远离寄生通带以及缩小滤波器尺寸。结合图2，它的主要参数包括特性阻抗的比值，取值一般小于1。通过在谐振器之间填充陶瓷基片提高耦合系数，结合图2，它的主要参数包括陶瓷基片厚度，一般取0.127～0.508mm。具体数值需要在软件中进一步优化。

下面结合实例对本发明做进一步详细的说明：

本发明宽阻带同轴滤波器结构,它采用了全同轴结构，同轴滤波器工作在C波段，频率范围4.4～6.6GHz。整个滤波器的长度为36.8mm，最大直径为4.5mm，滤波器主体同轴结构中间采用介电常数为2.02，直径为3.42mm以及长度为24.76mm的Teflon材料进行填充。滤波器内部集成了三个尺寸完全一致的高低阻抗谐振器，其中低阻抗线对应的内导体长度为2mm，直径为2.24mm，高阻抗线对应的内导体长度为4mm，直径为0.5mm。谐振器之间填充的陶瓷基片厚度为0.38mm，直径为2.24mm，介电常数为9.8。外部耦合装置中间采用介电常数为2.02，直径为3.42mm以及长度为2.33mm的Teflon材料进行填充，低阻抗线对应的内导体长度为0.4mm，直径为1.9mm，高阻抗线对应的内导体长度为1.8mm，直径为1.7mm，它与谐振器之间填充的陶瓷基片厚度为0.13mm，直径为1.9mm，介电常数位9.8。过渡变换装置中间采用介电常数为2.3，直径为1.8mm以及长度为1.1mm的PCTFE材料进行填充，内导体长度为1.1mm，直径为0.5mm，环形空气槽的深度为0.07mm，宽度为0.3mm。标准SSMP同轴接头中间填充介质为空气，内导体长度为2.6mm，直径为0.7mm。

以上便是该宽阻带同轴滤波器的实施方法和具体实例设计，该滤波器采用全同轴结构。其中采用了三个尺寸完全一致的同轴谐振器，应用谐振器之间的端口耦合，使得在谐振器谐振频率处形成滤波器的主通带以及各个寄生通带。为了增大滤波器的通带宽度，在谐振器之间的缝隙填充了高介电常数的陶瓷基片来增强耦合强度。此外，为了调整寄生通带的位置以及进一步缩小滤波器的尺寸，采用了高低阻抗阶跃谐振器，通过减小高低阻抗的特性阻抗比值可使得寄生通带更加远离主通带以及谐振器长度更短。最后过渡变换装置将滤波器主体结构与标准SSMP接头通过过盈配合的方式固定起来，方便与外部电路对接。该同轴滤波器设计简单，具有很强的工程实用性。

该同轴滤波器可通过矢量网络分析仪进行测试，其测试如图4所示。通过转换头将SSMP接头转换成SMA接头后与矢量网络分析仪连接，分别测出两端口相对应的S参数，整理的测试结果和仿真结果对比如图5所示。测试本发明设计实例的结果表明：本发明宽阻带同轴滤波器的工作带宽为4.4～6.6GHz，相对带宽约为小型宽带带通滤波器结构的工作带宽在1.4GHz-3.3GHz,相对带宽约为40％,通带内的反射损耗小于12dB，插入损耗小于0.5dB。高低阻抗谐振器的阻抗比约为0.25，寄生通带位置高于三倍的中心频率，对二次谐波的抑制大于40dB，对于三次谐波的抑制大于50dB。滤波器长度为36.8mm，最大直径为4.5mm。

Claims (4)

1.一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，其特征在于整个结构全部采用同轴传输形式来实现，包括中间的滤波器主体结构(4)和左右依次成对称分布的外部耦合装置(3)、过渡转换装置(2)和标准SSMP阴性接头(1)，所述的标准SSMP阴性接头(1)由内外导体以及中间的空气介质构成；所述的过渡转换装置(2)由内外导体以及中间的PCTFE材料构成；所述的外部耦合装置由外导体、粗细突变的内导体以及中间的Teflon材料构成；所述的滤波器主体结构(4)由外导体、3个三个尺寸完全一致的高低阻抗谐振器以及中间的Teflon材料构成；在外部耦合装置(3)和滤波器主体结构(4)之间设有耦合基片，在两个高低阻抗谐振器之间设有耦合基片；所述的高低阻抗谐振器包括第二细内导体(20)和位于第二细内导体(20)两端的第二粗内导体(19)，通过调整第二细内导体(20)和第二粗内导体(19)的直径和长度来设计滤波器的尺寸以及寄生通带的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，其特征在于所述的耦合基片采用高介电常数的AL2O3材料加工而成。

3.根据权利要求1所述的一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，其特征在于位于外部耦合装置(3)和滤波器主体结构(4)之间的耦合基片的厚度为0.13mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于阶跃阻抗谐振器的同轴宽阻带带通滤波器结构，其特征在于在两端粗中间细的内导体之间的耦合基片的厚度为0.38mm。

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