CN112310583B

CN112310583B - 基于t型双模谐振器的三通带滤波器

Info

Publication number: CN112310583B
Application number: CN202011099940.2A
Authority: CN
Inventors: 吴国青; 张友俊
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112310583A

Abstract

本发明公开了一种基于T型双模谐振器的新型三通带滤波器。所述的滤波器主要由三个对称的谐振器(A、B、C)和两条50Ω馈线组成。谐振器是由四分之一波长谐振器组成；所有谐振器折叠并通过一个普通金属通孔与地面连接，谐振路径复用，使滤波器总尺寸达到最小。第一工作频带由直接馈电谐振器A获得，该谐振器作为工作在高频段的内部两个谐振器B和C的源‑负载耦合。最外部的谐振器A耦合到内部加载的谐振器B和C上，谐振器之间的耦合在每个通带之间产生一对传输零点，产生高选择性。改变谐振器中3个相对独立的谐振路径长度有助于独立控制每个通带。这种设计的主要优点是可以在不改变中心频率的情况下根据期望阻带频率控制所有的传输零点。

Description

基于T型双模谐振器的三通带滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种抗干扰性好、结构紧凑小型化，易于实现，电学性能好，适用于现代无线多频段通信领域，在现有的多波段无线应用中具有很好的集成潜力，并可用于微波电路进行滤波的基于T型双模谐振器的三通带滤波器。

背景技术：

在现代无线通信***中，滤波器作为一种对频率和信号有选择作用的电路或者器件，通过控制频率响应，使允许的信号几乎能够完整的通过，能够有效的抑制噪声信号的干扰。所以，在无线通信***中，滤波器性能有着至关重要的作用，其性能的优劣将会对整个***效率产生巨大的影响。衡量滤波器性能的主要指标有中心频率、***损耗、回波损耗、波纹系数、阻带衰减等。微波滤波器有多种分类方式：根据其频率响应的特性可以分为最平坦滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等；根据衰减特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器等；按照滤波器的实现形式可分为微带滤波器、带状线滤波器、同轴滤波器、介质滤波器和波导滤波器等；从能源角度可分为有源和无源两种。相对于有源器件而言，无源滤波器无论是在易于集成方面，还是抗噪声干扰和传输增益方面，都有着很大的优势，这使得更多的专家和学者加入到无源滤波器的研究中。无源微带滤波器是平面结构，它可以通过调节介质的介电常数来控制器件的工作效率，并且因为其简单的结构特征以及其尺寸小、易于加工、易于和有源电路集成、成本低等许多优点，使得其在微波和射频领域得到了较为广泛的应用。

随着电磁理论和无线电应用的迅速发展，微波无线通信早己渗入人们生活的许多方面，大到神舟飞船、月球车，小到蓝牙耳机及智能手机等便携式移动终端设备之间的互联互通，人们的工作和生活己经无法离开各种通信设备带来的种种便利。滤波器作为通信设备的频率选择器件，可以抑制通信工作频带外的无用信号干扰，也可以减小信号在通信工作频带内的衰减，它的性能直接影响到微波无线通信***的通信品质。通信***的频分复用、选频、减少噪声、抑制干扰和镜频等功能，需要使用滤波器来实现，因此滤波器己成为通信***射频前端中最重要的无源器件之一。在现代通信技术的高速发展推动下，***的稳定性、可靠性和集成化程度等要求越来越苛刻。同一无线通信设备需要集成多种应用和通信模式，这些应用和通信模式对应着多种不同的工作频段，各个频段需要采用不同的滤波器来进行频带的选择。随着人们对无线通信***要求的日益提高，无线通信技术及其各种无线通信协议(GSM、CDMA、TD-CDMA、WLAN、WIMAX、LTE、TD-LTE、FDD-LTE)先后被提出与应用。通信频段划分的越来越细致化，其使用情况越来越规范化。这就要求我们必须把有限的频谱划分成的越来越细，以满足当前多种通信协议或各大运营商的工作频段，以实现数据、高质量音频、视频和图像等的快速传输。为了满足上述各种通信协议的使用标准，滤波器等微波器件应运而生。滤波器不仅能够运行于多个频带之间且提供无缝高数据率的无线服务，而且能够避免各信道之间的相互干扰以实现机器之间的“高速对话”。随着全球信息化进程的加快，近距离无线通信技术(NFC)发展势头良好，但其实现近距离无线通信的主要技术难题还未完全解决，其中包括无线局域网(WLAN_2.4GHz/5GHz)、蓝牙(Bluetooth_2.4GHz)、红外(IrDA)、超宽带技术(UWB_3.1～10.6GHz)、射频识别(RFID_13.56Hz/2.4GHz)、紫蜂(Zigbee_2.4GHz)等，这几种主流近距无线通信拥有一些共同的特点，小型化、低成本、低功耗及良好的抗干扰能力且其工作频段大都集中在2.4GHz。其中2.4GHz频段世界上在工业、科学及科医用上的通用频段，即ISM频段。近年来，随着3G和4G技术广泛推广和民用通信的普及，手机、电脑等移动通信终端越来越小型化，功能越来越强大，这就使得移动通信终端小型化的设计更加困难。然而微波滤波器作为无线通信***的必需元器件之一，其选频、小型化及带外抑制等特性对无线通信***以及移动终端的小型化带来了希望和曙光。滤波器种类繁多，可以通过同轴腔、波导、介质、陶瓷以及微带线等不同方式实现，以及应用压电基片材料设计的声表面波(SAW)滤波器和利用石英晶体设计的体声波(BAW)滤波器。然而微带滤波器以其结构简单、尺寸小、易集成等优点被广泛应用于微波射频***中，同时多频天线的发展也刺激了双通带及多通带滤波器的发展。因此，双通带及多通带微带滤波器受到越来越多专家学者的关注及研究。

近年来，随从现有文献来看，微带三通带带通滤波器的实现方式主要有三种，第一种是多谐振器法，第二种方法是基于多节阶梯阻抗谐振器进行(SIR)多通带滤波器设计的方法，第三种设计多通带滤波器的方法是利用枝节加载谐振器(SLR或ASLR)。

我的发明就是利用T型双模谐振器的方法来设计三通带滤波器。

发明内容

为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种基于T型双模谐振器的三通带滤波器。

本发明提供一种基于T型四分之一波长双模谐振器的全新的三通带的拓扑结构。由于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，故采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

常见的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是HFSS 15.0对提出的三通带滤波器结构进行优化。

本发明是一种基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器。采用介电常数ε_r＝2.65，介质厚度H＝1mm的材质进行仿真优化。本发明新型三通带滤波器结构的实际尺寸为22.0mm*22.1mm，其中馈线宽度为2.8mm。

所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，有两个信号输入/输出端口，分别设置在所述滤波器结构的左下角和右下角，馈线宽度为2.8mm。所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器有三个通带，可以通过改变谐振器的微带线长度来改变中心频点和通带。

所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器。其主要包括三个四分之一波长谐振器。第一工作频带由直接馈电谐振器A获得，该谐振器作为工作在高频段的内部两个谐振器B和C的源-负载耦合，最外部的谐振器A耦合到内部加载的谐振器B和C上。这是滤波器的谐振器，相应尺寸是经过优化得来的。

所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，谐振器之间的耦合在每个通带之间产生一对传输零点，从而产生高频选择性。改变谐振器中3个相对独立的谐振路径长度有助于独立控制每个通带。这种设计的主要优点是可以在不改变中心频率的情况下根据期望阻带频率控制所有的传输零点。

在本发明的具体实施例子中，所述谐振器、耦合线和馈线材质均为铜箔，有一个接地点。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括3个对称折叠的谐振器结构(A、B、C)、两条50Ω输入输出馈线，一个接地点。所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器在最外部设置了一个轴对称折叠放置的直接馈电谐振器A，谐振器A作为内部两个谐振器B和C的源-负载耦合，耦合到内部轴对称折叠放置的谐振器B和C上，3个轴对称折叠放置的谐振器(A、B、C)通过一个普通金属通孔与地面连接，两个对称输入输出端口分别位于最外部谐振器A的左下角和右下角。

本发明基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，具体尺寸如下：

两条所述对称的输入输出端口馈线宽度W5＝2.8mm，馈线长度L12＝3mm，距离谐振器A最底端长度t＝0.7mm；谐振器A中心开口关于中轴线呈轴对称垂直放置的微带线长度L3＝12mm，最顶端两条关于中轴线呈轴对称水平放置的微带线长度L2＝7mm，耦合间隙G＝1.2mm，最外部两侧关于中轴线呈轴对称垂直放置的微带线长度L1＝18.6mm，底部水平微带线长度L4＝18.6mm，微带线宽度W1＝1.7mm，距离金属接地通孔的微带线长度L16＝10mm，宽度W4＝0.5mm；金属接地通孔半径s＝0.2mm，所在的微带线长度L17＝1mm，宽度W2＝0.6mm；内部沿着接金属接地通孔的微带线对称放置谐振器B和C，谐振器B和C宽度W2＝W3＝0.6mm，谐振器B和谐振器A的耦合间隙d1＝0.25mm，谐振器C和谐振器A的耦合间隙d2＝0.3mm；谐振器B中两根垂直放置的微带线长度L6＝11.6mm和L8＝1mm，两根水平放置的微带线长度L5＝5.1mm和L7＝5.2mm；谐振器C中两根垂直放置的微带线长度L10＝2.1mm和L11＝6mm，两根水平放置的微带线长度L9＝3.75mm和L15＝3.8mm；其中L13、L14和L16为谐振器A、B和C的复用段，L13＝3.55mm，L14＝0.9mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型三通带滤波器，即基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，结果表明，本发明滤波器整体性能较好：滤波器的工作基本谐振频率分别为0.84GHz、1.59GHz、2.63GHz，-3dB相对带宽分别为63.1％(0.45～0.98GHz)、16.4％(1.48～1.74GHz)、6.8％(2.55～2.73GHz)，对于每个通带，测得的通带内回波损耗都优于20dB，***损耗分别为0.07dB、0.23dB、0.43dB。为了提高滤波器的3dB衰减性能和阻带性能，分别在1.11GHz、1.22GHz、2.17GHz、2.48GHz、2.80GHz和2.89GHz产生了6个传输零点，从而在三个通带之间产生高选择性和高隔离度，滤波器的面积尺寸为22.0mm×22.1mm。滤波器性能良好，性能优于其他外形的滤波器，具体表现为***损耗小、通带可控、传输零点多且可控和电路尺寸较小，易于实现，电学性能好，适用于现代无线多频段通信领域，在现有的多波段无线应用中具有很好的集成潜力。

附图说明

图1为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的微带线结构示意图。

图3(a、b、c、d、e、f)为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的谐振器A、B、C微带线等效电路结构示意图。

图4为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的3个通频带中心频率(a)f1；(b)f2；(c)f3的调控S21参数电磁仿真结果图。

图5为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的参数t对传输零点的影响S21参数电磁仿真结果图。

图6为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的S参数电磁仿真结果图。

图7为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的S参数实物测试结果图，滤波器的***损耗为S21，回波损耗为S11。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明基于T型双模谐振器的三通带滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：3个对称的谐振器结构(A、B、C)，保证了滤波器产生3个谐振频点；一个接地点，所有谐振器折叠并通过一个普通金属通孔与地面连接，谐振路径复用，使滤波器总尺寸达到最小，保证了滤波器结构的紧凑性。由于滤波器整体结构对称，所以采用两条50Ω微带线来作为信号输入/输出馈线。滤波器各具体参数如下：

选取介电常数ε_r＝2.65，介质厚度H＝1mm的材质进行实物加工制作。滤波器中包括3个对称折叠的谐振器结构(A、B、C)，两条宽度2.8mm的馈线，对应50欧姆的特征阻抗，引入一个接地点。使用罗德ZNB8矢量网络分析仪对实物进行测试,实物测试结果与仿真结果基本一致，两者之间的差别是由于加工和焊接SMA接头时的制造误差造成的，细微误差可以忽略。

本发明是一种新型的基于T型双模谐振器的三通带滤波器，具有结构紧凑，尺寸小，性能良好等优点。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，微带基片F4B的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括3个对称的谐振器（A、B、C）、两条50Ω输入输出馈线，一个接地点；所述基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器在最外部设置轴对称折叠放置的谐振器A，谐振器A作为内部两个谐振器B和C的源-负载耦合，耦合到内部轴对称折叠放置的谐振器B和C上，3个轴对称折叠放置的谐振器（A、B、C）包括一个路径复用段，所述路径复用段通过一个普通金属通孔与地面连接，两个对称输入输出端口分别位于最外部谐振器A的左下角和右下角。

2.如权利要求1所述的基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，其特征在于：使用24×28mm，介电常数=2.65, 厚度H=1mm的介质板F4B，新型三通带滤波器结构的实际尺寸为22.0mm*22.1mm，其中馈线宽度为2.8mm；电路形式为双面电路，带状线金属层位于两块介质板之间；两条所述对称的输入输出端口馈线宽度W5=2.8mm，馈线长度L12=3mm，距离谐振器A最底端长度t=0.7mm；谐振器A中心开口呈轴对称垂直放置的微带线长度L3=12mm，最顶端两条呈轴对称水平放置的微带线长度L2=7mm，耦合间隙G=1.2mm，最外部两侧呈轴对称垂直放置的微带线长度L1=18.6mm，底部水平微带线长度L4=18.6mm，微带线宽度W1=1.7mm，距离金属接地通孔的微带线长度L16=10mm，宽度W4=0.5mm；金属接地通孔半径s=0.2mm，所在的微带线长度L17=1mm，宽度W2=0.2mm；内部沿着接金属接地通孔的微带线对称放置谐振器B和C，谐振器B和C宽度W2=W3=0.6mm，谐振器B和谐振器A的耦合间隙d1=0.25mm，谐振器C和谐振器A的耦合间隙d2=0.3mm；谐振器B中两根垂直放置的微带线长度L6=11.6mm和L8=1mm，两根水平放置的微带线长度L5=5.1mm和L7=5.2mm；谐振器C中两根垂直放置的微带线长度L10=2.1mm和L11=6mm，两根水平放置的微带线长度L9=3.75mm和L15=3.8mm；其中L13、L14和L16为谐振器A、B和C的复用段，L13=3.55mm，L14=0.9mm。

3.如权利要求1所述的基于T型四分之一波长双模谐振器的三通带滤波器，其特征在于：所述谐振器、耦合线和馈线材质均为铜箔。