髮夾式微帶帶通濾波器的製作方法

2023-05-05 05:14:06

專利名稱：髮夾式微帶帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉一種濾波器，尤其是一種用於微波通信領域的髮夾式微帶帶 通濾波器。
背景技術：
微波濾波器現在已經成為一種十分重要的微波元件，其種類繁多，僅按其所 用傳輸線的類型來分，就可分成波導濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微 帶濾波器等等。微帶濾波器是微波濾波器的一種。隨著微波技術在無線通訊和雷達系統中 應用的不斷增多，對電路尺寸小、製作簡單的帶通濾波器的需求也日益增加。 由於微帶在平面製圖和製版上的方便，且易於和別的電路集成，因此儘管微帶的損耗大，Q值低但微帶帶通濾波器仍在微波領域得到了廣泛的應用。常見的微帶帶通濾波器結構有平行耦合、端耦合、髮夾式、梳狀型和交指 型等。其中髮夾式帶通濾波器由於其結構緊湊，易於集成，廣泛應用於各種微 波通信電路中。傳統的平面耦合帶通濾波器設計一般都是根據濾波器的通帶和阻帶的衰減 指標，選擇出適當的歸一化低通原型，然後計算出阻抗矩陣元素和各耦合線段 的偶模及奇模阻抗，最後根據偶、奇模阻抗確定該濾波器的實際物理尺寸。然 而，該設計複雜煩瑣，精確度往往不高，因為邊緣耦合電容的影響需要對耦合區的長度進行修正，因此反覆驗證和調整必不可少。近年來，隨著計算機和應用軟體的不斷發展，微波濾波器的設計也進入了 一個嶄新的階段。計算機模擬輔助設計繞開了複雜的理論計算和推導，利用電 磁場仿真軟體進行微波濾波器的設計。因此，亟需一種利用電磁場仿真軟體進行設計的新型微帶帶通濾波器，以 克服上述弊端。發明內容本實用新型的目的在於克服上述缺陷，提供一種用於微波通信領域的髮夾 式微帶帶通濾波器。本實用新型的技術方案是一種髮夾式微帶帶通濾波器，包括第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器、 第四諧振器和第五諧振器，所述第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器、第四 諧振器和第五諧振器均為"U"型且依次間隔排列，第一諧振器、第三諧振器和 第五諧振器開口向下設置，第二諧振器和第四諧振器開口向上設置；第二諧振器的一個諧振條位於第一諧振器的兩個諧振條之間，第四諧振器的一個諧振條位於第五諧振器的兩個諧振條之間；第一諧振器與第五諧振器之間並聯第一微 帶線，第二諧振器與第四諧振器之間並聯第二微帶線；第一諧振器上設有輸入 端，第五諧振器上設有輸出端。所述第一微帶線的長度為三倍半波長入g/2。所述第二微帶線的長度為半波長A g/2。所述第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器、第四諧振器、第五諧振器、第一微帶線和第二微帶線的板材厚度為0.3毫米至0.6毫米之間。 本實用新型的有益效果是本實用新型的髮夾式微帶帶通濾波器通過在5階發卡式濾波器的非相鄰諧 振間分別並聯長度為A g/2、 3X入g/2的微帶線，使得在濾波器的通帶兩側產生一 對傳輸零點，構成一種新的微帶帶通濾波器。其插損小且具有良好的矩形度。 製作工藝簡單，成本低廉，結構緊湊，尺寸小，在工程上具有良好的應用價值。 本實用新型發明在傳統的髮夾帶通濾波器基礎上進行了改進，通過在通帶兩 側產生的傳輸零點，增加了濾波器的帶外抑制度，使該濾波器具有良好的矩形 度及選頻特性。同時調整濾波器的結構布局，減小體積。


圖1為傳統的發卡式微帶濾波器的結構示意圖。圖2為本實用新型的髮夾式微帶帶通濾波器結構示意圖。圖3為本實用新型的髮夾式微帶帶通濾波器的計算機仿真結果圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述本實用新型的設計原理傳統的微帶發卡式濾波器的結構如圖1所示，其 諧振單元為微帶髮夾型諧振器，也叫U形諧振器。兩個髮夾型諧振器之間的耦 合根據諧振器放置的相對位置可分為電耦合、磁耦合和混合耦合三種情況。諧 振器的間距和相對位置偏移決定了耦合係數的大小。諧振器之間的耦合係數K 可按下式進行計算"一 f2 《=乂p2 々1人2 +人1式中，fp!和fp2是當兩個諧振器之間的中心面分別被定義為電壁和磁壁時的 諧振頻率。耦合的拓撲結構大體上可以劃分為級聯耦合和交叉耦合兩大類。級聯耦合 濾波器的N階諧振器沿一個方向依次排開，只有一條耦合路徑，並且只有相鄰 諧振器之間存在耦合。交叉耦合濾波器的具體實現形式多種多樣且靈活多變。 交叉耦合的實質是從信號源到負載端有不止一條耦合路徑，包括主耦合路徑和 相對較弱的輔耦合路徑，任意兩諧振器(包括信號源和負載端在內)之間都可以產 生耦合。相對於級聯耦合，交叉耦合的最大優點是能夠在通帶附近的有限頻率 處產生傳輸零點，因而濾波器的帶外抑制能力將獲得極大提高，反映到傳輸曲線S21上就明顯地表現為通帶-阻帶過渡段變得陡峭。使用交叉耦合的諧振器濾波器比普通級聯型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時可以減少所需諧振器 的數目。設計發卡式濾波器首先要確定帶通濾波器的低通原型，N為低通原型的階 次，等於半波長諧振器的數目，為低通原型濾波器的歸一化數值， 一般選用切 比雪夫歸一化低通原型；FBW為微波濾波器的相對帶寬，定義為j7g『^21^2 一,=力一乂式中，f!和f2分別為微波濾波器的上、下帶邊頻率；fo為通帶中心頻率。 然後根據以上低通原型，帶通濾波器設計參數可通過以下變換公式獲得，即"1=屍曹;""—fwformula see original document page 7式中Qen是諧振器輸入輸出埠的外部品質因子，Mjj是相鄰諧振器之間的 耦合係數。由於在該濾波器的設計中要通過在濾波器結構的諧振器之間實現交叉耦 合，繼而實現濾波器響應實現傳輸零點，所以先簡單介紹一下濾波器傳輸零點 的理論。一般的濾波器的傳輸函數可以表示為 formula see original document page 7
其中，力o'(",-i為歸一化頻率，為濾波器的回波損耗。具有傳輸零點的切比雪夫型濾波函數可以表示為formula see original document page 7 (6)由上式可知，當=± (>1)時為濾波器的傳輸零點位置，當趨於無窮大時，濾 波器的傳輸零點趨於無窮，即為通常熟悉的切比雪夫函數響應。帶通濾波器的 傳輸頻率響應可以由下面對頻率變換條件確定其中f為頻率變量，fo為濾波器的中心頻率，co為濾波器的分數帶寬。由上式可以得到濾波器的頻率軸上有限頻率處傳輸零點的位置為--formula see original document page 7由上式可知越接近1，表示濾波器的傳輸零點離濾波器通帶越近，濾波器的 帶外衰減越大。要在濾波器的頻率響應實現傳輸零點，通常需要在濾波器結構的諧振器之 間實現交叉耦合，使得諧振器的相鄰耦合和非相鄰耦合之間相位反相，即相鄰 諧振器之間的耦合如果為磁耦合，非相鄰諧振器之間的耦合則應該為電耦合。結合以上對傳統微帶發卡式濾波器結構和傳輸零點理論的分析，本實用新型為5階發卡式濾波器，在第一諧振器1和第五諧振器5之間並聯長度為三倍 半波長A g /2的微帶線，以及在第二諧振器2和第四諧振器4之間並聯長度為入 半波長g/2的微帶線。 軟體仿真設計利用高頻分析軟體AWR仿真分析了根據上述原理設計的帶通濾波器，仿真 結果如圖5所示。介質基片採用厚度為0.5毫米的Ro4003型電路板。一種髮夾式微帶帶通濾波器，包括第一諧振器l、第二諧振器2、第三諧振 器3、第四諧振器4和第五諧振器5，第一諧振器l、第二諧振器2、第三諧振 器3、第四諧振器4和第五諧振器5均為"U"型且依次間隔排列，第一諧振器 1、第三諧振器3和第五諧振器5開口向下設置，第二諧振器2和第四諧振器4 開口向上設置；第二諧振器2的一個諧振條20位於第一諧振器1的兩個諧振條 10、 11之間，第四諧振器4的一個諧振條40位於第五諧振器5的兩個諧振條 50、 51之間；第一諧振器1與第五諧振器5之間並聯第一微帶線6，第二諧振 器2與第四諧振器4之間並聯第二微帶線7;第一諧振器1上設有輸入端8，第 五諧振器5上設有輸出端9。第一微帶線6的長度為三倍半波長A g/2。第二微帶線7的長度為半波長A g/2。 第一諧振器l、第二諧振器2、第三諧振器3、第四諧振器4、第五諧振器5、第 一微帶線6和第二微帶線7的板材厚度為0.3毫米至0.6毫米之間。作為優選， 第一諧振器l、第二諧振器2、第三諧振器3、第四諧振器4、第五諧振器5、第 一微帶線6、第二微帶線7、輸出端9和輸入端8可由厚度為0.5毫米的Ro4003 型PCB電路板通過蝕刻製得。具體厚度也可根據實際使用需要調整。
本實用新型未涉及的硬體和軟體均可通過現有技術實現。 -
權利要求1、一種髮夾式微帶帶通濾波器，包括第一諧振器(1)、第二諧振器(2)、第三諧振器(3)、第四諧振器(4)和第五諧振器(5)，其特徵是所述第一諧振器(1)、第二諧振器(2)、第三諧振器(3)、第四諧振器(4)和第五諧振器(5)均為「U」型且依次間隔排列，第一諧振器(1)、第三諧振器(3)和第五諧振器(5)開口向下設置，第二諧振器(2)和第四諧振器(4)開口向上設置；第二諧振器(2)的一個諧振條(20)位於第一諧振器(1)的兩個諧振條(10，11)之間，第四諧振器(4)的一個諧振條(40)位於第五諧振器(5)的兩個諧振條(50，51)之間；第一諧振器(1)與第五諧振器(5)之間並聯第一微帶線(6)，第二諧振器(2)與第四諧振器(4)之間並聯第二微帶線(7)；第一諧振器(1)上設有輸入端(8)，第五諧振器(5)上設有輸出端(9)。
2、 根據權利要求1所述的髮夾式微帶帶通濾波器，其特徵是所述第一微帶線(6) 的長度為三倍半波長入g/2。
3、 根據權利要求1所述的髮夾式微帶帶通濾波器，其特徵是所述第二微帶線(7) 的長度為半波長入g/2。
4、 根據權利要求1所述的髮夾式微帶帶通濾波器，其特徵是所述第一諧振器(l)、 第二諧振器(2)、第三諧振器(3)、第四諧振器(4)、第五諧振器(5)、第一微帶線(6) 和第二微帶線(7)的板材厚度為0.3毫米至0.6毫米之間。
專利摘要一種髮夾式微帶帶通濾波器，包括第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器、第四諧振器和第五諧振器，所述第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器、第四諧振器和第五諧振器均為「U」型且依次間隔排列，第一諧振器、第三諧振器和第五諧振器開口向下設置，第二諧振器和第四諧振器開口向上設置；第二諧振器的一個諧振條位於第一諧振器的兩個諧振條之間，第四諧振器的一個諧振條位於第五諧振器的兩個諧振條之間；第一諧振器與第五諧振器之間並聯第一微帶線，第二諧振器與第四諧振器之間並聯第二微帶線；第一諧振器上設有輸入端，第五諧振器上設有輸出端。本實用新型通過傳輸零點，增加了濾波器的帶外抑制度，使該濾波器具有良好的矩形度及選頻特性。
文檔編號H01P1/20GK201387928SQ200920040620
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月21日 優先權日2009年4月21日
發明者顧菜鈞 申請人:南京賽格微電子科技有限公司