CN104091986B - 一种混合结构的平面有耗滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合结构的平面有耗滤波器，设置两个左右对称的微带谐振器和基片集成波导谐振器，输入输出微带线通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线分别连接到微带谐振器和基片集成波导谐振器上，微带谐振器和基片集成波导谐振器分别通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线和有耗滤波器的输出微带线相连；微带谐振器、第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线、输入输出微带线均印制在介质基板上，基片集成波导谐振器是由介质基板上的基片集成波导接地孔和介质基板上下的覆铜构成。本发明加工简单，成本低廉；属于平面结构，无交叉电阻性耦合，易于实现。

Description

一种混合结构的平面有耗滤波器

技术领域

本发明属于微波有耗滤波器技术领域，尤其涉及一种基片集成波导技术与微带线技术相混合的平面有耗滤波器。

背景技术

随着现代无线通信事业的飞速发展，高性能微波滤波器被广泛用于宽频带通信***之中，特别是在通信卫星，地面电台，无线基站等场合得到了广泛的应用。有耗滤波器作为高性能微波滤波器的一种，必将越来越受到重视。在微波滤波器的设计过程中，设计者会发现一款高性能滤波器的实现往往需要高Q值的微波谐振器。一旦谐振器的材料和形状确定之后，此谐振器的Q值就被约束了。为了提高Q值，设计者必须增加谐振器的尺寸，这也导致了滤波器尺寸和重量的增加。有耗滤波器在有效减小谐振器Q值的同时依然能够提供高性能的通带响应。特别是当电磁环境日益复杂和频谱拥挤导致的干扰频率大量增加时，有耗滤波器的优势将更加明显。由于其平坦的带内特性和陡峭的边带特性，可以有效起到控制有用信号、抑制有害干扰信号、支持多信道通信的作用。有耗滤波器引入的损耗可以通过在有耗滤波器前端增加低增益低噪声放大器(Low Gain LNA，Low Noise Amplifier)来补偿。

根据研究报道，有耗滤波器通常的实现形式可以归类为三种：1.非平面结构，例如基于同轴腔体谐振器的有耗滤波器，此类结构有耗滤波器性能较好，但是体积与重量都比较大；2.平面微带结构，此类结构的有耗滤波器通常具有交叉电阻性耦合，交叉电阻性耦合在某些情况下无法完全实现；3.混合的平面与非平面结构，此类有耗滤波器性能较好，但是体积与重量仍然较大。因此，平面结构有耗滤波器具有重要的应用价值。

目前，国内外对有耗滤波器进行了一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，报道出来的有耗滤波器普遍面临着以下一些缺陷：

(1)有耗滤波器很多采用腔体结构实现，体积大重量重，不便于***小型化与集成。

(2)一部分有耗滤波器采用平面微带结构，此类有耗滤波器一般都具交叉电阻性耦合，交叉电阻性耦合在某些运用场合很难实现。而且平面微带结构有耗滤波器通常利用一些电阻性元件来实现微带谐振器Q值的变化，对所引入的电阻性元件要求苛刻，不利于实现。

(3)部分有耗滤波器采用非平面的腔体结构与平面微带结构相结合的混合结构，此种实现方式的有耗滤波器相比于传统的腔体结构有耗滤波器，体积和重量上有一定改善，但还无法达到最优。

针对有传统耗滤波器体积和重量偏大的问题，目前已有一些文献提出利用非均匀Q值谐振器来实现高性能低重量的有耗滤波器。根据“A.C.Guyette；I.C.Hunter；andR.D.Pollard；The Design of Microwave Bandpass Filters using Resonators withNonuniform Q,IEEE Trans.Microw.Theory & Tech.,pp.3914-3922.November2006,54,(11)”中的分析，完全利用微带谐振器来构成有耗滤波器。这种方法是通过将电阻元件嵌入到微带谐振器内部来降低谐振器Q值，同时引入了交叉电阻性耦合。这种方法的缺点是构成有耗滤波器谐振器的最大Q值主要受微带介质板控制，导致谐振器的最大Q值偏低，有耗滤波器的***损耗进一步增大。而且交叉电阻性耦合在某些场合较难实现。另外一种利用非均匀Q值谐振器实现有耗滤波器的方法是根据“M.Meng；I.C.Hunter；and J.D.Rhodes；TheDesign of Parallel Connected Filter Networks With Nonuniform Resonators,IEEETrans.Microw.Theory & Tech.,pp.372-381.January2013,61,(1),”所提出的结构，有耗滤波器的实现是基于同轴腔体谐振器和微带谐振器相结合的混合结构实现的，其中两个同轴腔体串联构成子网络1，两个微带谐振器串联构成子网络2，子网络1和子网络2并联形成非均匀Q值有耗滤波器。这种方法实现过程中的调节非常繁琐，而且有耗滤波器的重量也比较大。

无论是工业应用还是集成化的需要，尤其是移动终端和卫星通信***的需求，都急需一种设计简单、高性能、平面结构的有耗滤波器。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种混合结构的平面有耗滤波器，旨在解决现有的有耗滤波器存在的结构复杂，成本较高、相对带宽较大的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种混合结构的平面有耗滤波器，包括：金属地板、介质基板、第一输入输出微带连接线、输入输出微带线、第二输入输出微带连接线、谐振器；设置两个左右对称的微带谐振器和基片集成波导谐振器，输入输出微带线通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线分别连接到微带谐振器和基片集成波导谐振器上，微带谐振器和基片集成波导谐振器分别通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线和有耗滤波器的输出微带线相连；微带谐振器、第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线、输入输出微带线均印制在介质基板上，基片集成波导谐振器是由介质基板上的基片集成波导接地孔和介质基板上下的覆铜构成。

进一步，微带谐振器Q值为278，基片集成波导谐振器的Q值为515；基片集成波导谐振器和微带谐振器构成非均匀Q值有耗滤波器属于平面有耗滤波器结构。

进一步，微带谐振器的介质板材料为RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009。

进一步，微带谐振器采用半波长谐振器。

进一步，两个左右对称的微带谐振器通过缝隙耦合形成低Q值子网络，两个基片集成波导谐振器通过开口耦合形成高Q值子网络。

进一步，高Q值子网络和低Q值子网络平行放置构成有耗滤波器网络。

本发明提供的混合结构的平面有耗滤波器，采用基片集成波导结构与微带谐振器结构相结合的混合结构，是一款全平面的有耗滤波器；基于非均匀Q值谐振器构成的有耗滤波器，其中高Q值谐振器为基片集成波导谐振器，加工简单，成本低廉；由于基片集成波导谐振器Q值介于微带谐振器和腔体谐振器之间，能实现微带谐振器和腔体谐振器实现不了的Q值；本发明的有耗滤波器属于平面结构，无交叉电阻性耦合，易于实现；有耗滤波器具有很窄的带宽，在本发明的具体实施例中，工作中心频率为1.984GHz，带宽为25MHz，相对带宽只有1.26％，远小于已报道的绝大部分有耗滤波器相对带宽。本发明能根据实际需求进行自适应改进，通过改变微带谐振器长度、基片集成波导谐振器大小来调节有耗滤波器工作频段；通过改变输入输出与谐振器的连接位置，改变外部Q值，通过改变微带谐振器之间的缝隙，并且改变基片集成波导谐振器之间开口大小，改变谐振器之间的耦合；从而满足不同的应用需求，设计简单灵活。

附图说明

图1是本发明实施例提供的混合结构的平面有耗滤波器结构示意图；

图中：1、金属地板；2、介质基板；3、微带半波长谐振器；4、第一输入输出微带连接线；5、输入输出微带线；6、第二输入输出微带连接线；7、基片集成波导谐振器；8、基片集成波导接地孔；

图2是本发明实施例提供的混合结构的平面有耗滤波器的侧视图；

图3是本发明实施例提供的***损耗和回波损耗仿真结果图；

图中：S₂₁是***损耗仿真结果；S₁₁是回波损耗仿真结果；

图4是本发明实施例提供的***损耗和回波损耗实测结果图；

图中：S₂₁是***损耗实测结果；S₁₁是回波损耗实测结果；

图5是本发明实施例提供的带外特性仿真和实测结果图；

图中：虚线是带外特性仿真结果；实线是带外特性实测结果；

图6是本发明实施例提供的混合结构的平面有耗滤波器实施例的尺寸示意图；

图7是本发明实施例中高Q值子网络、低Q值子网络、整体有耗滤波器的传输特性仿真结果图；

图中：虚线是高Q值子网络传输特性；点划线是低Q值子网络传输特性；实线是整体有耗滤波器传输特性；

图8是本发明实施例对应的有耗滤波器耦合矩阵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明实施例的混合结构的平面有耗滤波器主要由：金属地板1、介质基板2、微带半波长谐振器3、第一输入输出微带连接线4、输入输出微带线5、第二输入输出微带连接线6、基片集成波导谐振器7、基片集成波导接地孔8组成；

金属地板1设置在介质基板2的底面，有耗带通滤波器的输入输出微带线5通过第一输入输出微带连接线4、第二输入输出微带连接线6分别连接到微带谐振器3和基片集成波导谐振器7上，微带谐振器3和基片集成波导谐振器7分别通过第一输入输出微带连接线4、第二输入输出微带连接线6和有耗滤波器的输入输出微带线5相连；微带谐振器3、第一输入输出微带连接线4、第二输入输出微带连接线6、输入输出微带线5均印制在介质基板2上，基片集成波导谐振器7是由介质基板2上的基片集成波导接地孔8和介质基板2上下的覆铜构成，故本发明的有耗滤波器整体为平面结构，且左右对称。

本发明的微带谐振器3为半波长谐振器，左右两个微带谐振器相互对称；本发明的两个基片集成波导谐振器7相接部分中没有金属化基片集成波导接地孔8的位置间隔称为开口。

两个左右对称的微带谐振器3通过缝隙耦合形成低Q值子网络。

两个基片集成波导谐振器7通过开口耦合形成高Q值子网络。

高Q值子网络和低Q值子网络平行放置构成有耗滤波器网络。

有耗滤波器的输入输出微带线分别通过第一输入输出微带连接线4、第二输入输出微带连接线6连接到高低Q值子网络上，形成有耗滤波器的两条通路。

调节第一输入输出微带连接线4、第二输入输出微带连接线6和两个高低Q值子网络的连接位置，可以调节输入输出耦合，使得本发明性能良好。

基片集成波导谐振器7之间要有合适的开口，形成适当的耦合。

微带谐振器3之间的缝隙要适当，形成适当的耦合。

两个平行放置子网络要有合适的连接，两条网络通路共同形成高性能有耗滤波器复合通路。

如图1所示，本发明的有耗滤波器中的基片集成波导谐振器7相对微带谐振器3而言属于高Q值谐振器，利用基片集成波导谐振器7和微带谐振器3构成非均匀Q值有耗滤波器属于平面有耗滤波器结构，由于不同Q值是通过不同结构实现的，所以相比微带结构平面有耗滤波器，其优势在于：1.无需交叉电阻性耦合；2.无需改变微带谐振器的Q值的电阻性元件。

微带谐振的Q值大小主要取决于构成微带谐振器的介质板材料和微带谐振器本身的形状，当介质板材料和微带谐振器形状确定时，微带谐振器的Q值也随之被约束。本发明中用的介质板材料为RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009。本发明中的微带谐振器Q值为278，基片集成波导谐振器的Q值为515。

在本发明的具体实施例中，如图6，其中L₁＝65.7mm，L₂＝70.8mm，L₃＝20.4mm，L₄＝30.4mm，L₅＝30.4mm，L₆＝16mm，L₇＝10.7mm，L₈＝24.7mm，L₉＝10mm，W₀＝2.3mm，W₁＝2.3mm，W₂＝2mm，R＝1mm，D＝1.35mm。

如图6，其中的输入微带线5通过第二输入输出微带连接线6与基片集成波导谐振器7相连，经由基片集成波导谐振7之间的开口耦合后，再通第二输入输出微带线6与输出微带线5相连，以此形成有耗滤波器的一条通路。由于基片集成波导谐振器7相对于微带谐振器3来说具有更高的Q值，故这条通路称为高Q值通路，即为有耗滤波器高Q值子网络。单独的高Q值子网络形成的响应如图7中的虚线所示。输入微带线5通过第一输入输出微带连接线4与微带谐振器3相连，两个左右对称的微带谐振器3通过缝隙耦合传输能量后经由第一输入输出微带线4与输出微带线5相连，形成有耗滤波器的另外一条通路。此通路称为低Q值通路，即为有耗滤波器低Q值子网络。单独的低Q值子网络形成的响应如图7中点划线所示。高Q值子网络和低Q值子网络共用输入输出微带线5，所以可以形成有耗滤波器整体响应，整体响应如图7中的实线所示。

如图7，高Q值子网络形成的响应在通带边缘有两处峰值，低Q值子网络形成的响应具有通带中心处损耗最小，带外抑制缓慢增加的特点，高Q值子网络与低Q值子网络各自形成的响应恰好互补，形成了有耗滤波器整体响应，整体响应具有两个传输零点，带外的两个传输零点增强了有耗滤波器带外抑制，而且整体响应的通带很平坦，无带内波纹，整体响应矩形系数较好；

构成一个滤波器的所有谐振器都具有相同的Q值，那么该滤波器增加的带内损耗可以用公式(1)近似表示。

$\mathrm{\ΔIL}\left(\mathrm{\ω}\right)\≈8.686\left(\frac{T_g\left(\mathrm{\ω}\right)}{Q_u}\right)---\left(1\right)$

其中ΔIL表示增加的带内损耗，T_g(ω)为群迟延，Q_u为构成滤波器的谐振器的无载Q值。当群迟延比较大的时候，***损耗将会明显增加，这会导致滤波器通带边缘更加圆滑、带外最大抑制减小。特别是当设计的滤波器为窄带滤波器时，这种影响更加凸显，因为在窄带滤波器中，群迟延与带宽成反比，越窄的带宽将会对应越高的群迟延。当采用本发明的非均匀Q值结构时，由于构成有耗滤波器的谐振器的Q值不再相等，那么公式(1)将不再成立，带内增加的损耗对群迟延的依赖大大减小，本发明实施例的有耗滤波器带宽很窄，但是***损耗依然只有2.5dB，而且带内平坦，带外抑制好，即有耗滤波器的矩形系数较好。

对本发明实施例的***损耗和回波损耗进行仿真和测量，仿真工具采用三维电磁仿真软件的HFSS15.0，测试仪器为N5230A矢量网络分析仪，图3是***损耗和回波损耗仿真结果，图4是***损耗和回波损耗的实测结果；由实测结果图4可见，本发明实施例的工作频率为1.984GHz，带宽为25MHz，相对带宽只有1.26％，***损耗为2.5dB。

对本发明实施例的带外特性进行仿真和测量，图5给出了场仿真结果与实测结果对比曲线。其中虚线为场仿真曲线，实线为实测曲线。S₁₁为回波损耗曲线，S₂₁为传输系数曲线。有图可见，在4.3GHz之内该有耗滤波器的带外抑制大于19.5dB。而且仿真与实测结果吻合地非常好，充分说明了本发明设计的可行性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用基片集成波导结构与微带谐振器结构相结合的混合结构，是一款全平面的有耗滤波器。

2.本发明是基于非均匀Q值谐振器构成的有耗滤波器，其中高Q值谐振器为基片集成波导谐振器，加工简单，成本低廉。

3.本发明采用的基片集成波导谐振器Q值介于微带谐振器和腔体谐振器之间，能实现微带谐振器和腔体谐振器实现不了的Q值。

4.本发明的有耗滤波器属于平面结构，无交叉电阻性耦合，易于实现。

5.本发明的有耗滤波器具有很窄的带宽，在本发明的具体实施例中，工作中心频率为1.984GHz，带宽为25MHz，相对带宽只有1.26％，远小于现有技术的绝大部分有耗滤波器相对带宽。

6.本发明能根据实际需求进行自适应改进，一种自适应改进方法说明如下：图8给出了本发明实施例对应的有耗滤波器矩阵。假定要设计的有耗滤波器中心频率为f₀，带宽为BW。该矩阵为6×6矩阵，对角线元素的虚部jδ_ii表征各个谐振器各自的无载Q值，由δ_ii＝f₀/(BW×Q_u)，可以计算出构成有耗滤波器的各个谐振器的Q值。通过改变微带谐振器3的长度、基片集成波导谐振器7的大小来调节有耗滤波器使得其工作频率为f₀。矩阵中的M_ij、M_si、M_Li都为实数，其中M_ij表示谐振器之间的耦合，M_si、M_Li分别表示输入、输出与谐振器之间的耦合。根据“J.S.Hong；M.J.Lancaster；Microstrip filters for RF/microwaveapplications，John Wiley & Sons,2004，”通过调整第一输入输出连接线4与微带谐振器3的连接位置、第二输入输出微带连接线与基片集成波导谐振器7的连接位置，使得输入输出耦合满足图8中耦合矩阵中的M_si、M_Li。通过调整微带谐振器之间的缝隙、调整基片集成波导谐振器之间开口大小，使得谐振器之间的耦合满足图8中耦合矩阵中的M_ij。当图8所示的有耗滤波器矩阵中的元素分别与上面所述的耦合相等时，一款工作频率为f₀、带宽为BW的有耗滤波器就被设计出来。该设计简单灵活。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混合结构的平面有耗滤波器，包括：金属地板、介质基板、第一输入输出微带连接线、输入输出微带线、第二输入输出微带连接线、谐振器；其特征在于，设置两个左右对称的微带谐振器和基片集成波导谐振器，输入输出微带线通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线分别连接到微带谐振器和基片集成波导谐振器上，微带谐振器和基片集成波导谐振器分别通过第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线和有耗滤波器的输出微带线相连；微带谐振器、第一输入输出微带连接线、第二输入输出微带连接线、输入输出微带线印制在介质基板上，基片集成波导谐振器是由介质基板上的基片集成波导接地孔和介质基板上下的覆铜构成；

微带谐振器Q值为278，基片集成波导谐振器的Q值为515；基片集成波导谐振器和微带谐振器构成非均匀Q值有耗滤波器属于平面有耗滤波器结构；

微带谐振器的介质板材料为RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009；

微带谐振器采用半波长谐振器；

输入输出微带线通过第一输入输出微带连接线与微带谐振连接，两个微带谐振器通过缝隙耦合，形成低Q值通路，即低Q值子网络，输入输出微带线通过第二输入输出微带连接线与基片集成波导谐振器连接，两个基片集成波导谐振器通过开口耦合，形成高Q值通路，即高Q值子网络；

低Q值子网络与高Q值子网络共用输入输出微带线，即高Q值子网络与低Q值子网络平行连接形成整体有耗滤波器。