CN220474866U - 一种n阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构及滤波器，包括N个谐振器，谐振器包括顶层金属层、中间介质层、底层金属层，顶层金属层和底层金属层相互平行，中间介质层、顶层金属层和底层金属层对应开设有过孔，过孔垂直开设，过孔为圆形通孔，过孔的内环面设置有金属镀层，金属镀层与底层金属层相接，形成短路端；N个谐振单过孔设置金属层，与底层金属板相接，形成短路端。元之间设置有耦合线，耦合线的数量为N‑1，相邻两个谐振器通过耦合线连接，耦合线为矩形结构。本实用新型设置耦合线，通过调控耦合线的位置引入主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合路径，实现高带外抑制的性能，电耦合结构灵活，而且电路较为简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及电磁场与微波技术领域，具体涉及一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构以及四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器和四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器。
背景技术
目前，磁学理论与微波毫米波技术广泛的应用于民用与工业等领域。其中，微波毫米波技术在医疗成像系统、雷达通讯系统、高速无线通信系统和遥感遥测系统等电子系统中得到了广泛的发展。滤波器作为射频前端的工作器件，能够滤除信道中的噪声和杂散频率，其在整个通信系统中起着至关重要的作用。随着整个通信系统的高速发展，对滤波器的质量、体积、高选择性、高集成度、高带外抑制等有着较高的要求。国内外诸多学者在滤波器带外抑制方面做了大量的研究工作。最常见的方法是缺陷地法（DGS）,它可以在不改变微带面大小的情况下，根据表面电路情况做出各种形式的槽以达到滤去寄生通带的效果。但DGS电路的引入会使插入损耗变大、带内波纹差。
传统技术存在以下技术问题：
过耦合结构法利用输入输出级的过度耦合，以补偿奇、偶模相速差，在二倍频率处产生零点，从而达到抑制谐波的目的。但这种滤波器会大大增加电路的尺寸。介质基板覆盖法利用高介电常数介质对微带线的奇模影响较大，而对偶模影响较小，以起到均衡的作用，使奇偶模相速差均衡在千分之几，从而消除了寄生通带的产生。但这种滤波器的微带线周围电场发生变化，使中心频率飘移较大。采用谐振器之间交叉耦合的方法可较容易实现广义切比雪夫滤波器，目前已得到广泛的应用。这种设计方法普遍应用于波导滤波器设计或发夹型滤波器当中，但是需要增加滤波器的阶数，进而造成尺寸的增加与损耗的增大。
发明内容
本实用新型为解决现有滤波器中心频率飘移较大以及增加滤波器的阶数导致尺寸增加、损耗增大的问题，提供了一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，设置耦合线，通过调控耦合线的位置引入主模的电耦合路径同时抑制二次谐波的电耦合路径，实现高带外抑制的性能，电耦合结构灵活，而且电路较为简单。
为了实现上述目的，本实用新型的第一方面提出一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，包括N个谐振器，所述谐振器包括顶层金属层、中间介质层、底层金属层，所述顶层金属层和底层金属层相互平行，所述中间介质层、顶层金属层和底层金属层对应开设有过孔，所述过孔垂直开设，过孔为圆形通孔，过孔的内环面设置有金属镀层，所述金属镀层与底层金属层相接，形成短路端；
N个所述谐振器之间设置有耦合线，所述耦合线的数量为N-1，相邻两个所述谐振器通过耦合线连接，所述耦合线为矩形结构，耦合线用于引入主模的电耦合路径，并抑制寄生通带的电耦合路径；
N个谐振器通过N-1个耦合线阵列连接形成N阶滤波器，阵列的第一个所述谐振器的输入端作为N阶滤波器的输入端口，阵列的第N个所述谐振器的输出端作为N阶滤波器的输出端口，所述N≥2，且N为正整数包括N个谐振器，所述谐振器包括顶层金属层、中间介质层、底层金属层，所述顶层金属层和底层金属层相互平行，所述中间介质层、顶层金属层和底层金属层对应开设有过孔，所述过孔垂直开设，过孔为圆形通孔，过孔的内环面设置有金属镀层，所述金属镀层与底层金属层相接，形成短路端；
N个所述谐振器之间设置有耦合线，所述耦合线的数量为N-1，相邻两个所述谐振器通过耦合线连接，所述耦合线为矩形结构，耦合线用于引入主模的电耦合路径，并抑制寄生通带的电耦合路径；
N个谐振器通过N-1个耦合线阵列连接形成N阶滤波器，阵列的第一个所述谐振器的输入端作为N阶滤波器的输入端口，阵列的第N个所述谐振器的输出端作为N阶滤波器的输出端口，所述N≥2，且N为正整数。
进一步地，所述N阶滤波器的输入端口和输出端口由微带传输线构成，且设置于所述顶层金属层上。
本实用新型第二方面提出一种四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器，包括N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器为n字型结构，所述过孔靠近曲线侧开设。
进一步地，所述耦合线设置于远离短路端的一侧，耦合线与短路端之间的距离约为2/3倍的谐振器长度。
本实用新型第三方面提出一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器，包括N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器设置有高阻抗线和低阻抗线，所述高阻抗线和低阻抗线之间设置有阻抗比。
进一步地，所述谐振器为倒置的凸字形结构，所述过孔靠近所述谐振器的高阻抗线位置开设。
进一步地，所述耦合线设置于低阻抗线位置，耦合线与短路端之间的距离约为1/2倍的谐振器外凸端边长。
通过上述技术方案，本实用新型的有益效果为：
（1）本实用新型提供一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，本实用新型通过加入耦合线并调控耦合线的位置，以达到引入主模的电耦合路径且抑制寄生通带的电耦合路径，将寄生通带抑制在4倍频处或5倍频处，而实现高带外抑制的性能。
（2）本实用新型通过级联的方式来增加滤波器的阶数, 电耦合结构灵活，而且电路较为简单。
（3）本实用新型通过N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构得到一种四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器。
（4）本实用新型通过N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构得到一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器。通过调控高阻抗线与低阻抗线的阻抗比，使谐振单元的模式一和模式二的中心频率相差4倍，然后在在相邻谐振器低阻抗微带线间通过调控耦合线的位置引入主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合路径，将寄生通带抑制在5倍频处，更进一步拓宽阻带带宽，从而实现高带外抑制的性能。
附图说明
图1为本实用新型一种基于耦合线连接的二阶四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器结构示意图；
图2为本实用新型一种基于耦合线连接的二阶的四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器的S参数图；
图3为本实用新型一种基于耦合线连接的三阶四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器结构示意图；
图4为本实用新型一种基于耦合线连接的三阶的四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器的S参数图；
图5为本实用新型一种基于耦合线连接的二阶四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器结构示意图；
图6为本实用新型一种基于耦合线连接的二阶的四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器的S参数图；
图7为本实用新型一种基于耦合线连接的三阶四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器结构示意图；
图8为本实用新型一种基于耦合线连接的三阶的四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器的S参数图。
附图表号：1为谐振器，2为过孔，3为耦合线，4为输入端口，5为输出端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：
实施例1
如图1、3、5和7所示，一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，包括N个谐振器1，所述谐振器1包括顶层金属层、中间介质层、底层金属层，所述顶层金属层和底层金属层相互平行，所述中间介质层、顶层金属层和底层金属层对应开设有过孔2，所述过孔2垂直开设，过孔2为圆形通孔，过孔2的内环面设置有金属镀层，所述金属镀层与底层金属层相接，形成短路端；
N个所述谐振器1之间设置有耦合线3，所述耦合线3的数量为N-1，相邻两个所述谐振器1通过耦合线3连接，所述耦合线3为矩形结构，耦合线3用于引入主模的电耦合路径，并抑制寄生通带的电耦合路径；
N个谐振器1通过N-1个耦合线3阵列连接形成N阶滤波器，阵列的第一个所述谐振器1的输入端作为N阶滤波器的输入端口4，阵列的第N个所述谐振器1的输出端作为N阶滤波器的输出端口5，所述N≥2，且N为正整数。
优选的，所述N阶滤波器的输入端口4和输出端口5由微带传输线构成，且设置于所述顶层金属层上。
实施例2
基于实施例1在本实施例中设计一种四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器，包括N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器1为n字型结构，所述过孔2靠近曲线侧开设。
优选的，所述耦合线3设置于远离短路端的一侧，耦合线3与短路端之间的距离约为2/3倍的谐振器1长度。
在本实施例中，四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器为二阶带通滤波器和三阶带通滤波器。
如图1和2所示，本实施例的二阶带通滤波器、三阶带通滤波器包括三层，顶层金属层、中间介质层、底层金属层，顶层金属层和底层金属层为铜材质制成，中间介质层由Rogers 4350B材质制成，两个谐振器对称布设。谐振器间由耦合线连接，耦合线为宽度较窄的矩形结构，谐振单元间主模通过电耦合实现电能量的传输，由于耦合线的位置为谐振器寄生通带电场较弱的位置，因此寄生通带不能形成电耦合路径，从而形成高带外抑制的二阶电耦合带通滤波器。通过调节耦合线的位置和谐振器的宽度，实现滤波器的带宽可调。在图1中，L为四分之一波长均匀阻抗微带线的长度，W为四分之一波长均匀阻抗微带线的宽度， r为过孔的半径，D为微带馈线的长度，耦合线与过孔间的距离约为qL，其中参数q为归一化插入坐标(0≤ q≤ 1)，S为短耦合段的长度，其宽度为ws。通过调节耦合线的位置、长度和宽度，实现滤波器的带宽可调。微带馈线的宽度b可由介质基片的厚度、介电常数和谐振频率大致得到，通过调节参数b可以更好的进行50Ω阻抗匹配。通过耦合线结构并调控耦合线的位置，以达到引入主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合路径，将寄生通带抑制在4倍频率处，从而实现高带外抑制的性能。
在本实施例中，二阶四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器采用厚度h=0.508mm，相对介电常数=3.66，损耗角正切tanδ=0.0031的单层Rogers 4350B介质基片。如图2所示，工作频率在2.24GHz处，3dB相对带宽为39.7%，该滤波器的带内插入损耗为0.38dB，通带内的回波损耗优于26.4dB，该滤波器阻带较宽，寄生通带出现在9.67GHz处。
传统的二阶四分之一波长滤波器的寄生通带出现在三倍中心频率处，采用实施例1结构的滤波器将寄生通带抑制在4倍频处，可以确定采用实施例1结构后，确保主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合实现了滤波器高带外抑制的特性。
如图3所示，本实施例还设计了一种三阶四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器，包括三个均匀阻抗谐振器，第一个和第三个谐振器大小相同，第二个谐振器宽度较宽，三个谐振器关于中轴线对称，谐振器间由耦合线连接，耦合线为宽度较窄的矩形结构，谐振单元间通过电耦合实现电能量的传输，将寄生通带抑制在4倍频处。在滤波器两侧设置有平行且对称的微带馈线。
在本实施中，该三阶带通滤波器为上述二阶带通滤波器再级联一个均匀阻抗谐振器构成，图4为三阶带通滤波器的S参数图。该三阶带通滤波器的中心频率为2.23GHz，3dB相对带宽为35.0%，滤波器的带内插入损耗为0.51dB，通带内的回波损耗优于21.8dB，该三阶带通滤波器阻带较宽，寄生通带出现在9.74GHz，所提出的滤波器将寄生通带抑制在4倍频处。
实施例3
基于实施例1在本实施例中设计一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器，包括所述的N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器1设置有高阻抗线和低阻抗线，所述高阻抗线和低阻抗线之间设置有阻抗比。
优选的，所述谐振器1为倒置的凸字形结构，所述过孔2靠近所述谐振器1的高阻抗线位置开设。
优选的，所述耦合线3设置于低阻抗线位置，耦合线3与短路端之间的距离约为1/2倍的谐振器1外凸端边长。
通过调控高阻抗线与低阻抗线的阻抗比，使谐振单元的基频和寄生通带谐振频率相差4倍，然后在相邻谐振器低阻抗微带线间通过调控耦合线的位置引入主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合路径，将寄生通带抑制在5倍频处，从而实现高带外抑制的性能,在所述滤波单元低阻抗微带线的两侧设置有平行且对称的微带馈线。
在本实施例中的四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器为二阶带通滤波器和三阶带通滤波器。二阶带通滤波器和三阶带通滤波器包括三层，顶层金属层、中间介质层、底层金属层，顶层金属层和底层金属层为铜材质制成，中间介质层由Rogers 4350B材质制成，如图5所示，所述二阶带通滤波器具体包括两个倒置的凸字形谐振器，所述谐振单元呈对称结构，所述谐振器间的低阻抗线通过耦合线连接，所述耦合线为宽度较窄的矩形结构，所述谐振单元间通过电耦合实现电能量的传输。图5中L1为低阻抗线的长度、L2为高阻抗线的长度、W1为低阻抗线的宽度、W2为高阻抗线的宽度、r为金属通孔的半径、D为微带馈线的宽度。耦合线与金属通孔间的距离约为qL，参数q为归一化插入坐标(0≤ q≤ 1)，短耦合段的长度为S，宽度为ws。通过调节耦合线的位置和谐振器低阻抗线的宽，实现滤波器的带宽可调。微带馈线的宽度b可由介质基片的厚度、介电常数和谐振频率大致得到，通过调节参数b可以更好的进行50Ω阻抗匹配。通过加耦合线结构并调控耦合线的位置，以达到引入主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合路径，将寄生通带抑制在5倍频处，从而实现高带外抑制的性能。作为一种可实施方式，该二阶带通滤波器采用厚度h=0.508mm，相对介电常数=3.66，损耗角正切tanδ=0.0031的单层Rogers 4350B介质基片。图6为该二阶带通滤波器S参数图。此二阶带通滤波器实现指标为：工作频率在2.12GHz处，3dB相对带宽为47.2%，滤波器的带内插入损耗为0.23dB，通带内的回波损耗优于31.8dB，该滤波器阻带较宽，寄生通带出现在10.65GHz处。
传统的四分之一波长滤波器寄生通带出现在三倍中心频率处，所提出的滤波器将寄生通带抑制在5倍频处。可以确定采用实施例1结构后，确保主模的电耦合路径同时抑制寄生通带的电耦合可实现滤波器高带外抑制的特性。
本实用新型实施例提供的三阶带通滤波器，如图7示，所述滤波器具体包括三个SIR谐振器，所述第一个和第三个谐振器大小相同，所述第二个谐振器低阻抗线的宽度较宽（W3），三个谐振器低阻抗线间由耦合线连接，所述耦合线为宽度较窄的矩形结构，所述谐振单元间通过电耦合实现电能量的传输。在所述滤波单元两侧设置有平行且对称的微带馈线。
本实施例中，该三阶带通滤波器是在上述二阶带通滤波器基础上再级联一个SIR谐振器，其中，第一个谐振器和第三个谐振器的低阻抗线和高阻抗线的长度分别由L1和L2表示，宽度分别由W1和W2表示，第二个谐振器低阻抗线和高阻抗线的长度分别由L3和L4表示，宽度分别由W3和W4表示，该三阶带通滤波器的实现指标为：中心频率为2.20GHz，3dB相对带宽为46.8%，滤波器的带内插入损耗为0.40dB，通带内的回波损耗优于18.3dB，该滤波器阻带较宽，寄生通带出现在10.36GHz处，寄生通带被抑制在5倍频处。
因此本实施例提出的四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器具有宽阻带、带宽可调的优点，并且通过级联的方式扩展滤波器的阶数，在无线通信系统中具有很好的应用前景。
以上所述之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，并非限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型申请专利范围内。
Claims (7)
1.一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，其特征在于，包括N个谐振器（1），所述谐振器（1）包括顶层金属层、中间介质层、底层金属层，所述顶层金属层和底层金属层相互平行，所述中间介质层、顶层金属层和底层金属层对应开设有过孔（2），所述过孔（2）垂直开设，过孔（2）为圆形通孔，过孔（2）的内环面设置有金属镀层，所述金属镀层与底层金属层相接，形成短路端；
N个所述谐振器（1）之间设置有耦合线（3），所述耦合线（3）的数量为N-1，相邻两个所述谐振器（1）通过耦合线（3）连接，所述耦合线（3）为矩形结构，耦合线（3）用于引入主模的电耦合路径，并抑制寄生通带的电耦合路径；
N个谐振器（1）通过N-1个耦合线（3）阵列连接形成N阶滤波器，阵列的第一个所述谐振器（1）的输入端作为N阶滤波器的输入端口（4），阵列的第N个所述谐振器（1）的输出端作为N阶滤波器的输出端口（5），所述N≥2，且N为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种N阶四分之一波长高带外抑制滤波器结构，其特征在于，所述N阶滤波器的输入端口（4）和输出端口（5）由微带传输线构成，且设置于所述顶层金属层上。
3.一种四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器，其特征在于，包括权利要求1所述的N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器（1）为n字型结构，所述过孔（2）靠近曲线侧开设。
4.根据权利要求3所述的一种四分之一波长均匀阻抗高带外抑制电耦合滤波器，其特征在于，所述耦合线（3）设置于远离短路端的一侧，耦合线（3）与短路端之间的距离约为2/3倍的谐振器（1）长度。
5.一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器，其特征在于，包括权利要求1所述的N阶四分之一波长高带外抑制电耦合滤波器结构，所述谐振器（1）设置有高阻抗线和低阻抗线，所述高阻抗线和低阻抗线之间设置有阻抗比。
6.根据权利要求5所述的一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器，其特征在于，所述谐振器（1）为倒置的凸字形结构，所述过孔（2）靠近所述谐振器（1）的高阻抗线位置开设。
7.根据权利要求6所述的一种四分之一波长SIR高带外抑制电耦合滤波器，其特征在于，所述耦合线（3）设置于低阻抗线位置，耦合线（3）与短路端之间的距离约为1/2倍的谐振器（1）外凸端边长。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 464000 nanhu road, the Shihe River District, Xinyang, Henan Province, No. 237 Patentee after: XINYANG NORMAL University Country or region after: China Patentee after: Information Engineering University of the Chinese People's Liberation Army Cyberspace Force Address before: 464000 nanhu road, the Shihe River District, Xinyang, Henan Province, No. 237 Patentee before: XINYANG NORMAL University Country or region before: China Patentee before: Information Engineering University of Strategic Support Force,PLA |