CN103606725B - 一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，适用于宽带扫频超外差式频谱分析仪中的低波段信号滤波。首先，构造基于微波板材的十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元，用于满足低频信号滤波要求；其次，构造基于微波板材的十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元，用于满足高频信号滤波要求；再次，将十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联形成二十六阶带状线低通滤波模块，用于满足低频信号与高频信号的滤波要求。即克服了同轴腔体低通滤波器的尺寸大、不易改善端口匹配的缺点，又实现了高质量的信号输出，缩小了产品体积，减少了功耗。
Description
技术领域
本发明涉及宽带扫频超外差式频谱分析仪领域，尤其涉及一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器。
背景技术
在典型的宽带扫频超外差式频谱分析仪中，宽带射频信号按频率被划分成高、低不同的波段。不同波段的射频信号分别经过不同的频率变换后最终都变成低中频信号，以便模数转换器进行采样。低波段射频信号频率一般覆盖到S波段，即0Hz-4GHz。低波段射频信号进入频谱分析仪中先经过4GHz低通滤波器，然后在第一变频器中与工作在扫频方式下的第一本振信号进行变频，得到第一中频信号，即按照公式1。
FLO-FRF＝FIF (公式1)
公式1中，FLO、FRF和FIF分别表示本振、射频和中频信号的频率。对于扫频超外差式频谱分析仪，第一中频信号频率是固定的，即点频。对于射频信号频率为DC-4GHz，第一中频信号频率一般为5GHz左右。
对4GHz低通滤波器的一般要求为：通带***损耗小、通带回波系数小，过渡带滚降速度高，阻带带外抑制大。典型的指标要求为：0Hz-4GHz通带***损耗小于2.5dB、通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降大于80dB，5GHz-14GHz的阻带抑制大于80dB。
主要采用以下两种方案来实现
同轴腔体低通滤波器方案
为达到高的指标要求，目前典型的4GHz低通滤波器是采用同轴腔体结构，比如同轴腔体低通滤波器为表面镀金的金属腔体，两端用同轴连接器作为与外部模块的接口。这种滤波器的尺寸随着带外抑制能力的提高而增大，比如为实现80dB的阻带抑制。
可知，该腔体低通滤波器可以实现很高的带外抑制。然而，该腔体低通滤波器尺寸较大，且在使用中要用半钢线缆与外部电路模块连接，这不利于改善与外部模块之间的端口匹配，也无法实现仪器的小型化。
基于微波板材的平面传输线低通滤波器方案
为克服同轴腔体低通滤波器的尺寸大、不易改善端口匹配等缺点，目前普遍采用了基于微波板材的平面传输线低通滤波器进行替代。
比如微带线低通滤波器是基于罗杰斯公司的RO4350微波板材实现的，该滤波器主体是长为5cm的微带线结构。与同轴腔体低通滤波器相比，尺寸明显减小。该微带线低通滤波器可以方便集成到另一个电路模块中，避免了同轴-电缆过渡，有利于改善端口匹配。然而微带线低通滤波器的阻带抑制不理想，可知，在5GHz-14GHz的阻带抑制只有60dB左右，这是因为微带线由于空间辐射而存在寄生通带，难以满足仪器需求。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，在保证高质量输出信号的前提下，缩小产品体积，减少功耗，减少整机的装配和调试工作量。
为解决上述技术问题，本发明技术方案包括：
一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，其中，其包括设置在微波板材芯板与半固化片之间的二十六阶带状线低通滤波模块，所述二十六阶带状线低通滤波模块包括用于处理低频的十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与用于处理高频的十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元，所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联，经所述二十六阶带状线低通滤波模块处理后的信号满足0Hz-4GHz通带***损耗小于2.5dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降大于80dB，5GHz-14GHz的阻带抑制大于80dB的条件。
所述的并联开路阶梯阻抗低通滤波器，其中，所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元包括第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器，所述第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器上串联有八个相同阻抗的第一带状线谐振器，最后一个第一带状线谐振器兼作所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联的公共连接端，相邻第一带状线谐振器之间均接入一个第一调节带状线谐振器，所述第一调节带状线谐振器由两个开路短接线组成；经所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元处理的信号满足4GHz通带***损耗小于2dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降100dB，5.5GHz-8GHz的阻带抑制大于50dB的条件。
所述的并联开路阶梯阻抗低通滤波器，其中，所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元包括所述公共连接端，所述公共连接端上串联有五个相同阻抗的第二带状线谐振器，最后一个第二带状线谐振器连接有第二端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器，所述公共连接端与相连的第二带状线谐振器之间、以及相邻第二带状线谐振器之间均接入两个第二调节带状线谐振器，所述第二调节带状线谐振器由两个开路短接线组成；经所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元处理的信号满足4GHz通带***损耗小于0.5dB、通带回波系数小于-18dB，8GHz-14GHz的阻带抑制大于50dB的条件。
本发明提供的一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，采用十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联形成二十六阶带状线低通滤波模块的技术方案，实现了0Hz-4GHz通带***损耗小于2.5dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降大于80dB，5GHz-14GHz的阻带抑制大于80dB的信号输出，即克服了同轴腔体低通滤波器的尺寸大、不易改善端口匹配的缺点，又实现了高质量的信号输出，缩小了产品体积，减少了功耗，减少了整机的装配和调试工作量。
附图说明
图1是本发明中二十六阶带状线低通滤波模块的结构示意图；
图2是采用本发明中二十六阶带状线低通滤波模块散射参数的示意图；
图3是本发明中十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元的结构示意图；
图4是采用十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元优化电路的示意图；
图5是本发明中十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元的结构示意图；
图6是采用十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元优化电路的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，其包括设置在微波板材芯板与半固化片之间的二十六阶带状线低通滤波模块，所述二十六阶带状线低通滤波模块包括用于处理低频的十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1与用于处理高频的十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2，如图1所示的，为了方便面描述，将所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2用一虚线间隔开来；所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2级联形成所述二十六阶带状线低通滤波模块，如图2所示的，经所述二十六阶带状线低通滤波模块处理后的信号满足0Hz-4GHz通带***损耗小于2.5dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降大于80dB，5GHz-14GHz的阻带抑制大于80dB的条件。
在本发明的另一较佳实施例中，如图3所示的，所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1为对称结构，所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1包括第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器3，所述第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器3上串联有八个相同阻抗的第一带状线谐振器4，最后一个第一带状线谐振器兼作所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2级联的公共连接端5，相邻第一带状线谐振器4之间均接入一个第一调节带状线谐振器6，所述第一调节带状线谐振器6由两个开路短接线组成；经所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1处理的信号满足4GHz通带***损耗小于2dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降100dB，5.5GHz-8GHz的阻带抑制大于50dB的条件。
更进一步的，如图5所示的，所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2包括所述公共连接端5，所述公共连接端5上串联有五个相同阻抗的第二带状线谐振器7，最后一个第二带状线谐振器连接有第二端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器8，所述公共连接端5与相连的第二带状线谐振器7之间、以及相邻第二带状线谐振器7之间均接入两个第二调节带状线谐振器9，所述第二调节带状线谐振器9由两个开路短接线组成；如图6所示的，经所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元处理的信号满足4GHz通带***损耗小于0.5dB、通带回波系数小于-18dB，8GHz-14GHz的阻带抑制大于50dB的条件。
为了更进一步描述本发明的技术方案，以下进行更为详尽的叙述。
第一，制备所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1以实现通带与阻带近端的指标要求：0Hz-4GHz通带***损耗小于1.8dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降100dB，5.5GHz-8GHz的阻带抑制大于50dB。在该级低通滤波的实现过程中，按照指标从难到易的顺序逐渐增加滤波器的阶数。第二，制备所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2以实现通带与阻带远端的指标要求：0Hz-4GHz通带***损耗小于0.7dB、通带回波系数小于-18dB，8GHz-14GHz的阻带抑制大于50dB。在该级低通滤波的实现过程中，按照阻带频率从低到高的顺序逐渐增加滤波器的阶数。第三，将两级低通滤波单元级联形成二十六阶带状线低通滤波模块，满足预设总体指标要求。第四，将级联后的二十六阶低通滤波器原理图生成Layout版图，借助ADS2009的Momentum电磁仿真软件进行仿真验证，看电磁仿真结果是否满足最终总体指标要求。
并且第一级低通滤波单元为所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1，如图3所示，该级低通滤波单元主要实现通带与阻带近端(通带与阻带近端又称低频)的指标：0Hz-4GHz通带***损耗小于1.8dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降100dB，5.5GHz-8GHz的阻带抑制大于50dB。所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1为对称结构。其中Lp1为串联的第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器3；Ls1、Ls2、Ls3和Ls4为串联的具有相同高阻抗的第一带状线谐振器4；Lt1与Lc1、Lt2与Lc2、Lt3与Lc3共同构成并联的具有开路阶梯阻抗的第一调节带状线谐振器6。上述元件各自都含有两个参数：线宽与线长。其中Lp1的线宽和线长是固定值；调节Lt1与Lc1、Lt2与Lc2、Lt3与Lc3的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的阻带谐振频率；而调节Ls1、Ls2、Ls3和Ls4的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的通带***损耗以及通带回波系数。
根据通带和阻带近端的指标要求，通带和阻带近端又称低频，确定所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1各电路元件的值需要4个骤。
第一步，先给Ls1、Ls4、Ls3和Ls2的线宽和线长设相同的初值，其线宽为0.17mm、线长为2mm。调节Lc1和Lt1的线宽与线长，得到第一个阻带谐振频率点为5GHz，并使5GHz处的衰减值大于100dB。
第二步，调节Lt2与Lc2的线宽和线长，得到第二个阻带谐振频率点为6.5GHz，并使5.5GHz-7GHz处的衰减值大于50dB。
第三步，调节Lt3与Lc3的线宽和线长，得到第三个阻带谐振频率点为7.5GHz，并使7GHz-8GHz处的衰减值大于50dB。
第四步，调节Ls1、Ls4、Ls3和Ls2的线宽和线长，使0Hz-4GHz通带***损耗小于1.8dB，通带回波系数小于-18dB。
可以实现通带和阻带近端的指标要求，例如，如图4所示的，用一组优化后的电路元件值计算出的S分布参数。
第二级低通滤波单元为所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2，结构如图5所示，该级低通滤波单元主要实现通带与阻带远端(通带与阻带远端又称高频)的指标：0Hz-4GHz通带***损耗小于0.7dB、通带回波系数小于-18dB，8GHz-14GHz的阻带抑制大于50dB。所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2为对称结构。其中Lp1为串联的第二端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器8；Ls5、Ls6、和Ls7为串联的具有相同高阻抗的第二带状线谐振器7；Lt6与Lc6、Lt7与Lc7、Lt8与Lc8共同构成并联的具有开路阶梯阻抗的第二调节带状线谐振器9。与前面的所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1类似，调节Lt6与Lc6、Lt7与Lc7、Lt8与Lc8的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的阻带谐振频率；而调节Ls5、Ls6和Ls7的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的通带***损耗以及通带回波系数。
根据通带和阻带远端的指标要求，通带和阻带远端又称高频，确定所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2各电路元件的值需要4个骤。
第一步，先给Ls5、Ls6和Ls7的线宽和线长设相同的初值，其线宽为0.17mm、线长为2mm。调节Lc6和Lt6的线宽与线长，得到第四个阻带谐振频率点为8.5GHz，并使8GHz～9GHz处的衰减值大于50dB。
第二步，调节Lt7与Lc7的线宽和线长，得到第五个阻带谐振频率点为10GHz，并使9GHz-11GHz处的衰减值大于50dB。
第三步，调节Lt8与Lc8的线宽和线长，得到第六个阻带谐振频率点为12.5GHz，并使11GHz-14GHz处的衰减值大于50dB。
第四步，调节Ls5、Ls6和Ls7的线宽和线长，使0Hz-4GHz通带***损耗小于0.7dB，通带回波系数小于-18dB。
这样，通过4个步骤可以实现通带和阻带远端的指标要求。例如，如图6所示的，用一组优化后的电路元件值计算出的S分布参数。
所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2级联是指，将图3中所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元1最右端的Ls1、Lp1和图5所示的所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元2最左端的Lp1电路元件去掉后，直接对接就形成二十六阶低通滤波器。形成的二十六阶低通滤波器各电路元件的值保持不变，用前面计算的电路元件值仿真得到的S分布参数，如图2所示。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (1)
1.一种并联开路阶梯阻抗低通滤波器，其特征在于，其包括设置在微波板材芯板与半固化片之间的二十六阶带状线低通滤波模块，所述二十六阶带状线低通滤波模块包括用于处理低频的十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与用于处理高频的十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元，所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联，经所述二十六阶带状线低通滤波模块处理后的信号满足0Hz-4GHz通带***损耗小于2.5dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降大于80dB，5GHz-14GHz的阻带抑制大于80dB的条件；
所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元包括第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器，所述第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器上串联有八个相同阻抗的第一带状线谐振器，最后一个第一带状线谐振器兼作所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元与所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元级联的公共连接端，相邻第一带状线谐振器之间均接入一个第一调节带状线谐振器，所述第一调节带状线谐振器由两个开路短接线组成；经所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元处理的信号满足4GHz通带***损耗小于2dB，通带回波系数小于-18dB，4GHz-5GHz的过渡带滚降100dB，5.5GHz-8GHz的阻带抑制大于50dB的条件；
所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元包括所述公共连接端，所述公共连接端上串联有五个相同阻抗的第二带状线谐振器，最后一个第二带状线谐振器连接有第二端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器，所述公共连接端与相连的第二带状线谐振器之间、以及相邻第二带状线谐振器之间均接入两个第二调节带状线谐振器，所述第二调节带状线谐振器由两个开路短接线组成；经所述十一阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元处理的信号满足4GHz通带***损耗小于0.5dB、通带回波系数小于-18dB，8GHz-14GHz的阻带抑制大于50dB的条件；
所述十五阶并联开路阶梯阻抗带状线椭圆函数低通滤波单元为对称结构，其中Lp1为串联的第一端头50欧姆特征阻抗带状线谐振器；Ls1、Ls2、Ls3和Ls4为串联的具有相同高阻抗的第一带状线谐振器；Lt1与Lc1、Lt2与Lc2、Lt3与Lc3共同构成并联的具有开路阶梯阻抗的第一调节带状线谐振器；上述元件各自都含有两个参数：线宽与线长，其中Lp1的线宽和线长是固定值；调节Lt1与Lc1、Lt2与Lc2、Lt3与Lc3的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的阻带谐振频率；而调节Ls1、Ls2、Ls3和Ls4的线宽和线长主要改变并联开路阶梯阻抗低通滤波器的通带***损耗以及通带回波系数。
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