一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的制作方法

本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器。

背景技术：

随着射频通信系统的快速发展，平衡式电路由于其抗电磁干扰能力强、共模抑制好以及与其它平衡式电路方便连接等优点得到广泛应用。平衡式带通滤波器作为最为关键的信号选择器件，其设计要求具有良好的性能，即在具备设计所需的差模响应的同时能够较好的进行谐波抑制。

在过去的几年中，各种平衡式带通滤波器被提出和设计。其中，半波长谐振器是实现平衡式带通滤波器的最简单方法之一。然而，这种实现方法由于传输线谐振器的周期性谐振特性，会使得设计出的滤波器受到寄生谐波的影响。对此，阶跃阻抗谐振器及其变形体由于具有控制谐波的能力而被用于设计平衡式带通滤波器。同单端的阶跃阻抗谐振器带通滤波器相似，相同基波不同谐波的差分半波长阶跃阻抗谐振器的结合是一种实现谐波抑制的好方法。但是，这种设计方法相对复杂且需要大量时间进行优化。除此以外，在现有的大量的设计中，为了实现更宽频域的共模抑制，需要在对称面添加额外的元件，诸如并联的集总元件或枝节。

也就是说，现有技术中存在：缺少一种结构简单、便于设计和生产的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的，缺少一种结构简单、便于设计和生产的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的技术问题，提供了一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，通过采取一种新型的馈电方式(即零点馈电方式)以及一种具有带阻特性的耦合结构，滤波器的最低次共模以及最低次差模谐波可以被分别抑制。从而在实现宽带共模抑制的同时拓展差模上阻带。该滤波器的设计步骤十分简单，性能良好，这使得其在实际运用中更能得到广泛的应用。

本发明实施例提供了一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，包括：端口层、谐振器层、地层、第一介质基板、第二介质基板和半固化片层；

所述端口层设置于所述第一介质基板的上表面，所述谐振器层设置于第一介质基板的下表面；所述地层设置于所述第二介质基板的下表面；所述半固化片层设置于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，用于连接所述第一介质基板和第二介质基板；

所述端口层包括结构相同且对称设置的第一差分端口和第二差分端口；

所述谐振器层包括结构相同且对称设置的第一谐振器和第二谐振器；

其中，所述第一谐振器和所述第二谐振器均为半波长开环谐振器；所述第一差分端口设置在所述第一谐振器的二次谐波的电压零点位置，并通过正交电磁耦合与所述第一谐振器进行信号传输；所述第二差分端口设置在所述第二谐振器的二次谐波的电压零点位置，并通过正交电磁耦合与所述第二谐振器进行信号传输；所述第一谐振器的开环侧与所述第二谐振器的开环侧间隔设置为所述第一谐振器和所述第二谐振器的基波提供耦合路径。

可选的，所述第一谐振器的二次谐波的电压零点为所述第一差分端口的耦合馈电的馈点，以激励所述第一谐振器的基波，并抑制所述第一谐振器的二次谐波；所述第二谐振器的二次谐波的电压零点为所述第二差分端口的耦合馈电的馈点，以激励第二谐振器的基波，并抑制所述第二谐振器的二次谐波。

可选的，所述第一谐振器由第一长度的弯折成矩形环状的第一微带线构成，所述第一微带线的一端与另一端均为开路端；所述第二谐振器由第二长度的弯折成矩形环状的第二微带线构成；所述第二微带线的一端与另一端均为开路端；所述第一长度和第二长度相等；

所述第一谐振器设置有第一开环侧，所述第二谐振器设置有第二开环侧，所述第一开环侧与所述第二开环侧相对，且间隔设置为所述第一谐振器和所述第二谐振器的基波提供耦合路径，并构成所述第一谐振器和所述第二谐振器的三次谐波的带阻耦合结构，以抑制所述第一谐振器和所述第二谐振器的三次谐波。

可选的，所述第一开环侧包括：所述第一谐振器开路端间的第一间隙，以及位于所述第一间隙两侧的第一子线段和第二子线段；所述第二开环侧包括：所述第二谐振器开路端间的第二间隙，以及位于所述第二间隙两侧的第三子线段和第四子线段；其中，所述第一子线段、所述第二子线段、所述第三子线段和所述第四子线段长度相等且设置为预设长度，使得所述带阻耦合结构的阻带中心频率与所述第一谐振器或所述第二谐振器的三次谐波频率相等。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于在本发明中，具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，包括：端口层、谐振器层、地层、第一介质基板、第二介质基板和半固化片层；所述端口层设置于所述第一介质基板的上表面，所述谐振器层设置于所述第一介质基板的下表面；所述地层设置于所述第二介质基板的下表面；所述半固化片层设置于第一介质基板和所述第二介质基板之间，用于连接所述第一介质基板和第二介质基板；其中，所述端口层包括结构相同且对称设置的第一差分端口和第二差分端口；所述谐振器层包括结构相同且对称设置的第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器和所述第二谐振器均为半波长开环谐振器；所述第一差分端口设置在所述第一谐振器的二次谐波的电压零点位置，并通过正交电磁耦合与所述第一谐振器进行信号传输及抑制第一谐振器二次谐波；所述第二差分端口设置在所述第二谐振器的二次谐波的电压零点位置，并通过正交电磁耦合与所述第二谐振器进行信号传输及抑制第二谐振器二次谐波；所述第一谐振器的开环侧与所述第二谐振器的开环侧间隔设置为所述第一、二谐振器基波提供耦合路径且构成两个谐振器三次谐波的带阻耦合结构。也就是说，通过采取一种新型的馈电方式(即零点馈电方式)以及一种具有带阻特性的耦合结构，滤波器的最低次共模以及最低次差模谐波可以被分别抑制。从而在实现宽带共模抑制的同时拓展差模上阻带。该滤波器的设计步骤十分简单，性能良好，这使得其在实际运用中更能得到广泛的应用。有效地解决了现有技术中缺少一种结构简单、便于设计和生产的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的层级结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的谐振器之间以及谐振器与差分端口之间的位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的半波长谐振器的电压分布图；

图5为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的外部品质因数与谐振器及馈线的线宽的关系示意图；

图6为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器在不同的耦合子线段长度下的传输系数S₂₁的曲线图；

图7为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的谐振器的耦合系数与谐振器间的间隙的关系示意图；

图8为本发明实施例提供的一种平衡式带通滤波器的仿真与测试结果曲线图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，解决了现有技术中缺少一种结构简单、便于设计和生产的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的技术问题，通过采取一种新型的馈电方式(即零点馈电方式)以及一种具有带阻特性的耦合结构，滤波器的最低次共模以及最低次差模谐波可以被分别抑制。从而在实现宽带共模抑制的同时拓展差模上阻带。该滤波器的设计步骤十分简单，性能良好，这使得其在实际运用中更能得到广泛的应用。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供了一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，包括：端口层、谐振器层、地层、第一介质基板、第二介质基板和半固化片层；所述端口层设置于所述第一介质基板的上表面，所述谐振器层设置于第一介质基板的下表面；所述地层设置于所述第二介质基板的下表面；所述半固化片层设置于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间，用于连接所述第一介质基板和第二介质基板；所述端口层包括结构相同且对称设置的第一差分端口和第二差分端口；所述谐振器层包括结构相同且对称设置的第一谐振器和第二谐振器；其中，所述第一谐振器和所述第二谐振器均为半波长开环谐振器；所述第一差分端口设置在所述第一谐振器的二次谐波的电压零点位置，通过正交电磁耦合与所述第一谐振器进行信号传输并抑制第一谐振器二次谐波；所述第二差分端口设置在所述第二谐振器的二次谐波的电压零点位置，通过正交电磁耦合与所述第二谐振器进行信号传输并抑制第一谐振器二次谐波；所述第一谐振器的开环侧与所述第二谐振器的开环侧间隔设置为所述第一谐振器和所述第二谐振器的基波提供耦合路径且构成所述第一谐振器和所述第二谐振器的三次谐波的带阻耦合结构。

可见，在本发明实施例中，通过采用开环半波长谐振器来设计的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器。采取一种新型的馈电方式以及一种具有带阻特性的耦合结构，谐振器的二次谐波(即滤波器的最低次共模)以及三次谐波(即滤波器的最低次差模谐波)可以被分别抑制。因此，在不需要额外并联元件的同时，宽带共模抑制以及拓展的差模上阻带可以被同时实现。有效地解决了现有技术中缺少一种结构简单、便于设计和生产的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

请参考图1和图2，本发明实施例提供了一种具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，包括：端口层10、谐振器层20、地层30、第一介质基板40、第二介质基板50和半固化片层60；需要注意的是，图2所示层级结构与图1所示平衡式带通滤波器的俯视平面结构在横向大小一致，两图各层器件在纵向上对应。

端口层10设置于第一介质基板40上表面；谐振器层20设置于第一介质基板40下表面；地层30设置于第二介质基板50下表面；第一介质基板40和第二介质基板层50通过半固化片层60连接；

端口层10包括结构相同且对称设置的第一差分端口11和第二差分端口12；

谐振器层20包括结构相同且对称设置的第一谐振器21和第二谐振器22；

其中，第一谐振器21和第二谐振器22均为半波长开环谐振器；第一差分端口11设置在第一谐振器21的二次谐波的电压零点位置，通过正交电磁耦合与第一谐振器21进行信号传输并抑制第一谐振器二次谐波；第二差分端口12设置在第二谐振器22的二次谐波的电压零点位置，通过正交电磁耦合与第二谐振器22进行信号传输并抑制第二谐振器二次谐波；第一谐振器21的开环侧与第二谐振器22的开环侧间隔设置为所述第一、第二谐振器的基波提供耦合路径且构成第一、第二谐振器三次谐波的带阻耦合结构23。

其中，端口层10和谐振器层20的设计是本申请平衡式带通滤波器的关键：

一、关于端口层10

仍请参考图1，第一差分端口11由第一单端口111和第二单端口112构成，第二差分端口12由第三单端口121和第四单端口122构成。更具体的，第一单端口111、第二单端口112、第三单端口121和第四单端口122为四个结构相同的馈线。

二、关于谐振器层20

请参考图3，在本实施方式中，第一谐振器21由第一长度的弯折成矩形环状的第一微带线构成，所述第一微带线的一端与另一端均为开路端；第二谐振器22由第二长度的弯折成矩形环状的第二微带线构成；所述第二微带线的一端与另一端均为开路端；所述第一长度和第二长度相等；

所述第一微带线的一开路端与另一开路端之间形成第一间距的第一间隙Gap₁；所述第二微带线的一开路端与另一开路之间形成第二间距的第二间隙Gap₂。其中，所述第一微带线和所述第二微带线相同，线宽通过W₀表示；所述第一间距和所述第二间距相等，通过L₁表示。第一谐振器21包括第一侧部211、与第一侧部211相对的第二侧部212，与第一侧部211相邻的第三侧部213和第四侧部214；第二谐振器22包括第五侧部221、与第五侧部221相对的第六侧部222，与第五侧部211相邻的第七侧部223和第八侧部224。第一谐振器21的第一间隙Gap₁及其两侧(即第四侧部214)为第一开环侧，第二谐振器22的第二间隙Gap₂及其两侧(即第八侧部224)为第二开环侧，所述第一开环侧与所述第二开环侧相对，且间隔设置为第一、第二谐振器基波提供耦合路径，并构成带阻耦合结构23，以抑制第一、第二谐振器三次谐波(作为滤波器差模谐波响应)。其中，第一开环侧(即第四侧部214)与所述第二开环侧(即第八侧部224)的间距通过G表示。

具体的，第一开环侧(即第四侧部214)包括：第一间隙Gap₁，以及位于第一间隙Gap₁两侧的第一子线段A和第二子线段B；第二开环侧(即第八侧部224)包括：第二间隙Gap₂，以及位于第二间隙Gap₂两侧的第三子线段C和第四子线段D；其中，第一子线段A、第二子线段B、第三子线段C和第四子线段D长度相等，第一子线段A设置为预设长度(通过L₂表示)，使得带阻耦合结构23形成的传输零点频率与差模谐波频率相等(即使得所述带阻耦合结构23的阻带中心频率与第一谐振器21或第二谐振器22的三次谐波频率相等)，从而抑制差模谐波来拓展差模上阻带。第一谐振器21的第三侧部213和第四侧部214之间的垂直间距通过L₃表示。

第二谐振器22的结构与第一谐振器21的结构相同，这里不再一一赘述。需要指出的是，第一谐振器21或第二谐振器22可为微带线弯折而成的任一对称且具有开口的环状结构，如圆形开口环状结构、六边形开口环状结构等，上述矩形开口环状结构仅用于举例说明，不限制本方案实施范围。

三、关于端口层10器件和谐振器层20器件的相对位置

首先，仍请参考图1和图3，第一差分端口11与第一谐振器21对应，第一单端口111与第一谐振器21的第一侧部211垂直，第二单端口112与第一谐振器21的第二侧部212垂直；第二差分端口12与第二谐振器22对应，第三单端口121与第二谐振器22的第五侧部221垂直，第四单端口122与第二谐振器22的第六侧部222垂直。进一步，图3为谐振器之间以及谐振器与差分端口之间的位置关系示意图。以第一单端口111为例，第一单端口111包括第一馈线段111-1和第二馈线段111-2，二者可一体成型或焊接成型等，第一馈线段111-1的线宽(通过W₁表示)由输入输出端口匹配的阻抗决定；第二馈线段111-2(线宽通过W₂表示)的一端部伸入第一谐振器21的环形内侧，第二馈线段111-2的伸入第一谐振器21的环形内侧端部的长度通过L₄表示。第二馈线段111-2与第一子线段A的垂直间距通过L₅表示。另外，第二单端口112与第一谐振器21的位置关系、第三单端口121和第四单端口122与第二谐振器22的位置关系，与第一单端口111与第一谐振器21的位置关系对称，这里不再一一赘述。

在具体实施过程中，第一谐振器21和第二谐振器22的基模用于构建所述平衡式带通滤波器的差模通带；第一谐振器21和第二谐振器22的二次谐波作为所述平衡式带通滤波器的最低频共模响应。

第一谐振器21的二次谐波的电压零点为第一谐振器21与第一差分端口11的耦合馈电的馈点，以激励第一谐振器21的基波，并抑制第一谐振器21的二次谐波；第二谐振器22的二次谐波的电压零点为第二谐振器22与第二差分端口12的耦合馈电的馈点，以激励第二谐振器22的基波，并抑制第二谐振器22二次谐波；其中，在所述平衡式带通滤波器中，第一谐振器21的二次谐波的电压零点与第二谐振器22的二次谐波的电压零点对称。总之，通过上述结构，可激励谐振器的基波为差模通带并抑制二次谐波(作为平衡式滤波器共模响应)。

进一步，第一谐振器21的二次谐波的电压零点距离第一谐振器21的最近开路端口的距离为第一谐振器21的总物理长度的四分之一；其中，第一谐振器21的总物理长度是指第一谐振器21的第一侧部211、第二侧部212、第三侧部213和第四侧部214的子线段A和子线段B的总长度。相应地，第二谐振器22的二次谐波的电压零点距离第二谐振器22的最近开路端口的距离为所述第二谐振器22的总物理长度的四分之一。

具体的，请结合上述图1和图3，展示了所提出的平衡式带通滤波器的结构布局，半波长谐振器的谐振频率可以由式(1)表示：

其中，n表示模的次数(1,2,3…)，c表示真空光速，ε_eff表示有效介电常数而L表示谐振器的总物理长度。半波长谐振器的电压分布如图4所示，基模f₁可以被用来构建平衡式带通滤波器的差模通带，而二次谐波f₂则作为最低频共模响应。图1所示平衡式带通滤波器的二次谐波f₂必然存在如图4所示的一对对称的电压零点(Z以及Z’)，分别与每个谐振器对应。电压零点Z与最近开路端口的距离是谐振器总物理长度的四分之一，电压零点Z’与最近开路端口的距离是谐振器总物理长度的四分之一。这对零点的位置可以被选为差分馈电的馈点，第一单端口111设置在第一谐振器21的二次谐波零点Z的位置上，第二单端口112设置在第一谐振器21的二次谐波零点Z’的位置上，第三单端口121设置在第二谐振器22的二次谐波零点Z的位置上，第四单端口122设置在第二谐振器22的二次谐波零点Z’的位置上，因二次谐波f₂无法被激励并被抑制。而差模通带所需要的外部品质因数Q_e则可以通过其他参数来控制，如谐振器及馈线的线宽，如图5所示。

在图1所示的平衡式带通滤波器中，两个谐振器间的电耦合被用来设计该平衡式带通滤波器。结合图1和图3，差模通带需要的耦合系数k₁₂，即第一谐振器21和二谐振器22之间的耦合系数，主要由谐振器的耦合长度L₂以及谐振器之间间隙G决定。事实上，该耦合结构可以在高频处被设计为带阻结构，通过调整耦合长度L₂使一个传输零点出现在对应的频率f_s；进一步，如图6所示，当该对应的频率f_s与差模谐波f₃相等时，差模谐波f₃可以被有效抑制。则需要的k₁₂可以通过间距G调节，如图7所示。

下面结合图1所示的带通滤波器结构图，给出所述带通滤波器的内部结构参数，以在中心频率为1.06GHz上，实现0.11dB纹波相对带宽为3.7％的二阶平衡式带通滤波器设计。如图1和图2所示，该滤波器通过使用多层印刷电路板制造，包括两层板材(即第一介质基板40和第二介质基板50)和一层固化剂(即半固化片层60)。其中，第一介质基板40和第二介质基板50的板材型号为Rogers RO4003c，介电常数ε_r＝3.38，厚度h＝0.508mm；以及半固化片层60的介电常数ε_r1＝3.48，厚度h₁＝0.2mm。该设计需要基于满足设计要求的Q_e和k₁₂，低通原型的集总参数值被确定为：g₀＝1,g₁＝0.8669,g₂＝0.6301,g₃＝1.3757，进一步，滤波器设计所要求的Q_e和k₁₂可通过式(2)和式(3)确定：

通过图5和图7以及相应的优化，所设计的滤波器的参数可被确定，L₁＝3mm，L₂＝10.95mm，L₃＝12.1mm，L₄＝2mm，L₅＝3.3mm，W₀＝2.6mm，W₂＝4mm以及G＝1mm。

根据上述一系列具体参数，分别通过Ansoft HFSS和安捷伦四端口网络分析仪N5230A对所设计的平衡式带通滤波器进行仿真和测试，获得仿真和测试的S参数(即散射参数，是微波传输中的一项重要参数)曲线，如图8所示，仿真和测试结果具有较好的一致性。具体的，测试可得差分通带中心频率大概为1.06GHz(即f₁)，3dB相对带宽为6.1％。差分通带带内最小插损S_dd21为1.1dB，回波损耗S_dd11好于16dB。第一个差模谐波出现在5.4GHz(约5.09f₁)，从而实现一个宽的差模上阻带，并且差模抑制从1.335GHz到4.92GHz(约4.5f₁)优于30dB。第一个共模谐波出现在4.25GHz(约4f₁)，并且共模抑制从直流到3.47GHz(约3.25f₁)优于30dB，同时差模通带内共模抑制可达50dB。

总而言之，本发明方案提出了一种新型的具有谐波抑制功能的平衡式带通滤波器，通过采取一种新型的馈电方式以及一种具有带阻特性的耦合结构，滤波器的最低次共模以及最低次差模谐波可以被分别抑制。从而同时实现宽带共模抑制以及拓展的差模上阻带。该滤波器的设计步骤十分简单，性能良好，这使得其在实际运用中更具吸引力。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。