多頻帶帶阻濾波器及多頻帶帶通濾波器的製作方法
2023-12-01 05:36:01 4
專利名稱：多頻帶帶阻濾波器及多頻帶帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微波通信技術領域，涉及一種多頻帶帶阻濾波器拓撲結構，以及基於
該拓撲結構的多頻帶帶通濾波器。
背景技術：
多頻帶帶阻濾波器(以下簡稱多阻帶)是用來濾除通信信道內不需要的一些頻帶 信號的設備，而多頻帶帶通濾波器(以下簡稱多通帶)則是用來篩選出通信信道內需要的 一些頻帶信號的設備。 雙頻帶帶阻濾波器(以下簡稱雙阻帶)比較典型的是cul-de-sac結構，如圖l所 示。其基於交叉耦合的原理。其中，l腔和8腔之間間距l/4波長的奇數倍。1、8腔耦合到 主通道上，其餘各腔以特定的方式耦合在其它諧振腔上。 在窄帶情況下，cul-de-sac結構的各個諧振腔是相當敏感的，尤其是圖1中所示 的諧振腔1和8，由於溫漂所產生的效應非常明顯。並且這種耦合結構基於交叉耦合，因而 主要局限於雙阻帶的設計。並且，這種拓撲結構很難擴展到3頻帶、4頻帶帶阻濾波器(以 下簡稱3阻帶、4阻帶)的設計。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提出了一種易於設計、性能優良 的多阻帶拓撲結構。 本發明的技術解決方案是多頻帶帶阻濾波器，包括N個諧振腔組，N為頻帶的個 數，2《N《4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應；每個諧振腔組均由 一字排列的n個諧振腔構成，3《n《5，屬於同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4 波長的奇數倍，矩形波導為3/4倍波導波長，所述波長對應的頻率為多頻帶帶阻濾波器的 中心頻率；N個諧振腔組共用一個主通道並與主通道平行，當N = 2時，2個諧振腔組相對於 主通道對稱布置，兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和f2， f工< f2，且諧振頻率f2位於諧振 頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；當N = 3時，主通道一側布置1個諧振腔組，諧振腔組 的諧振頻率為fi或f2，主通道另一側布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率 為f2或fp遠離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3， fi < f2 < f3，且諧振頻率f3位於諧振 頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；當N = 4時，4個諧振腔組相對於主通道對稱布置，其 中一側的兩個諧振腔組的諧振頻率為^和&，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別 為^和f2， f4，且諧振頻率f4位於諧振頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；
靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，主通道同側遠離主通道的諧振腔組與臨近主通 道的諧振腔組之間進行耦合。 所述的諧振腔組具有切比雪夫函數響應。 基於多頻帶帶阻濾波器的多頻帶帶通濾波器，由多頻帶帶阻濾波器和單頻帶帶通 濾波器構成，滿足下述關係式
3
單頻帶帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器=N+l頻帶帶通濾波器。
本發明與現有技術相比的優點在於 (1)本發明每個諧振腔後面最多再耦合一個諧振腔，因而，極大的降低了諧振腔的 敏感度，從而降低了其對工藝和溫度等方面的要求。其次，其基於多個帶阻濾波器阻帶級聯 從而實現多阻帶響應的原理，因而不僅僅局限於窄帶多阻帶的設計。再次，本發明中的濾波 器拓撲結構則可以較為方便的實現3阻帶和4阻帶響應。最後，通過和單頻帶帶通濾波器 結合，實現了較為理想的多通帶響應。應用這種結構，可實現雙通帶、3通帶、4通帶、5通帶， 特別是4通帶、5通帶，應用一般的多通帶耦合結構很難實現； (2)本發明N組諧振腔，每一組形成一個帶阻帶，具有切比雪夫濾波器響應。每一 個阻帶由n個諧振腔構成。每個諧振腔組的初值可由對應的切比雪夫濾波器給定，降低了 綜合的難度。
圖1為傳統cul-de-sac結構雙阻帶的拓撲結構； 圖2為本發明的雙阻帶濾波器拓撲結構(兩組諧振腔分列主通道兩側)； 圖3為圖2低段帶阻濾波器拓撲； 圖4為圖3濾波器響應； 圖5為圖2高段帶阻濾波器拓撲； 圖6為圖5濾波器響應； 圖7為由圖3和圖5構成的圖2所示雙阻帶的響應； 圖8為兩組諧振腔在主通道同側的拓撲結構； 圖9為圖8所示的兩組諧振腔組在主通道同側的響應； 圖10為本發明的3阻帶濾波器拓撲結構； 圖11為圖10低頻段帶阻濾波器拓撲； 圖12為圖11濾波器響應； 圖13為圖10中頻段帶阻濾波器拓撲； 圖14為圖13濾波器響應； 圖15為圖10高頻段帶阻濾波器拓撲； 圖16為圖15濾波器響應； 圖17為由圖11、圖13和圖15構成的圖10所示的3阻帶響應； 圖18為本發明的4阻帶拓撲結構； 圖19為圖18所示4阻帶響應； 圖20為由圖18所示4阻帶+8階帶通濾波器得到的5通帶濾波器響應； 圖21為本發明的10階矩形波導雙阻帶濾波器模型； 圖22為圖21雙阻帶濾波器仿真結果； 圖23為應用SIW導波結構實現的兩組諧振腔處於主通道同一側的模型； 圖24為圖23雙阻帶濾波器Sll仿真及測試結果； 圖25為圖23雙阻帶濾波器S21仿真及測試結果； 圖26為本發明基於SIW的16階4阻帶(N = 4， n = 4)模型。
具體實施例方式
本發明的設計思路是應用一種較簡單的近似方法來設計多阻帶。由低到高依次設 計單頻帶的帶阻濾波器，隨後通過這些濾波器的參數得到多阻帶的初值，最後對其進行調 整優化，則可以得到需要的多阻帶響應。 本發明多頻帶帶阻濾波器包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數，2《N《4， N個諧 振腔組通過重疊排列來獲取多頻帶帶阻濾波器響應；每個諧振腔組均由一字排列的n個諧 振腔構成，一般3《n《5則可滿足指標要求，每個諧振腔組具有切比雪夫帶阻響應。屬於 同一個諧振器組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數倍，矩形波導一般取3/4倍波導 波長，所述波長對應的頻率為整個多頻帶帶阻濾波器的中心頻率。N個諧振腔組共用一個主 通道並與主通道平行，所有諧振腔組通過重疊排列，或者處於主通道一側，或者處於主通道 兩側。但是每側的諧振腔組不超過兩組。當N二2時，2個諧振腔組相對於主通道對稱布 置。兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和且諧振頻率f2位於諧振頻率為^的 諧振腔組的帶阻頻帶外。當N = 3時，主通道一側布置1個諧振腔組，諧振腔組的諧振頻率 為^或f2，主通道另一側布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率為f2或4， 遠離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3， fi < f2 < f3，且諧振頻率f3位於諧振頻率為^的 諧振腔組的帶阻頻帶外；當N = 4時，4個諧振腔組相對於主通道對稱布置，其中一側的兩 個諧振腔組的諧振頻率為^和&，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和f2， 並且有頻率關係f4，且諧振頻率f4位於諧振頻率為^的諧振腔組的帶阻頻 帶外；靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，遠離主通道的諧振腔組與臨近主通道的 諧振腔之間進行耦合。 首先，介紹一個10階的雙阻帶，即N二2， n二5，如圖2所示。其含有10個諧振 腔(NXn)，其中1、2、3、4、5腔諧振頻率為^ = 12. 25GHz，濾波器拓撲如圖3，組成低端的帶 阻響應，如圖4所示。而6、7、8、9、10腔諧振在f2 = 13. 25GHz上，濾波器拓撲如圖5，實現 高端的帶阻響應，理想響應如圖6所示。對兩組諧振腔按照圖2所示排列，進行進一步的優 化，則能實現如圖7所示的雙阻帶響應。每一個對應頻率的帶阻濾波器都基於傳統的切比 雪夫函數，其中，1到2腔、2到3腔，3到4腔，4到5腔之間都間隔四分之一波長的奇數倍。 矩形波導一般取3/4倍波導波長。需要注意的是，6、7、8、9、10腔的諧振頻率&應該在1、 2、3、4、5腔形成的帶阻濾波器的帶通帶內(也即帶阻帶外)，即應該避免f2處於1、2、3、4、 5腔的高次模上。而在一般的阻帶帶寬下，這個條件都能滿足。 為了擴展到多頻帶，需要在主通道一側排列兩組諧振腔。現驗證通過兩組諧振腔 的重疊排列，可以實現需要的雙阻帶響應。取N二2，n二3，腔體排列如圖8所示。同上，l、 2、3腔諧振頻率為^ = 11. 65GHz，而4、5、6腔諧振在f2 = 12. 7GHz上，實現了雙阻帶的設 計，理想響應如圖9所示。同樣，每一個對應頻率的諧振腔組都基於傳統的切比雪夫函數。
通過在圖2所示的雙阻帶結構上，在其主通道任一側按照圖8所示的方式再加一 組耦合腔，通過精細的優化，則可以實現3阻帶。如圖10所示，N二3，n二4。其含有12 個諧振腔，1、2腔，2、3腔，3、4腔之間都間隔四分之一波長的奇數倍。矩形波導一般取3/4 倍波導波長。每一個對應頻率的帶阻濾波器都基於傳統的切比雪夫函數。其中1、2、3、4 腔諧振頻率為^ = 11. 2GHz，構成如圖11所示第一組諧振腔組，響應如圖12所示，阻帶為
511. lGHz-11. 3GHz，對應3頻帶低頻段阻帶。5、6、7、8腔諧振在f2 = 12. 2GHz上，構成如圖 13所示的第二組諧振腔組，響應如圖14所示，阻帶為12. lGHz-12. 3GHz，對應3頻帶中頻段 阻帶。第三組諧振腔組由9、10、11、12腔如圖15所示排列組成。腔體諧振在f3 = 13. 2GHz 上，響應如圖16所示，阻帶為13. lGHz-13. 3GHz，對應3頻帶高頻段阻帶。把3組諧振腔如 圖10所示排列，經過細緻的優化，則可以得到圖17所示的3阻帶響應。 3阻帶可進一步推廣為4阻帶。圖18給出了 16階4阻帶的拓撲，優化後的響應 如圖19所示。其阻帶為11.05GHz-11. 15GHz， 11. 55GHz-11. 65GHz， 12. 05GHz-12. 15GHz，
12. 55GHz-12. 65GHz。可以看到，各個阻帶的抑制特性以及各阻帶之間的通帶特性都很好。 因而應用這種多阻帶結構，可以設計多通帶。其設計思路為帶通濾波器+N阻帶=N+l通 帶。對圖18的4阻帶加上一個帶通濾波器，可以得到圖20所示的5通帶響應。通帶為 10. 7GHz-llGHz，11. 2GHz-11. 5GHz，11. 7GHz-12GHz，12. 2GHz-12. 5GHz，12. 7GHz-13GHz。應 用同樣的方法，還可以設計雙通帶、3通帶、4通帶濾波器。 以上這些拓撲，波導、微帶、同軸、SIW諧振腔都可實現。其中，微帶或同軸諧振腔 在主通道間隔1/4倍波長，而波導和SIW諧振腔則需要主通道間隔3/4倍波導波長。
實施例 以上詳細的給出了本發明的設計思路。其主要基於兩種雙阻帶結構第一個如圖 2所示，兩組諧振腔分列主通道兩側，是用來設計雙阻帶的拓撲結構；第二個如圖8所示，兩 組諧振腔處於主通道同一側(圖8)，是用來把雙阻帶拓展成為3阻帶、4阻帶的拓撲結構。 接下來將分別通過矩形波導和基片集成波導兩種導波結構，實現這兩種拓撲結構，從而證 明本發明提出的多阻帶結構的可實現性。最後給出基於SIW的4阻帶模型示意圖。
如圖2所示的拓撲結構，設計一個基於矩形波導的雙阻帶。如圖21所示。每個諧 振腔組有5個諧振腔，也即N = 2，n = 5。兩組諧振腔分列主通道兩側。諧振腔和主通道 之間的耦合為寬邊耦合。仿真結果如圖22所示。其中1、2、3、4、5腔諧振在12.25GHz，6、 7、8、9、10腔諧振在13.25GHz。諧振腔由矩形波導諧振腔實現，主通道也由矩形波導實現。 每個諧振腔組的5個諧振腔在主通道一側一字排列，間距為3/4倍波導波長，中心頻率選取 12. 75GHz。各個諧振腔之間通過金屬膜片形成耦合窗實現耦合。
基於矩形波導的雙阻帶主要指標如下 中心頻率f。 = 12. 75GHz，阻帶帶寬:A f丄=200MHz， A f2 = 200MHz，低端阻帶: 12. lGHz-12. 4GHz，高端阻帶13. lGHz-13. 4GHz，阻帶抑制^ 30dB。 通過仿真設計，可以看到，仿真結果優良，其阻帶的抑制特性、阻帶之間通帶的傳 輸特性都非常好。 應用SIW導波結構，實現兩組諧振腔分布在主通道同側的拓撲結構。如圖23所示， 其N = 2，n = 3。諧振腔和主通道以及諧振腔之間通過窄邊進行耦合。介質板選用Rogers 5880，介電常數為2. 2。其包含6個諧振腔(NXn)。其中1、2、3腔諧振在11. 65GHz，4、5、6 腔諧振在12. 7GHz。諧振腔由SIW諧振腔實現，主通道也由SIW導波結構實現。鄰近主通道 的各個腔(1、2、3腔)依次間距3/4倍波導波長，中心頻率選取12. 2GHz。各個腔之間通過 金屬通孔形成的耦合窗實現耦合。基片集成波導和微帶的連接通過微帶漸變線實現。通過 精細的仿真和優化，得到其參數如圖23所示。仿真和測試結果如圖24和圖25所示。可以 看到，仿真和實測結果吻合很好。其阻帶的抑制特性、阻帶之間通帶的傳輸特性都非常好，
6能很方便的與平面電路集成，不需要後期調試，適用於批量生產，並且能保持較高的Q值。
基於SIW導波結構的兩組諧振腔處於主通道同一側的濾波器，其主要指標如下
中心頻率f。 = 12GHz，阻帶帶寬A f: = 300MHz， A f2 = 200MHz，低端阻帶 11. 5GHz-ll. 8GHz，高端阻帶12. 6GHz_12. 8GHz，阻帶抑制^ 20dB。 圖26為SIW諧振腔構成的16階4阻帶模型示意。諧振腔用SIW諧振腔實現，主 通道用SIW導波結構實現，諧振腔間耦合以及諧振腔和主通道之間耦合通過金屬通孔形成 的耦合窗實現。輸入輸出用微帶線實現。微帶和SIW之間通過微帶漸變線實現寬帶過渡。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
多頻帶帶阻濾波器，其特徵在於包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數，2≤N≤4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應；每個諧振腔組均由一字排列的n個諧振腔構成，3≤n≤5，屬於同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數倍，矩形波導為3/4倍波導波長，所述波長對應的頻率為多頻帶帶阻濾波器的中心頻率；N個諧振腔組共用一個主通道並與主通道平行，當N＝2時，2個諧振腔組相對於主通道對稱布置，兩個諧振腔組的諧振頻率分別為f1和f2，f1＜f2，且諧振頻率f2位於諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；當N＝3時，主通道一側布置1個諧振腔組，諧振腔組的諧振頻率為f1或f2，主通道另一側布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率為f2或f1，遠離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3，f1＜f2＜f3，且諧振頻率f3位於諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；當N＝4時，4個諧振腔組相對於主通道對稱布置，其中一側的兩個諧振腔組的諧振頻率為f1和f3，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別為f1和f2，f1＜f2＜f3＜f4，且諧振頻率f4位於諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，主通道同側遠離主通道的諧振腔組與臨近主通道的諧振腔組之間進行耦合。
2. 根據權利要求1所述的多頻帶帶阻濾波器，其特徵在於所述的諧振腔組具有切比雪夫函數響應。
3. 多頻帶帶通濾波器，其特徵在於由權利要求1所述的多頻帶帶阻濾波器，以及單頻 帶帶通濾波器構成，滿足下述關係式單頻帶帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器=N+l頻帶帶通濾波器。
全文摘要
多頻帶帶阻濾波器，包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數，2≤N≤4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應。每個諧振腔組均由一字排列的n個諧振腔構成，3≤n≤5，屬於同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數倍，矩形波導為3/4倍波導波長，N個諧振腔組共用一個主通道並與主通道平行。所有諧振腔組通過重疊排列，或者處於主通道一側，或者處於主通道兩側。但是每側的諧振腔組不超過兩組。本發明多頻帶帶阻濾波器各個阻帶的抑制特性以及各阻帶之間的通帶特性都很好。因而應用這種多頻帶帶阻濾波器結構，可以設計多通帶濾波器，其設計思路基於帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器＝N+1通帶帶通濾波器。
文檔編號H01P1/209GK101719579SQ20091024328
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者於洪喜, 吳須大, 周穎, 楊毅民, 楊飛 申請人:西安空間無線電技術研究所