CN101599564A

CN101599564A - 可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器

Info

Publication number: CN101599564A
Application number: CNA200910040985XA
Authority: CN
Inventors: 褚庆昕; 王欢
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明为一种可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，包括输入微带线、输出微带线和微带谐振器组，微带谐振器组是一个或一个以上可控电磁耦合滤波单元；可控电磁耦合滤波单元由两个相互耦合的谐振器组成，每个谐振器的有效长度为可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长；在同一可控电磁耦合滤波单元中，每个谐振器一边的顶部或底部设有一个开口，两个谐振器上的开口位置同时位于谐振器的顶部或同时位于谐振器的底部，开口所在边与两个谐振器的耦合边相邻，且两个开口的位置相对于两条耦合边的中心线中心对称，两条耦合边由高阻抗线构成。本发明的滤波器可实现准椭圆函数滤波特性，结构紧凑，体积小，成本低，特性好。

Description

可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器

技术领域

本发明涉及微带滤波器，尤其涉及一种具有可控电磁耦合的微带开口环谐振器滤波器。

背景技术

微波滤波器在无线信号处理中起着十分重要的作用，它可以滤除干扰信号，通过有用的信号。由于具备体积小、重量轻、易于加工、易于集成的优点，具有准椭圆函数响应的微带滤波器被广泛应用于各种无线通信***的电路模块中。高温超导薄膜具有近乎为零的表面电阻，具有极高的品质因数(Q值)，采用高温超导薄膜制成的准椭圆函数微带滤波器，具有极低的通带损耗，适用于移动通信基站***。移动通信基站使用高温超导滤波器后，可以提高***容量，降低邻频干扰，提高移动通话质量，降低基站和手机的发射功率，减少空间的电磁辐射和电磁污染。

准椭圆函数响应是具有有限频率传输零点的滤波器响应，传输零点可以出现在滤波器通带的一侧或两侧，以提高带外抑制并产生对称或非对称的滤波器响应。利用传输零点可以使低阶准椭圆函数滤波器获得的特性等同于甚至优于高阶切比雪夫滤波器的特性。但在现有技术条件下的滤波器综合设计中，只具有主耦合路径的微带滤波器只能实现普通的切比雪夫函数滤波器响应而无法实现具有传输零点的准椭圆函数滤波器响应。实现传输零点最常用的方法是采用交叉耦合技术。交叉耦合技术是指电磁信号从滤波器的输入端到输出端不仅通过了主耦合路径，还通过了交叉耦合路径。主耦合是指滤波器中输入端到输出端之间的谐振单元按顺序依次耦合，每个谐振单元只与按顺序与之相邻的谐振单元具有耦合关系；交叉耦合是指非相邻的谐振单元之间具有的耦合关系，具有交叉耦合设置的滤波器称为交叉耦合滤波器。目前大部分准椭圆函数滤波特性都是由交叉耦合滤波器实现的，但传统的交叉耦合滤波器存在阶数仍然较高，尺寸仍然较大，传输零点位置对各谐振器间的耦合十分敏感，设计难度高的缺点。而且在现有的微带滤波器中，所有相邻或非相邻的谐振单元之间都只存在单一的可控电耦合或磁耦合，而不存在可控的电磁混和耦合。因此，有必要提出一种可实现准椭圆函数滤波特性的可控电磁混合耦合的主耦合滤波器。

资料显示的一种典型的具有准椭圆函数滤波响应的微带开口环半波长谐振器滤波器如图1所示，请参考Jia-Sheng Hong and Michael J.Lancaster，“Couplings of microstrip square open-loop resonators for cross-coupledplanar microwave filters，”IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，vol.44，no.12，pp.2099-2109，(December 1996)。此设计包括四个设有开口12的方形开口环谐振器11、输入微带线13、输出微带线14。在此设计中，每个谐振器的有效长度为半波长，输入谐振器到输出谐振器之间的耦合为交叉耦合，其耦合极性为电耦合。其它耦合均为主耦合，其极性为磁耦合。电磁信号经过不同的耦合路径产生相差，使滤波器的响应呈现出具有传输零点的准椭圆函数特性。此设计的两个传输零点对称，输入谐振器和输出谐振器之间的交叉耦合的大小同时决定两个传输零点的位置，改变交叉耦合会同时改变两个传输零点的位置，因此两个传输零点不能被独立控制，另外，零点的位置对于交叉耦合大小的变化十分敏感，难以设计应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有主耦合滤波器无法实现准椭圆函数滤波特性的问题，克服现有交叉耦合滤波器体积仍然较大且传输零点不能被独立控制的问题，提供一种可控电磁耦合微带开口环滤波器，其用主耦合滤波器实现准椭圆函数滤波特性，且结构紧凑，体积小，成本低，特性好，适用于各种无线通信的需要。

为实现本发明的目的采用的技术方案：一种可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，包括输入微带线、输出微带线和微带谐振器组，其特征是，所述微带谐振器组是指一个或一个以上可控电磁耦合滤波单元；所述可控电磁耦合滤波单元由两个相互耦合的谐振器组成，所述每个谐振器的有效长度为所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长；在同一个可控电磁耦合滤波单元中，每个谐振器一边的顶部或底部设有一个开口，两个谐振器上的开口位置同时位于谐振器的顶部或同时位于谐振器的底部，所述开口所在的边与两个谐振器的耦合边相邻，且两个开口的位置相对于两条耦合边的中心线中心对称，所述两条耦合边由高阻抗线构成。

作为一种简单的结构，所述微带谐振器组是指一个可控电磁耦合滤波单元；所述可控电磁耦合滤波单元由两个相互耦合的谐振器组成，所述每个谐振器的有效长度为所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长，每个谐振器一边的顶部或底部设有一个开口，两个谐振器上的开口位置同时位于谐振器的顶部或同时位于谐振器的底部，所述开口所在的边与两个谐振器的耦合边相邻，且两个开口的位置相对于两条耦合边的中心线中心对称，所述两条耦合边由高阻抗线构成。

更具体地说，所述微带谐振器组中的谐振器为矩形谐振器或三角形谐振器。

上述微带谐振器组中的谐振器呈直线排列，这样的结构比交叉耦合滤波器更适合于双工、多工器应用。

本发明的主要工作原理是：本发明的滤波器通过在每个谐振器一边的顶部或底部开口，可使开口附近形成很强的电场分布，而相邻两个谐振器的两条耦合边由高阻抗线构成，可在高阻抗线附近的区域形成较强的磁场分布，这样的结构就便于相邻两个谐振器实现较强的电磁耦合。调整两个相互耦合的谐振器上的两个开口在所在边的位置，即调整两个开口之间的相对距离就可以改变电耦合和磁耦合的比例：两个开口位置的距离越近，则电耦合相对于磁耦合越大，反之则磁耦合相对于电耦合越大。因此，两个相邻的谐振器通过电磁混合耦合就构成了一个单独的可控电磁耦合滤波单元。电磁信号通过任意一个电磁耦合滤波单元都会产生一个传输零点，控制两个开口位置的相对距离从而控制两个相互耦合的谐振器之间的电磁耦合比例，就可以控制所述电磁耦合滤波单元所产生的传输零点位置以实现所需要的准椭圆函数滤波特性。当两个开口相对距离较大时，则磁耦合大于电耦合时，所述可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带左侧的传输零点；当两个开口相对距离较小时，则磁耦合小于电耦合时，所述的可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带右侧的传输零点。

每个可控电磁耦合滤波单元可以独立工作构成一个具有单个传输零点的二阶准椭圆函数滤波器，也可以与其它混合耦合单元或谐振单元相互耦合并且协同工作以构成具有多个传输零点的高阶准椭圆函数滤波器。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

1、传统的主耦合微带滤波器只能实现普通的切比雪夫滤波响应，而本发明通过对相邻微带谐振器之间主耦合中电磁混合耦合的控制可以实现性能更好的准椭圆函数滤波器，减少了所需谐振单元的数目，从而减小了滤波器的尺寸，降低了生产成本。

2、与现有的交叉耦合滤波器相比，本发明具有更低的阶数、更小的体积以及更灵活的传输零点设置。传统的交叉耦合滤波器需要至少三个谐振单元才能产生一个传输零点；而本发明只需要一个包含两个谐振单元的电磁耦合滤波单元就可以产生一个传输零点。交叉耦合滤波器的传输零点需要整体设计，其中每个传输零点位置的变化都会导致其他传输零点的变化，并且传输零点的位置对交叉耦合大小的变化十分敏感；而在本发明中，每个传输零点都是由单个的可控电磁混合耦合单元独立创造的，因此在高阶的混合耦合滤波器中，单个传输零点变化不会引起其它传输零点的变化，很容易实现非对称的滤波器响应。

3、在本发明中，由于谐振器沿直线排列，因此本发明比交叉耦合滤波器更适合于双工、多工器应用。

4、本发明可以与现有的交叉耦合技术相结合，创造出体积更小，性能更优越的准椭圆函数滤波器。

5、本发明不仅可以用于传统的平面型普通金属微带滤波器，更适合于制造具有高品质因数的高温超导滤波器。

附图说明

图1是现有技术中一种典型的具有准椭圆函数滤波响应的微带开口环半波长谐振器滤波器的结构示意图；

图2a是实施例1中采用的二阶可控电磁耦合矩形微带开口环谐振器滤波器的结构示意图；

图2b是实施例1采用的二阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器的结构示意图；

图3是实施例2中采用的四阶可控电磁耦合矩形微带开口环谐振器滤波器的结构示意图；

图4是实施例3中采用的二阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器与一个阶梯阻抗微带谐振单元构成的三阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器；

图5是图2b所示二阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器的频率响应的电磁仿真曲线示意图，其具有一个可控传输零点；

图6是图3所示四阶可控电磁耦合矩形微带开口环谐振器滤波器的频率响应的电磁仿真曲线和实验测试曲线示意图，其同时具有一个低阻带传输零点和一个高阻带传输零点；

图7是图4所示三阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器的频率响应的电磁仿真曲线和实验测试曲线示意图，其具有一个可控高阻带传输零点。

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。

实施例1

本发明的二阶可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的结构如图2a～图2b所示，其中图2a是二阶可控电磁耦合矩形微带开口环谐振器滤波器的结构示意图，图2b是二阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器的结构示意图，包括两个谐振器21、26，信号输入微带线24和信号输出微带线25。谐振器21、26的有效长度为所述二阶可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长，谐振器21中与耦合边23相邻的一边的顶部设有一个开口22，谐振器26中与耦合边28相邻的一边的顶部设有一个开口27，开口22和27的位置可以根据滤波器所需要的电、磁耦合的比例在其所在边上调整；所述开口22和27的位置相对于两条耦合边23、28的中心线中心对称(或近似对称即可)，耦合边23和28由高阻抗线构成，便于实现较强的电磁耦合。谐振器21、26的形状可以是矩形，如图2a，也可以是三角形，如图2b。通过可控电磁耦合而相互耦合的两个谐振器21和26构成一个单独的可控电磁耦合滤波单元，简称电磁耦合滤波单元。电磁信号通过任意一个电磁耦合滤波单元都会产生一个传输零点，通过控制电磁耦合的比例大小可以控制该传输零点的位置。在工作频率，由于谐振器21、26顶部的开口22和27附近具有很强的电场分布E，因此相邻两个谐振器21、26的顶部开口22和27之间的区域形成了强电场耦合；由于两个谐振器21、26的耦合边23、28由高阻抗线构成，因此在高阻抗线附近的区域具有较强的磁场分布H，因此相邻两个谐振器21、26的耦合边23、28一侧的区域形成了强磁场耦合。调整两个开口22和27在其边上的位置，即调整两个开口间的相对距离就可以改变电耦合和磁耦合的比例。两个开口距离越近，则电耦合相对于磁耦合越大，反之则磁耦合相对于电耦合越大。控制两个谐振器21、26之间的电磁耦合比例，就可以控制所述电磁耦合滤波单元所产生的传输零点位置以实现所需要的准椭圆函数滤波特性。当两个开口相对距离较大时，则磁耦合大于电耦合时，所述可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带左侧的传输零点；当两个开口相对距离较小时，则磁耦合小于电耦合时，所述的可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带右侧的传输零点。

采用图2b中所示的二阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器，当两个开口22和27间的相对距离约大于单个谐振器的宽度时，则磁耦合大于电耦合，由其构成的可控电磁耦合滤波单元的仿真响应曲线如图5中的曲线51所示，可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带左侧的传输零点52；当两个开口22和27间的相对距离约小于单个谐振器的宽度时，则磁耦合小于电耦合，由其构成的可控电磁耦合滤波单元的仿真响应曲线如图5中的曲线53所示，可控电磁耦合滤波单元可以实现一个通带右侧的传输零点54；可见，该滤波器可以实现一个位置可控的传输零点。

实施例2

包含两个可控电磁耦合滤波单元的四阶可控电磁耦合矩形微带开口环谐振器滤波器如图3所示，包括四个谐振器31～34，信号输入微带线24和信号输出微带线25，谐振器31和32组成一个可控电磁耦合滤波单元，谐振器33和34组成另一个可控电磁耦合滤波单元，四个谐振器31～34沿直线排列。谐振器31～34的有效长度均为所述滤波器的半个工作波长，谐振器31与耦合边35相邻的一边的顶部设有一个开口39，谐振器32与耦合边36相邻的一边的顶部设有一个开口40，开口39和40的位置可以根据滤波器所需要的电、磁耦合比例在其所在的边上调整，开口39、40相对于两条耦合边35、36的中心线中心对称(或近似对称即可)；同样的，在谐振器33与耦合边37相邻的一边的底部设有一个开口41，谐振器34与耦合边38相邻的一边的底部设有一个开口42，开口41和42的位置可以根据滤波器所需要的电、磁耦合比例在其所在的边上调整，开口41、42相对于两条耦合边37、38的中心线中心对称(或近似对称即可)；耦合边35～38由高阻抗线构成，便于实现较强的电磁耦合。

谐振器31～34的形状是矩形，该滤波器的仿真和实测响应曲线如图6所示。图6中，S11表示滤波器输入端到输出端之间的反射系数，S21表示滤波器输入端到输出端的传输系数。当谐振器31、32上的开口39、40间的距离约大于单个谐振器的宽度时，则磁耦合大于电耦合，其组成的可控电磁耦合滤波单元实现了通带左侧的可控传输零点61；当谐振器33、34上的开口41、42间的距离约小于单个谐振器的宽度时，则磁耦合小于电耦合，其组成的可控电磁耦合滤波单元实现了通带右侧的可控传输零点62。因此，该滤波器具有一左一右两个可控传输零点。

实施例3：

包含一个可控电磁耦合滤波单元的三阶可控电磁耦合三角形微带开口环谐振器滤波器如图4所示，包括一个阶梯阻抗谐振单元43、两个三角形开口环谐振器44、45，信号输入微带线24和信号输出微带线25，两个谐振器44、45组成一个可控电磁耦合滤波单元。谐振器44、45的有效长度均为滤波器的半个工作波长，谐振器44与耦合边46相邻的一边的顶部设有一个开口48，开口48的位置可以根据滤波器所需要的电、磁耦合比例在其所在边上调整；谐振器45与耦合边47相邻的一边的顶部设有一个开口49，开口49的位置可以根据滤波器所需要的电、磁耦合比例在其所在边上调整；开口48、49的位置相对于耦合边46和47的中心线中心对称(或近似对称即可)，耦合边46和47由高阻抗线构成，便于实现较强的电磁耦合。谐振器44、45的形状是三角形，该滤波器的仿真和实测响应曲线如图7所示，图7中，S11表示滤波器输入端到输出端之间的反射系数，S21表示滤波器输入端到输出端的传输系数。当两个谐振器44、45的开口48和49间距离约小于单个谐振器的宽度，则磁耦合小于电耦合，其组成的可控电磁耦合滤波单元实现了通带右侧的可控传输零点71。

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，例如，每个可控电磁耦合滤波单元还可以与多个可控电磁混合耦合滤波单元相互耦合并协同工作，构成具有多个传输零点的高阶椭圆函数滤波器滤波器，或者与其它谐振单元相互耦合并协同工作，构成具有不少于一个传输零点的高阶椭圆函数滤波器等等，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

1、一种可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，包括输入微带线、输出微带线和微带谐振器组，其特征是，所述微带谐振器组是指一个或一个以上可控电磁耦合滤波单元；所述可控电磁耦合滤波单元由两个相互耦合的谐振器组成，所述每个谐振器的有效长度为所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长；在同一个可控电磁耦合滤波单元中，每个谐振器一边的顶部或底部设有一个开口，两个谐振器上的开口位置同时位于谐振器的顶部或同时位于谐振器的底部，所述开口所在的边与两个谐振器的耦合边相邻，且两个开口的位置相对于两条耦合边的中心线中心对称，所述两条耦合边由高阻抗线构成。

2、根据权利要求1所述的可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，其特征是，所述微带谐振器组是指一个可控电磁耦合滤波单元；所述可控电磁耦合滤波单元由两个相互耦合的谐振器组成，所述每个谐振器的有效长度为所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器的半个工作波长，每个谐振器一边的顶部或底部设有一个开口，两个谐振器上的开口位置同时位于谐振器的顶部或同时位于谐振器的底部，所述开口所在的边与两个谐振器的耦合边相邻，且两个开口的位置相对于两条耦合边的中心线中心对称，所述两条耦合边由高阻抗线构成。

3、根据权利要求1或2所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，其特征是，所述微带谐振器组中的谐振器为矩形谐振器或三角形谐振器。

4、根据权利要求1或2所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，其特征是，所述微带谐振器组中的谐振器沿直线排列。

5、根据权利要求3所述可控电磁耦合微带开口环谐振器滤波器，其特征是，所述微带谐振器组中的谐振器沿直线排列。