小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器的製作方法

2023-05-07 22:44:41 1

專利名稱：小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型化的三通帶帶通濾波器，特別是涉及一種三個中心頻率分別可以獨立控制，可應用於射頻前端電路中的多頻率通信系統帶通濾波器。
背景技術：
當今社會，隨著多系統無線通信的迅速發展，濾波器作為射頻系統前端的關鍵器件也成為了熱點問題，小型化、多通帶的濾波器有著極為迫切的需求。目前許多研究者在這方面做了大量研究，也取得了不少成果，他們的主要設計方法可以分為以下幾種。第一種方法是通過使用兩套或者三套諧振器，其中一套諧振器產生一個通帶，另一套產生另外兩個通帶，從而來獲得三通帶的效果。如B.-J. Chen, Τ.-Μ. Shen, and R. -B. Wu, "Design of tri-band filters with improved band allocation,，， IEEE Trans. Microw. Theory Tech.，vol. 57，no. 7，pp. 1790—1797，Jul. 2009. 雖然頻率也能獨立可控，但是體積太大。第二種方法是用三節的階躍阻抗線，如C. -I G. Hsu, C. -H. Lee, and Y. -H. Hsieh, 「Tri-band bandpass filter with sharp passband skirts designed using tri-section SIRs, ，， IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 18, no. 1，pp. 19-21，Jan. 2008.雖然它的結構簡單，體積也很小，但是由於它的幾個頻率是相互影響的，導致頻率不容易控制。本發明採用一種新的中心加載結構來產生三個中心頻率可分別控制的三通帶帶通濾波器。現階段，中心加載結構因為結構簡單、設計方便而受到眾多設計濾波器的研究者的青睞。如 X. Y. Zhang, J. -x. Chen, Q. Xue, and S. -M. Li, "Dual-band bandpass filter using stub-loaded resonators,，，IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. , vol. 17，no. 8，pp. 583 - 585，Aug. 2007.文章採用在開路線的中間加載開路枝節線，取得了不錯的效果° Ming-Qi Zhou, Xiao-Hong Tang, and Fei Xiao, 「Compact Dual Band Bandpass Filter Using Novel E-Type Resonators With Controllable Bandwidths,，， IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. , vol. 18, no. 12，pp. 779—781，Dec. 2008.文章採用在開路線的中間加載短路枝節線，也取得了不錯的效果。但是他們加載的是阻抗一致的枝節線，都是雙通帶的濾波器。沒有很好地利用頻帶。為了解決這個問題，本發明提供一種小型化的中心加載階躍阻抗線的三通帶帶通濾波器。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足，提供一種小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器。為實現本發明目的，本發明所採用的技術方案如下
具有小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，包括上層微帶結構、中間層介質基板和下層接地金屬板；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，下層接地金屬板附著在中間層介質基板下表面；其特徵在於上層微帶結構包括兩條饋電線、兩個諧振器和偽交指結構部分；兩個諧振器排布成左右對稱的結構，並且兩個諧振器結構相同， 其中諧振器由一條主傳輸線和一個加載在主傳輸線中心的階躍阻抗枝節線組成；兩條饋電線結構相同，饋電線的輸入輸出埠位於兩個諧振器的下方，兩個諧振器分別與兩條饋電線直接相連。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，左上方的第一諧振器包括主傳輸微帶線部分和加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分，其中主傳輸線部分包括第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線，第一微帶線一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，另一端和第二微帶線一端相連，第二微帶線的另一端和第三微帶線一端相連，第三微帶線的另一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，第一微帶線和第三微帶線相互平行，並且都垂直地接在第二微帶線的兩端；加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分包括第四微帶線和第五微帶線，第四微帶線一端和第三微帶線一端相連，另一端和第五微帶線一端相連，第五微帶線的另一端開路，第四微帶線、第五微帶線連接成倒L形。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，饋電線由第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線順次連接而成，其中第六微帶線的另一端與第二微帶線一端相連，第八微帶線的左端接輸入信號，右邊的饋電線中與左邊的饋電線中的第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線對稱的三條微帶線構成L形結構。偽交指部分由三組平行的偽交指結構組成，每組偽交指結構相同，每組偽交指包含四條微帶線，左右各兩條，分別上下錯開地搭接在左右饋電線上。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，除了偽交指部分之外，其外的部分左右對稱。其中第一微帶線與它對稱的部分有著0. 2mm的間隙。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，耦合主要由三個部分控制。第一是第一諧振器和第二諧振器之間的耦合，主要是由它們之間的間隙長度和寬度決定；第二是偽交指之間的耦合，主要是由它們交指的長度和間隙決定；第三是上層微帶線通過金屬化過孔與地之間的耦合，它主要是由過孔的大小決定。外部質量因素主要由饋電點的位置決定，即是由第六微帶線和第一微帶線的間隙決定。傳輸零點主要是由加載的階躍阻抗的開路枝節線和交指耦合決定。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，由奇偶模分析可知，主傳輸線的長度Z為所述三通帶帶通濾波器的最高諧振頻率A對應的波長 A的二分之一，而主傳輸線長度的一半加上階躍阻抗枝節線產生第一和第二頻率，因此改變當主傳輸線長度固定之後，第三頻率就基本沒有變化了。L為第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線的長度之和。三通帶帶通濾波器的工作頻率為1. 92GHz,2. 45GHz和5. 25GHz。第一微帶線的長度為6士0.2 mm,第二微帶線的長度為5. 8士0.2mm，第三微帶線的長度為 17+0. 4mm，第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線的寬度為1.6士0.2 mm,第四微帶線的長度為2士0.2mm，第四微帶線的寬度為1. 2士0. 2mm，第五微帶線的長度為12. 3士0. 2 mm，第五微帶線的寬度為0.4士0.1 mm，第六微帶線的長度為10士0.4 mm，第六微帶線的寬度為 0.8+0.2 mm，第七微帶線的長度為8 士 0. 2mm，第七微帶線的寬度是0. 8 士 0. 1mm，第八微帶線的長度為12. 3士0.2 mm，第八微帶線的寬度為1.86 mm，偽交指部分中得每根長度的長度為2 士 0. 2mm，每組微帶線間的間距為2. 2 士 0. 2mm,每組微帶線內的間距是0. 4 士 0. 1mm。第一諧振器和第二諧振器之間的間距是4士0. 2mm。相對於現有技術，本發明具有如下優點
(1)三個通帶的中心頻率可以獨立控制。先調好第三通帶，然後再調節第一第二通帶， 這時第三通帶基本不受影響。調節好第二通帶後再調節第一通帶，這時第二第三通帶基本都不受影響。從而實現了獨立控制。
(2)具有高選擇性。在本發明中，採用12條微帶線構成偽交指結構用來使每個通帶的兩側都產生傳輸零點來增強通帶的選擇性，使濾波器的選擇性更高。(3)體積較小。在本發明中只採用了兩個諧振器，而中心加載的開路階躍阻抗線並沒有增大多少體積，但是卻可以產生三個頻帶，所以使濾波器的體積大大減小。


圖1是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器結構圖。圖2是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器結構示意圖。圖3是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器在不同Z1下的響應曲線圖。圖4是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器在不同Zf3下的響應曲線圖。圖5是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通有交指耦合和沒有交指耦合時濾波器響應的比較圖。圖6是小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器的仿真結果和測試結果圖。
具體實施方案下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明，但本發明要求保護的範圍並不局限於下例表述的範圍。如圖1所示具有小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，包括上層微帶結構、中間層介質基板和下層接地金屬板；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，下層接地金屬板附著在中間層介質基板下表面；其特徵在於上層微帶結構包括兩條饋電線、兩個諧振器和偽交指結構部分；兩個諧振器排布成左右對稱的結構，並且兩個諧振器結構相同，其中諧振器由一條主傳輸線和一個加載在主傳輸線中心的階躍阻抗枝節線組成；兩條饋電線結構相同，饋電線的輸入輸出埠位於兩個諧振器的下方，兩個諧振器分別與兩條饋電線直接相連。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，左上方的第一諧振器包括主傳輸微帶線部分和加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分，其中住傳輸線部分包括第一微帶線1、第二微帶線2和第三微帶線3，第一微帶線1 一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，另一端和第二微帶線2 —端相連，第二微帶線2的另一端和第三微帶線3 —端相連，第三微帶線3的另一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，第一微帶線和第三微帶線相互平行，並且都垂直地接在第二微帶線的兩端；加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分包括第四微帶線4和第五微帶線5，第四位帶線4 一端和第三微帶線3 —端相連，另一端和第五微帶線5 —端相連，第五微帶線5的另一端開路，第四微帶線4、第五微帶線5連接成倒L形。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，饋電線由第六微帶線6、第七微帶線7和第八微帶線8順次連接而成，其中第六微帶線6的另一端與第二微帶線2 —端相連，第八微帶線8的左端接輸入信號，第二諧振器中與第一諧振器中的第六微帶線6、第七微帶線7和第八微帶線8對稱的三條微帶線構成L形結構。偽交指部分由三組平行的偽交指結構9組成，每組偽交指結構相同，每組偽交指包含四條微帶線，左右各兩條，分別上下錯開地搭接在左右饋電線上。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，除了偽交指部分之外，其外的部分左右對稱。其中第一微帶線1與它對稱的部分在橫著的方向上通過金屬化過孔連接在一起，在豎著的方向上有著0. 2mm的間隙。上述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器中，耦合主要由三個部分控制。第一是第一諧振器和第二諧振器之間的耦合，主要是由它們之間的間隙長度和寬度決定；第二是偽交指之間的耦合，主要是由它們交指的長度和間隙決定；第三是上層微帶線通過金屬化過孔與地之間的耦合，它主要是由過孔的大小決定。外部質量因素主要由饋電點的位置決定，即是由第六微帶線6和第一微帶線1的間隙決定。傳輸零點主要是由加載的階躍阻抗的開路枝節線和交指耦合決定。
實施例小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器的結構如圖1所示，有關尺寸規格如下圖2所示。介質基板的厚度為0.635mm，相對介電常數為6. 15，損耗角正切為0.0015。諧振器摺疊成η形結構可以有效減小濾波器的尺寸。濾波器的各微帶線尺寸參數如下^=12. 3 士0. 2 mm, Ζ2=4·6 士0.2 mm, Ζ3=5·8±0·2 mm, Z4=2 士0· 2 mm, Z5=19. 8士0. 2 mm, Z6=12士0. 2 mm, Z7=2±0. 2 mm, Z8=I. 6士0. 2 mm, Z9=4. 4士0. 2 mm, Z10=8.2士0.2 mm, Zf1=I. 6士0.2 mm, Zf2=L 2士0. 2 mm, Zf3=O. 4士0. 1 mm, Wi=O. 92mm, r5=1.5 士0. 1 mm, Zf6=O. 9 士0.1 mm, ^1=O. 2 mm, g2=0. 6 mm.選擇這些微帶線各自的長度和寬度，以獲得所需的輸入/輸出阻抗特性、頻帶內傳輸特性和頻帶外衰減特性。圖3 是根據以上參數，設計好的濾波器。固定其他參數，通過改變乙的長度來仿真濾波器的響應。圖中的曲線表示插入損耗。從圖中可以看出，改變乙時，第三通帶沒有改變，但是第一通帶和第二通帶改變，而且第二通帶改變的更加明顯。所以在仿真好第三通帶後可以通過改變Z1的長度來調節第二通帶。圖4是在固定其他參數，通過改變Zf3的寬度來仿真濾波器的響應。圖中的曲線表示插入損耗。從圖中可以看出，改變《時，第二和第三通帶都基本沒有變化，僅僅只有第一通帶有變化。所以在調節好第二和第三通帶之後，可以通過調節W3的寬度來調節第一通帶。圖5是在有交指耦合和沒有交指耦合的情況下仿真結果的對比。圖中的虛線是沒有交指耦合的仿真結構，實線是有交指耦合的仿真結果。圖中的S11表示回波損耗，S21表示插入損耗。從圖中可以看出，在有交指耦合的情況下，一共有六個傳輸零點，沒有交指耦合的情況下，只有兩個傳輸零點。所以採用交指耦合能夠產生傳輸零點，以增強選擇性。圖6是仿真結果和測試結果的比較。實線代表測試結果，虛線代表仿真結果，S11表示回波損耗，S21表示插入損耗。從圖中可以看出，三個頻率分別位於1. 95GHz, 2. 45GHz, 5. 25GHz,三個通帶的插入損耗分別是1. 5dB, 1. 7dB, 1. 6dB，回波損耗都小於-15dB。3dB相對帶寬分別為10. 3%，6.4%，9.1%。六個傳輸零點分別位於1. 3GHz， 2.1GHz，3. 34GHz, 3. 55GHz, 4. 69GHz, 5. 74GHz。這些傳輸零點極大了提高了濾波器的選擇性。從以上指標來看，本發明達到了一個比較好的效果，且實施例的測試結果與仿真結果基本一致，仿真和測試分別是使用安捷倫公司的商業電磁仿真軟體ADS和E5071C網絡分析儀來完成的。 以上所述僅為本發明的較佳實例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，包括上層微帶結構、中間層介質基板和下層接地金屬板；上層微帶結構附著在中間層介質基板上表面，下層接地金屬板附著在中間層介質基板下表面；其特徵在於上層微帶結構包括兩條饋電線、兩個諧振器和偽交指結構部分；兩個諧振器排布成左右對稱的結構，並且兩個諧振器結構相同，其中諧振器由一條主傳輸線和一個加載在主傳輸線中心的階躍阻抗枝節線組成；兩條饋電線結構相同，饋電線的輸入輸出埠位於兩個諧振器的下方，兩個諧振器分別與兩條饋電線直接相連。
2.根據權利要求1所述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，其特徵在於，左上方的第一諧振器包括主傳輸微帶線部分和加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分，其中主傳輸線部分包括第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線，第一微帶線一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，另一端和第二微帶線一端相連，第二微帶線的另一端和第三微帶線一端相連，第三微帶線的另一端穿過中間層介質基板的金屬化過孔與下層接地金屬相連，第一微帶線和第三微帶線相互平行，並且都垂直地接在第二微帶線的兩端；加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線部分包括第四微帶線和第五微帶線，第四位帶線一端和第三微帶線一端相連，另一端和第五微帶線一端相連， 第五微帶線的另一端開路，第四微帶線、第五微帶線連接成倒L形。
3.根據權利要求2所述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，其特徵在於，饋電線由第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線順次連接而成，其中第六微帶線的另一端與第二微帶線一端相連，第八微帶線的左端接輸入信號，右邊的饋電線中與左邊的饋電線中的第六微帶線、第七微帶線和第八微帶線對稱的三條微帶線構成L形結構；偽交指部分由三組平行的偽交指結構組成，每組偽交指結構相同，每組偽交指包含四條微帶線，左右各兩條，分別上下錯開地搭接在左右饋電線上。
4.根據權利要求3所述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，其特徵在於，除了偽交指結構部分之外，其外的部分左右對稱；其中第一微帶線與它對稱的部分有著0. 2mm的間隙。
5.根據權利要求4所述的小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器， 其特徵在於，所述頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器的工作頻率為1. 92GHz,2. 45GHz和 5.25GHz ；第一微帶線的長度為6士0.2 mm，第二微帶線的長度為 5. 8士0. 2mm，第三微帶線的長度為 17+0. 4mm，第一微帶線、第二微帶線和第三微帶線的寬度為1. 6士0. 2 mm, 第四微帶線的長度為2士0.2mm，第四微帶線的寬度為1. 2士0. 2mm，第五微帶線的長度為12. 3士0.2 mm，第五微帶線的寬度為0.4士0. 1 mm，第六微帶線的長度為10士0. 4 mm, 第六微帶線的寬度為0.8+0. 2 mm，第七微帶線的長度為8士0. 2mm，第七微帶線的寬度是 0. 8士0. Imm,第八微帶線的長度為12. 3士0. 2 mm，第八微帶線的寬度為1. 86 mm，偽交指部分中得每根長度的長度為2士0.2mm，每組微帶線間的間距為2. 2士0.2mm，每組微帶線內的間距是0. 4士0. Imm ；第一諧振器和第二諧振器之間的間距是4士0. 2mm。 全文摘要
本發明公開小型化的高選擇性的頻率獨立可控的三通帶帶通濾波器，包括上層微帶結構，中間層介質基板和下層接地金屬板。濾波器由兩個諧振器組成，每個諧振器包括一條主傳輸微帶線和一個加載在主傳輸線中心的階躍阻抗開路枝節線，且關於微帶結構的中心對稱。饋電線直接搭接在諧振器的一邊上，也是呈對稱結構。除此以外，本發明採用偽交指結構產生傳輸零點，使濾波器具有更高的選擇性。本發明具有選擇性高的三通帶中心頻率可控以及獨立調諧的特點。
文檔編號H01P1/203GK102522614SQ20111039293
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者章秀銀, 高立 申請人:華南理工大學