并联型单侧椭圆函数传输线滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提出的一种由传输线元件构成的并联型单侧椭圆函数滤波器，输入信号从输入传输线(1)馈入第一并联十字接头(2)分成两路传输，分别经级联传输线节(3)和并联传输线节(4)传输至第二并联十字接头(7)，两路合成后从输出传输线(8)输出。两个开路传输线枝节分别连接在两个并联十字接头上调整反射信号幅度。对于给定的截止频率fc，通过选择各传输线元件参数，产生两个以上频率均低于或高于fc的非零有限频率反射零点，并在其附近频带形成通带；同时产生两个以上频率均高于或低于fc的非零有限频率传输零点，并在其附近频带形成阻带，从而实现fc附近单侧椭圆函数滤波特性。本发明适合于微波和毫米波频段中等以下带宽、低损耗、高选择性滤波器。
【专利说明】并联型单侧椭圆函数传输线滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种广泛应用于微波毫米波频段通信、雷达和测量仪器等系统中，用来控制信号的频率响应，阻断无用信号频率分量传输，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过的滤波器。
【背景技术】
[0002]滤波器是微波电路与系统中广泛应用的无源电路，用于实现特定的选频特性，滤波器按传输特性可分为高通、低通、带通和带阻等类型，滤波器的通带插入损耗、阻带抑制度等性能对电路的性能指标有很大的影响。随着频率资源日益紧张，频谱的日益拥挤，无线电系统对滤波器的选频特性提出了更高的要求，要求具有更陡峭的过渡带衰减特性(或高矩形系数)、通带低插入损耗、平坦的通带群时延、较大的阻带带宽和阻带抑制度等特性，并且随着系统小型化要求的提高，需要尽可能实现滤波器的小型化和集成化。
[0003]为了便于利用网络综合技术来设计滤波器，传统的方法是利用特定的函数逼近所需的滤波器传输特性，并通过网络综合实现特定传输函数。常用来逼近滤波器传输特性的函数类型有最大平坦型、切比雪夫型和椭圆函数型，其中椭圆函数型传输函数在滤波器的阻带有限频率处具有传输零点和极点，并因此改善带通滤波器的带外抑制性能。椭圆函数滤波器结构紧凑，比切比雪夫滤波器有更好的过渡特性和更高的带外抑制度，能实现优越的选频性能。但电路实现复杂，通常采用在不相邻的谐振腔间引人交叉耦合方式来实现。虽然对这种带有交叉耦合的滤波器的综合和设计已有广泛研究，但是其加工和调试难度均较大，限制了其工程应用。
[0004]为了实现工作频带附近的良好频率选择特性，目前主要采用带通滤波器和带阻滤波器，然而具有陡峭过渡带衰减特性的带通滤波器一般需要多级滤波器，多级滤波器是由一系列相互耦合的谐振器构成，其插入损耗较大，带内群时延及其波动增大，同时体积较大。多级带阻滤波器具有同样缺点。采用单个高Q值谐振回路的滤波器可以实现较低插入损耗，但这种单回路滤波器带宽较窄，很难满足实际应用要求。
[0005]在滤波器的很多应中，更关注的系统工作频段附近的选频特性，并且滤波器低插入损耗和小型化要求更为重要，典型的应用包括作为预选器、双工器或多工器、用于抑制发射信号特定杂波分量的滤波器和用于在接收前端抑制发射泄漏的滤波器。在多数情况下，这些滤波器只要求在通带的单侧具有陡峭的过渡带特性，适中的通带和阻带宽度，但要求插损尽量低，以降低系统损耗，同时应当具有结构简单和小型化特点，便于加工实现和系统集成应用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处和应用需求，提供一种电路形式简单，易于集成化，小型化，通带及阻带带宽适中，易于实现通带内低插入损耗，具有优良频率选择性的单侧椭圆函数传输特性传输线滤波器。
[0007]为达到以上目的，本发明提出一种并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，包括:输入输出传输线、并联十字接头、开路传输线枝节、级联传输线节和并联传输线节，其特征在于:并联十字接头是实现任意四条同类型传输线并联连接的四端口传输线元件，两个并联十字接头镜像对称连接在级联传输节3的两端，并在各自的一个对称端口分别连接第一开路传输线枝节5和第二开路传输线枝节6 ;两个并联十字接头各自的第三个对称端口之间跨接并联传输线节4，各自第四个端口分别连接输出输入传输线I和输出传输线8，输入信号从输入传输线I馈入第一并联十字接头2，部分信号因阻抗失配被反射回输入传输线，其余信号分成两路传输，一路经并联传输线节4，另一路经由级联传输线节3，两路信号在第二并联十字接头7处因阻抗失配再次被反射，其余部分合成后从输出传输线8输出；第一开路传输线枝节5、第二开路传输线枝节6用于调整输入和输出端反射信号的幅度和相位；在任意给定的输入传输线I和输出传输线8的特性阻抗以及滤波器截止频率f。条件下，通过选择级联传输线节3、并联传输线节4和开路传输线枝节5、6的传输线参数，分别调整两路传输信号的幅度和相位，在给定的滤波器截止频率f。上，产生至少两个频率均高于f。的有限频率反射零点，并在其附近频带形成滤波器通带，同时产生两个以上频率均低于f。的非零有限频率传输零点，并在其附近频带形成滤波器阻带，通带和阻带在截止频率f。上邻接，从而实现f。附近的高通型椭圆函数滤波特性；或者在给定的滤波器截止频率f。上，产生两个以上频率均低于f。的非零有限频率反射零点，并在其附近频带形成滤波器通带，同时产生两个以上频率均高于f。的有限频率传输零点，并在其附近频带形成滤波器阻带，通带和阻带在截止频率f。上邻接，从而实现f。附近的低通型椭圆函数滤波特性。
[0008]本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
滤波器电路形式简单，易于实现集成化，小型化。本发明提出的滤波器只涉及基本的传输线元件，具有优良的高频性能，滤波电路能够准确建模和仿真，易于设计和实现。对所用的传输线元件的传输线形式没有限制；并联十字接头可以采用两个并联T型接头级联等各种变形形式；滤波器中开路传输线枝节可以采用电长度增减90°的短路传输线枝节形式；传输线元件可以采用直线、折线、螺旋形线或其组合形式，以及采用多层介质基片集成传输线并通过层间互联等形式，可以缩小滤波器体积尺寸。同时，滤波器电路全部采用传输线元件，传输线元件具有寄生参数小、低损耗和高频特性优良的特点，使得电路能应用于实现毫米波频段以上的低损耗滤波器。因此，滤波器工作频率可达毫米波以上频段。滤波器可采用平面传输线形式，易于加工制作和实现滤波器小型化、集成化。
[0009]本发明通过传输线元件构成具有多重谐振特性的对称二端口分布参数网络，其传输系数截止频率f。在开路传输线枝节的谐振频率f；附近。通过选择各传输线元件的阻抗和电长度参数，可产生两个以上频率均低于或高于f。的非零有限频率反射零点，并在其附近频带形成滤波器通带；同时产生两个以上频率均高于或低于f。的非零有限频率传输零点，并在其附近频带形成滤波器阻带，从而实现f。附近单侧椭圆函数滤波特性。由于通带和阻带分别具有两个以上反射零点和传输零点，因而具有10%?20%的通带和阻带带宽。同时，由于本发明的滤波器电路没有复杂的耦合结构，所采用的简单传输线元件本身又具有低损耗特性，因此易于实现通带内低插入损耗。
[0010]本发明物理结构非常紧凑，电路面积小于具有同样选择性和相同传输线形式的交指滤波器的1/4，也比其它椭圆函数滤波器紧凑。这种滤波器具有优良的选择性，阻带中的衰减极点和通带的传输极点可以分别控制，在截止频率附近可实现十分陡峭的选频特性曲线。这种滤波器具有10-20%的适中的通带和阻带带宽，带内插入损耗小，适合于微波和毫米波频段中等以下带宽、低损耗、高选择性滤波器。
[0011]测试结果与仿真结果的良好吻合验证了这种滤波器电路的正确性与有效性。测试表明:这种滤波器既能满足小型化的要求，又具有陡峭过渡带衰减特性和适中的通带及阻带带宽，同时具有通带插入损耗低等优良的滤波特性。基于以上原因，该滤波器特别适合应用于小型化、集成化双工器、预选器和发射信号近端杂散抑制滤波器等高选择性、低损耗滤波器。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明并联型单侧椭圆函数传输线滤波器电路示意图。
[0013]图2是采用微带传输线的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器的反射与传输特性曲线示意图。
[0014]图中:1输入传输线，2第一并联十字接头，3级联传输线节，4并联传输线节，5第一开路传输线枝节，6第二开路传输线枝节，7第二并联十字接头，8输出传输线。
【具体实施方式】
[0015]参阅图1。在以下描述的实施例中，并联型单侧椭圆函数传输线波器由输入输出传输线、并联十字接头、开路传输线枝节、级联传输线节、并联传输线节等6个基本传输线元件构成，各传输线元件具有附图1所示的连接关系。各传输线均采用了双线形式表示，具体电路实现可以采用包含双导体传输线在内的各种高频传输线形式。各传输线节和传输线枝节均可采用双导体传输线在内的各种高频传输线形式；所述的并联十字接头是用于实现任意4条同类型传输线并联连接的四端口传输线元件；两个并联十字接头2、7具有镜像对称结构，对称连接在级联传输节3的两端，并在各自的一个对称位置端口分别连接第一开路传输线枝节5和第二开路传输线枝节6 ;第一并联十字接头2、第二并联十字接头7各自的第3个对称位置端口之间跨接并联传输线节4，各自剩下的一个端口分别连接输出输入传输线I和输出传输线8，组合形成Π型分布参数对称二端口网络。
[0016]在图1所示电路中，输入输出传输线、并联十字接头、短路传输线枝节、级联传输线节和并联传输线节传输线元件构成的分布参数二端口网络具有多重谐振特性，该网络在滤波器工作频带内将产生一组非零有限频率传输零点和一组非零有限频率反射零点，二者在在频率轴上邻接但不交叠，从而具有单侧椭圆函数滤波特性。输入信号从输入传输线I馈入第一并联十字接头2，在此部分信号因阻抗失配被反射回输入传输线，其余信号分成两路传输，一路经并联传输线节4，另一路经由级联传输线节3，两路信号在第二并联十字接头7处,部分信号因阻抗失配再次被反射,其余信号合成后从输出传输线8输出。第一开路传输线枝节5、第二开路传输线枝节6用于调整输入和输出端反射信号幅度和相位。在给定输入传输线I和输出传输线8的特性阻抗以及滤波器截止频率f。条件下，通过选择级联传输线节3、并联传输线节4和开路传输线枝节5、6的传输线参数，分别调整两路信号以及输入输出反射信号的幅度和相位，可在给定的滤波器截止频率f。附近，产生至少两个频率均高于f。的有限频率反射零点，并在其附近频带形成滤波器通带，同时产生至少两个频率均低于f。的非零有限频率传输零点，并在其附近频带形成滤波器阻带，通带和阻带在截止频率f.。上邻接，从而实现f.。附近的高通型椭圆函数滤波特性；或者在给定的滤波器截止频率f。上，产生至少两个频率均低于f.。的非零有限频率反射零点，并在其附近频带形成滤波器通带，同时产生至少两个频率均高于f。的有限频率传输零点，并在其附近频带形成滤波器阻带，通带和阻带在截止频率f.。上邻接，从而实现f.。附近的低通型椭圆函数滤波特性。
[0017]初始参数可选择如下:在给定的滤波器截止频率f。上，级联传输线节3具有小于180°的电长度，并联传输线节4具有大于270°但小于360°的电长度，第一开路传输线枝节5和第二开路传输线枝节6相同，且电长度均大于180°但小于360°。通过在以上范围内设计适当的传输线元件特性阻抗和电长度，即可实现f。附近的单侧椭圆函数传输特性。
[0018]在滤波器电路中，第一开路传输线枝节5，第二开路传输线枝节6参数相同，在传输零点频率fsl上电长度均达到270°，等效为对地短路，形成一个传输零点。输入信号从输入传输线I馈入第一并联十字接头2，部分被反射回输入传输线，其余信号分成两路传输，一路经并联传输线节4，另一路经由级联传输线节3，在频率传输零点fs2上，这两条路径的传输系数幅度相等、相位相反，传输后的两路信号在第二并联十字接头7处相互抵消，产生第二个传输零点。
[0019]输入信号频率低于传输零点fsl时，第一开路传输线枝节5和第二开路传输线枝节6电长度在180°?270°之间，等效为容性并联电抗，而级联传输线节3和并联传输线节4组合后等效为串联电感，这四个元件组合形成Π型低通网络，可等效为一个右手传输线节。适当选择传输线参数，可在小于传输零点fsl的至少两个非零频率fpl、&2上使该右手传输线节阻抗与输入传输线I和输出传输线8匹配，形成两个反射零点，并使得fpl〈fp2〈fs2〈fsl，从而使滤波器具有低通型椭圆函数传输特性，其截止频率在fsl附近。输入信号频率闻于传输零点fsi时，第一开路传输线枝节5和第二开路传输线枝节6电长度在270°?360°之间，等效为感性并联电抗，而级联传输线节3和并联传输线节4组合后等效为串联电容，这四个元件组合形成Π型高通网络，可等效为一个左手传输线节，适当选择传输线参数，可在高于传输零点fsl的至少两个频率fp3、fp4上使该左手传输线节阻抗与输入传输线I和输出传输线8阻抗匹配，形成两个反射零点，并使得fsl〈fs2〈fp3〈fp4，从而使滤波器具有在接近fsl的截止频率附近的高通型椭圆函数传输特性。因此，设计不同的传输线参数可使滤波电路具有高通或低通椭圆函数传输特性。
[0020]电路设计对所用的传输线元件传输线形式没有限制；第一并联十字接头2，第二并联十字接头7可以采用两个并联T型接头级联等各种变形形式；传输线元件可以采用直线、折线、螺旋形线或其组合形式，以及采用多层介质基片集成传输线并通过层间互联等形式，以缩小滤波器体积尺寸。
[0021]图2描述了一个典型的微带传输线并联型单侧椭圆函数传输线滤波器电路的反射和传输特性曲线，从图上可以清晰地看到阻带内有3个传输零点，通带内有两个反射零点。
[0022]本发明具体实施可采用以下步骤:首先根据系统应用要求，选择适当的传输线实现形式。考虑滤波器的集成化可选择微带线、带状线等平面类传输线，而考虑低损耗则应选择波导等低损耗传输线，但需要考虑与前级或后级电路采用相同传输线形式，以避免传输模式转换带来的体积尺寸增大以及由此引入额外的损耗。其次，根据应用需求，确定截止频率f。、通带和阻带带宽，通带和阻带带宽用f。归一化为相对带宽，其值应当小于20%。
[0023]利用微波电路计算机辅助设计软件，建立相应滤波器电路，设定所需的传输特性设计目标，通过软件的优化设计程序，确定各元件传输线参数。也可以通过人工迭代计算完成滤波器设计，方法如下:设定滤波器阻带内两个传输零点fsl、fs2，通带内的两个反射零点对于左侧椭圆函数滤波器为fpl、fp2，对右侧椭圆函数滤波器为fp3、fp4，按滤波器工作原理所述的形成传输零点和反射零点的条件建立方程组，求解得到各传输线元件的阻抗和电长度。
[0024]确定设计参数后，在电磁仿真软件环境中建立滤波器的结构模型，通过电磁场仿真进行最终设计验证。
【权利要求】
1.一种并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，包括:输入输出传输线、并联十字接头、开路传输线枝节、级联传输线节和并联传输线节，其特征在于:各传输线节和传输线枝节采用双导体传输线在内的各种高频传输线形式，并联十字接头是实现任意四条同类型传输线并联连接的四端口传输线元件，两个并联十字接头(2、7)镜像对称，连接在级联传输节(3)的两端，并在各自的一个对称端口分别连接第一开路传输线枝节(5)和第二开路传输线枝节(6);两个并联十字接头各自的第三个对称端口之间跨接并联传输线节(4)，各自第四个端口分别连接输出输入传输线(I)和输出传输线(8),输入信号从输入传输线(I)馈入第一并联十字接头(2)，部分信号在此因阻抗失配被反射回输入传输线，其余信号分成两路传输，一路经并联传输线节(4)，另一路经由级联传输线节(3)，两路信号在第二并联十字接头(X)因阻抗失配再次被反射，其余信号合成后从输出传输线(8)输出；第一开路传输线枝节(5)、第二开路传输线枝节(6)调整输入和输出端反射信号幅度和相位；在任意给定的输入传输线(I)和输出传输线(8)的特性阻抗以及滤波器截止频率f。条件下，通过选择级联传输线节(3)、并联传输线节(4)和开路传输线枝节(5、6)的传输线参数，分别调整两路传输信号的幅度和相位，以及输入和输出反射信号的幅度和相位，产生至少两个上频率均低于或高于f。的非零有限频率反射零点，并在其f。附近频带形成滤波器通带，同时产生至少两个频率均高于或低于f。的非零有限频率传输零点，并在f。附近频带形成滤波器阻带，从而实现f。附近单侧椭圆函数低通或高通滤波特性。
2.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:在给定的滤波器截止频率f。上，级联传输线节(3)具有小于180°的电长度，并联传输线节(4)具有大于270°但小于360°的电长度，第一开路传输线枝节(5)和第二开路传输线枝节(6)相同，且电长度均大于180°但小于360°。
3.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:在滤波器电路中，第一开路传输线枝节(5)和第二开路传输线枝节(6)在频率fsl上电长度为270° ,等效为对地短路，形成 一个传输零点fsl。
4.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:输入信号在第一并联十字接头(2)处部分被反射后，其余部分分成两路，分别经由级联传输线节(3)和并联传输线节(4)两条路径传输，在频率fs2上，这两条路径的传输系数幅度相等、相位相反，传输后的两路信号在第二并联十字接头(7)处相互抵消，产生第二个传输零点fs2。
5.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:频率低于传输零点4时，第一开路传输线枝节(5)和第二开路传输线枝节(6)电长度在180°~270°之间，等效为容性并联电抗，而级联传输线节(3)和并联传输线节(4)组合后等效为串联电感，这四个元件组合形成Π型低通网络，可等效为一个右手传输线节。
6.根据权利要求5所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:适当选择传输线参数，在小于传输零点fsl的两个非零频率fpl、fp2上使该右手传输线节阻抗与输入传输线(I)和输出传输线(8)匹配，形成两个反射零点，并使得fpl〈fp2〈fs2〈fsl，从而使滤波器具有在接近fsl的截止频率附近的右侧椭圆函数传输特性。
7.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:输入信号频率闻于传输零点fsl时，第一开路传输线枝节(5)和第二开路传输线枝节(6)电长度在270°~360°之间，等效为感性并联电抗，而级联传输线节(3)和并联传输线节(4)组合后等效为串联电容，这四个元件组合形成Π型高通网络，等效为一个左手传输线节。
8.根据权利要求7所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:适当选择传输线参数，可在高于传输零点fsl的两个有限频率fp3、fp4上使该左手传输线节阻抗与输入传输线(I)和输出传输线(8)阻抗匹配，形成两个反射零点，并使得fsl〈fs2〈fp3〈fp4，从而使滤波器具有在接近fsl的截止频率附近的左侧椭圆函数传输特性。
9.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:阻带内有两个或以上非零有限传输零点，通带内有两个或以上非零有限反射零点。
10.根据权利要求1所述的并联型单侧椭圆函数传输线滤波器，其特征在于:输入输出传输线、并联十字接头、短路传输线枝节、级联传输线节和并联传输线节传输线元件构成分布参数网络，分布参数二端口网络具有多重谐振特性，该网络在滤波器工作频带内将产生一组非零有限频率传输零点和一组非零有限频率反射零点，二者在在频率轴上邻接但不交叠，从而具有单 侧椭圆函数滤波特性。
【文档编号】H01P1/20GK104078726SQ201410244567
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】黄建 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所