一種小型化高性能諧振器及射頻帶通濾波器的製作方法

2023-06-12 02:10:56

本發明涉及微波射頻領域，具體涉及一種小型化高性能諧振器及射頻帶通濾波器。

背景技術：

隨著電子信息的迅猛發展，使日趨緊張的頻譜資源更加凸顯匱乏，為提高通信容量及降低相鄰信道間信號串擾，對濾波器雜波抑制能力及選擇性提出更高的要求。為提高濾波器帶外抑制及頻率選擇性指標，傳統巴特沃斯型和切比雪夫型濾波器主要通過增加諧振器數來實現，但這會導致電路損耗、體積及製作成本增加。橢圓函數濾波器雖然可通過在阻帶引入對稱的傳輸零點來實現高帶外抑制及選擇性，但在實際應用中橢圓函數濾波器實現難度較大。廣義切比雪夫函數濾波器以其優異性能得到國內外濾波器研究學者的青睞，其帶外傳輸零點個數及位置均可控，在濾波器階數給定情況下，可通過調整濾波器帶外傳輸零點個數及位置，對濾波器帶外抑制及選擇性進行改善，這凸顯出傳輸零點在濾波器設計中的重要性，可使濾波器用較少的階數實現較高的帶外抑制及選擇性。目前實現傳輸零點技術主要包括交叉耦合技術、源-負載耦合技術及混合電磁耦合技術。

高的頻率選擇性和小型化是濾波器設計的重點。現代無線通信系統向著高密度、高集成化的方向發展。濾波器是無線通信電路中的中心器件，減小濾波器的體積可以有效的縮小整個通信系統的體積，降低系統的功耗和系統的製造成本。現有的諧振器為了提高諧振頻率需要採用增大尺寸的方式，然而增大諧振器尺寸會增加整個通信系統的體積，系統的功耗和系統的製造成本；同時，傳統濾波器主要通過增加諧振器的個數來實現濾波器優良的帶外抑制特性，這會增加系統的損耗、增大整個系統的體積，還有另外提高選擇性的途徑是引入多個傳輸零點，橢圓函數濾波器根據其零點分布特性可以知道濾波器在通帶兩側較近的頻段內具有較高的抑制，但其遠端抑制卻不理想，並且它的結構複雜、實現起來也不容易。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是現有的諧振器為了提高諧振頻率需要採用增大尺寸的方式，然而增大諧振器尺寸會增加整個通信系統的體積、系統的功耗和系統的製造成本；同時，傳統濾波器也會增加系統的損耗、增大整個系統的體積，而採用橢圓函數濾波器則結構複雜，不易實現，目的在於提供一種小型化高性能諧振器及射頻帶通濾波器，解決上述問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種小型化高性能諧振器，包括低阻抗段和高阻抗段；高阻抗段的一端連接低阻抗段，另一端接地；所述低阻抗段包括微帶線，該微帶線閉合成環形。

現有技術中，諧振器為了提高諧振頻率需要採用增大尺寸的方式，然而增大諧振器尺寸會增加整個通信系統的體積，系統的功耗和系統的製造成本。

本發明應用時，閉合成環形的低阻抗段和高阻抗段構成閉合環諧振器，經過仿真實驗，發明人發現當環微帶線特性阻抗與短路枝節微帶線特性阻抗相等時，閉合環諧振器的特性相當於阻抗比為1/2的傳統諧振器的特性，從而在相同的外形尺寸下，閉合環諧振器的諧振頻率比傳統的要高，這意味著達到相同的諧振頻率時，閉合環諧振器需要的尺寸就會比傳統的要小，這也符合閉合環諧振器增大低阻抗線長度的原理，合理設計環形諧振器的尺寸，可以實現濾波器小型化，所以本發明諧振器具有寬帶外抑制、小型化的優點，而且非常容易集成。本發明通過在低阻抗段設置環形微帶線，使得在相同的諧振頻率下，本發明的尺寸小於傳統諧振器，從而降低了整個通信系統的體積，降低系統的功耗和系統的製造成本；同時閉合環諧振器可以在設計和加工上更加靈活，因為低阻抗線中間是沒有覆銅的，可以依次設計新穎的多級諧振級聯結構。

進一步的，所述閉合成環形的微帶線長度為11～20mm，所述微帶線閉合成的環形的內環最小間距採用0.05～0.2mm，所述閉合成環形的微帶線的寬度採用0.2～0.7mm。

本發明應用時，閉合成環形的微帶線長度根據波長和所需諧振器特性進行選取，採用11～20mm；微帶線閉合成的環形的內環最小間距採用0.05～0.2mm，這種間距使得不需要在該環形內部設置任何附加結構既可實現；所述閉合成環形的微帶線的寬度根據所需諧振器特性進行選取，採用0.2～0.7mm。我們還可以改變環形微帶線的特性阻抗，如設特性阻抗為zc，同理可得，環形框的導納相當於特性阻抗為zc/2，電長度為環形框長度1/2的開路微帶線所形成的阻抗。這樣通過改變環形微帶線與短路枝節微帶線的特性阻抗比，可以改變諧振器所組成濾波器的大小和產生雜散的位置。

進一步的，所述高阻抗段的長度採用14～20mm，所述高阻抗段的寬度採用0.05～0.2mm。

本發明閉合環諧振器結構的設計作為一種新的形式，不僅在尺寸上可以更加緊湊，使得耦合更加緊密，同時可以通過改變低阻抗線的寬度調整其阻值和調整環形低阻抗線之間的間隙來優化濾波器的插入損耗，諧振點等。這樣相對於傳統的諧振結構就多了一個調整的維度，使得設計更加靈活。由於此結構可以嵌入其他諧振結構中，可實現更多濾波器拓撲結構及減小濾波器尺寸。設計實踐還可得出，環形諧振結構可以得到更優的矩形係數。

使用上文所述諧振器的射頻帶通濾波器，包括諧振器、饋線和接地孔；所述饋線連接於諧振器的高阻抗段；所述諧振器的高阻抗段遠離低阻抗段的一端連接接地孔。

現有技術中，傳統濾波器主要通過增加諧振器的個數來實現濾波器優良的帶外抑制特性，這會增加系統的損耗、增大整個系統的體積，還有另外提高選擇性的途徑是引入多個傳輸零點，橢圓函數濾波器根據其零點分布特性可以知道濾波器在通帶兩側較近的頻段內具有較高的抑制，但其遠端抑制卻不理想，並且它的結構複雜、實現起來也不容易。

本發明應用時，由於使用了結構更加緊湊的諧振單元來減小濾波器體積。諧振單元作為濾波器的基本元件，對濾波器性能有著重要影響，由於諧振器的性能提升，從而本發明實現了平面微帶小型化廣義切比雪夫混合耦合濾波器的設計，進而縮小了濾波器尺寸，從而減小了系統的損耗和整個系統的體積。

進一步的，所述諧振器包括第一諧振器和第二諧振器；所述第一諧振器包括第一低阻抗段和第一高阻抗段；所述第二諧振器包括第二低阻抗段和第二高阻抗段；所述饋線包括第一饋線和第二饋線；所述第一低阻抗段與第二低阻抗段相鄰設置；所述第一高阻抗段遠離第一低阻抗段的一端連接接地孔；所述第二高阻抗段遠離第二低阻抗段的一端連接接地孔；所述第一饋線連接第一高阻抗段；所述第二饋線連接第二高阻抗段。

本發明應用時，第一諧振器和第二諧振器之間的耦合方式為混合電磁耦合。電耦合主要存在於第一低阻抗段與第二低阻抗段間；磁耦合主要存在於高阻抗線公用的接地孔處。本發明採用混合電磁耦合技術，通過諧振器之間的縫隙的電耦合以及接地孔的磁耦合產生更多的傳輸零點，以提高帶外的抑制性能。

再進一步的，所述第一低阻抗段與第二低阻抗段之間的距離採用0.05～0.2mm。

本發明應用時，改變兩諧振器環形線之間的間隙和接地孔的大小可以有效的改變電耦合和磁耦合係數，從而調節濾波器的零點位置。

進一步的，所述諧振器還包括第三諧振器；所述第三諧振器包括第三低阻抗段和第三高阻抗段；所述第一低阻抗段的一條邊和第二低阻抗段的一條邊相鄰於第三低阻抗段的同一條邊，且第三低阻抗段的該邊彎曲設置，並與第一低阻抗段的另一條邊相鄰，且與第二低阻抗段的另一條邊相鄰。

本發明應用時，濾波器帶外抑制特性和頻率選擇性是衡量濾波器性能好壞的重要標準。通過增加濾波器諧振器的個數，引入多個帶外傳輸零點，調節傳輸零點的位置來提高濾波器的頻率選擇特性，優化了濾波器的帶外抑制特性和矩形度，同時本發明濾波器的所有傳輸零點均可控。本發明濾波器引入四個傳輸零點，其中tz1為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器之間的混合電磁耦合產生，tz2、tz4為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器各自的結構產生，tz3為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器組成的三胞ct結構產生，即由交叉耦合產生，在tz3所在頻率處兩條路徑所產生的電流大小相等方向相反，在輸出埠總電流為0，能量傳輸呈現為零點形式。零點tz3和tz4限制諧波的作用拓寬了諧振器阻帶的範圍，加強了帶外抑制。本發明通過將第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器設置為上述結構，從而實現了增加零點，拓寬諧振器阻帶範圍並加強了帶外抑制。

再進一步的，所述第三高阻抗段遠離第三低阻抗段的一端連接接地孔。

再進一步的，所述第一低阻抗段和第二低阻抗段之間的距離採用0.05～0.25mm；所述第一低阻抗段的一條邊和第二低阻抗段的一條邊相鄰於第三低阻抗段的同一條邊，該相鄰間距採用0.05～0.2mm；所述第三低阻抗段彎曲設置的邊，與第一低阻抗段的另一條邊相鄰，且與第二低阻抗段的另一條邊相鄰，該相鄰距離均採用0.1～0.35mm。

本發明應用時，其混合電磁耦合模式產生了四個傳輸零點，而通過調節述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之間的距離，可以有效的調節tz3和tz4的位置，從而有效的抑制諧波的大小，優化濾波器的帶外抑制特性。

本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

1、本發明一種小型化高性能諧振器，通過在低阻抗段設置環形微帶線，使得在相同的諧振頻率下，本發明的尺寸小於傳統諧振器，從而降低了整個通信系統的體積，降低系統的功耗和系統的製造成本，同時環形諧振器可以在設計和加工上更加靈活，因為低阻抗線中間是沒有覆銅的，可以依次設計新穎的多級諧振級聯結構；

2、本發明一種小型化高性能諧振器，通過改變環形微帶線與短路枝節微帶線的特性阻抗比，可以改變諧振器所組成濾波器的大小和產生雜散的位置；

3、本發明一種小型化高性能諧振器，相對於傳統的諧振結構就多了一個調整的維度，使得設計更加靈活，並可實現更多濾波器拓撲結構及減小濾波器尺寸，同時環形諧振結構可以得到更優的矩形係數；

4、本發明射頻帶通濾波器，由於諧振器的性能提升，從而本發明實現了平面微帶小型化廣義切比雪夫混合耦合濾波器的設計，進而縮小了濾波器尺寸，從而減小了系統的損耗和整個系統的體積；

5、本發明射頻帶通濾波器，通過諧振器之間的縫隙的電耦合以及接地孔的磁耦合產生更多的傳輸零點，以提高帶外的抑制性能；

6、本發明射頻帶通濾波器，通過將第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器設置為上述結構，從而實現了增加零點，拓寬諧振器阻帶範圍並加強了帶外抑制；

7、本發明射頻帶通濾波器，通過調節述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之間的距離，可以有效的調節tz3和tz4的位置，從而有效的抑制諧波的大小，優化濾波器的帶外抑制特性。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發明諧振器結構示意圖；

圖2為實施例1現有諧振器示意圖；

圖3為本發明二階射頻濾波器結構示意圖；

圖4為本發明三階射頻濾波器結構示意圖；

圖5為實施例1諧振器頻率示意圖；

圖6為實施例2射頻濾波器頻率示意圖；

圖7為實施例3射頻濾波器頻率示意圖

圖8為實施例3射頻濾波器頻率示意圖。

附圖中標記及對應的零部件名稱：

1-低阻抗段，2-高阻抗段，11-接地孔，12-第二饋線，13-第一饋線，101-第一低阻抗段，102-第一高阻抗段，201-第二低阻抗段，202-第二高阻抗段，301-第三低阻抗段，302-第三高阻抗段。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。

實施例1

如圖1、圖2和圖5所示，本發明一種小型化高性能諧振器，包括低阻抗段1和高阻抗段2；高阻抗段2的一端連接低阻抗段1，另一端接地；所述低阻抗段1包括微帶線，該微帶線閉合成環形；所述閉合成環形的微帶線長度優選為17.4mm，所述微帶線閉合成的環形的內環最小間距優選為0.1mm，所述閉合成環形的微帶線的寬度優選為0.45mm。所述高阻抗段2的長度優選為17.85mm，所述高阻抗段2的寬度採用0.1mm。

本實施例實施時，圖1為本實施例諧振器，圖2為和本實施例尺寸相同的一種現有的諧振器，圖5為二者進行仿真得出的結果，經過仿真實驗，發明人發現本諧振器具有寬帶外抑制、小型化的優點，而且非常容易集成，在圖5中很明顯，在相同的外形尺寸下，環形諧振器的諧振頻率比傳統的要高，這意味著達到相同的諧振頻率時，環形諧振器需要的尺寸就會比傳統的要小，這也符合環形諧振器增大低阻抗線長度的原理，合理設計環形諧振器的尺寸，可以實現濾波器小型化。

實施例2

如圖3和圖6所示，本實施例包括諧振器、饋線和接地孔11；所述饋線連接於諧振器的高阻抗段；所述諧振器的高阻抗段遠離低阻抗段的一端連接接地孔11。所述諧振器包括第一諧振器和第二諧振器；所述第一諧振器包括第一低阻抗段101和第一高阻抗段102；所述第二諧振器包括第二低阻抗段201和第二高阻抗段202；所述饋線包括第一饋線13和第二饋線12；所述第一低阻抗段101與第二低阻抗段201相鄰設置；所述第一高阻抗段102遠離第一低阻抗段101的一端連接接地孔11；所述第二高阻抗段202遠離第二低阻抗段201的一端連接接地孔11；所述第一饋線13連接第一高阻抗段102；所述第二饋線12連接第二高阻抗段202；

所設計的濾波器採用的介質基片為taconicrf-35，的頂層的覆銅上腐刻出濾波器的結構，在接地孔處設計了金屬化通孔，與背面的地板相連接，完成接地。其中rf35基片的介質厚度為0.508mm，介電常數為3.5，覆銅層的厚度為0.018mm。所述第一低阻抗段101與第二低阻抗段201之間的距離優選為0.1mm，第一低阻抗段101與第一高阻抗段102之間的距離優選為0.1mm；環形低阻抗線環中的間距優選為0.1mm；第一低阻抗段101與第二低阻抗段201的線寬優選為0.45mm，微帶線的總長度優選為17.4mm。饋線的寬度優選為1.1mm，為了方便與系統其他組件連接，饋線輸入輸出饋線阻抗都設計成50歐姆標準阻抗，同時饋線做了減寬設計，第一高阻抗段102和第二高阻抗段202的線寬優選為0.1mm，總長度優選為17.85mm；第一高阻抗段102和第二高阻抗段202之間的最小距離優選為0.1mm；接地孔11的半徑優選為0.1mm。

本實施例實施時，從圖6中可以看出，中心頻率為1.67ghz，1db帶寬為0.15ghz，通帶內s11均小於-25db，滿足射頻濾波器參數要求，同時兩個帶外的傳輸零點分別位於1.11ghz和56ghz，總尺寸為5.55mm*6.14mm，相比於同頻率同結構的現有濾波器，尺寸大幅縮小。

實施例3

如圖3、圖7和圖8所示，本實施例在實施例2的基礎上，定義接地孔11的半徑為r，定義第一低阻抗段101與第二低阻抗段201之間的距離為s。

本實施例實施時，圖7為濾波器的響應曲線隨r的變化曲線，可見tz1，tz2位置均可以通過調節r進行調節，所以適應於各種頻帶濾波；圖8為濾波器的響應曲線隨s的變化曲線，可見tz1，tz2位置也均可以通過調節s進行調節，所以適應於各種頻帶濾波，比起現有的濾波器，調節起來更加方便。

實施例4

如圖4所示，本實施例在實施例2的基礎上，所述諧振器還包括第三諧振器；所述第三諧振器包括第三低阻抗段301和第三高阻抗段302；所述第一低阻抗段101的一條邊和第二低阻抗段201的一條邊相鄰於第三低阻抗段31的同一條邊，且第三低阻抗段301的該邊彎曲設置，並與第一低阻抗段101的另一條邊相鄰，且與第二低阻抗段201的另一條邊相鄰。所述第三高阻抗段302遠離第三低阻抗段301的一端連接接地孔11。第一低阻抗段101和第二低阻抗段201採用微帶線寬度優選為0.45mm，總長度優選為14.6mm；所述第一低阻抗段101和第二低阻抗段201之間的距離優選為0.15mm；所述第一低阻抗段101的一條邊和第二低阻抗段201的一條邊相鄰於第三低阻抗段301的同一條邊，該相鄰間距優選為0.1mm；所述第三低阻抗段301彎曲設置的邊，與第一低阻抗段101的另一條邊相鄰，且與第二低阻抗段201的另一條邊相鄰，該相鄰距離均優選為0.2mm。

本實施例實施時，濾波器帶外抑制特性和頻率選擇性是衡量濾波器性能好壞的重要標準。通過增加濾波器諧振器的個數，引入多個帶外傳輸零點，調節傳輸零點的位置來提高濾波器的頻率選擇特性，優化了濾波器的帶外抑制特性和矩形度，同時本發明濾波器的所有傳輸零點均可控。本發明濾波器引入四個傳輸零點，其中tz1為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器之間的混合電磁耦合產生，tz2、tz4為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器各自的結構產生，tz3為第一諧振器、第二諧振器和第三諧振器組成的三胞ct結構產生，即由交叉耦合產生，在tz3所在頻率處兩條路徑所產生的電流大小相等方向相反，在輸出埠總電流為0，能量傳輸呈現為零點形式。零點tz3和tz4限制諧波的作用拓寬了諧振器阻帶的範圍，加強了帶外抑制。其混合電磁耦合模式產生了四個傳輸零點，而通過調節述第一低阻抗段、第二低阻抗段和第三低阻抗段之間的距離，可以有效的調節tz3和tz4的位置，從而有效的抑制諧波的大小，優化濾波器的帶外抑制特性。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。