一种太极型谐振器、滤波器及其调节方法

文档序号:10689633阅读:634来源:国知局
一种太极型谐振器、滤波器及其调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种太极型谐振器、滤波器及其调节方法,其中,所述太极型谐振器包括基片,形成于基片上的谐振器电路图案,所述谐振器电路图案形状为阴阳鱼太极图案中的阳鱼或阴鱼形状,其中电路在图案的阳鱼或阴鱼头部鱼眼处接地,阳鱼或阴鱼尾部连接馈电线。本发明的滤波器采用阴阳极的渐变λg/4的谐振器结构,在末端接地。该结构具有渐变阶梯阻抗(SIR)特性,同时引入接地孔使得谐振器谐振尺寸大约为λg/4,进一步缩小滤波器尺寸。此外,滤波器结构设计较也为简单。
【专利说明】
一种太极型谐振器、滤波器及其调节方法
技术领域
[0001] 本发明属于微波毫米波无源器件技术领域,尤其涉及到一种太极型谐振器、滤波 器及其调节方法。
【背景技术】
[0002] 射频微波滤波器是通信系统、雷达系统、测量系统的重要组成部分,其性能的好坏 关系着系统性能的优劣。因此,射频微波滤波器一直是无线通信领域研究的重点和热点。随 着现代无线通信技术的发展,系统对电磁兼容、抗干扰的要求越来越高。
[0003] 传统的微波滤波器设计多是直接根据设计指标要求,利用低通原型推导设计出需 要的滤波器的电抗、电阻值,然后根据一些变换原理推导出需要的滤波器结构的各部分特 性阻抗值,最后用不同特性阻抗的微带线实现滤波器。该方法设计较为精确,但是设计过程 较为繁琐,设计周期较长,在现有技术已有利用耦合系数矩阵设计带通滤波器,该方法简单 快捷设计周期较短,但是滤波器采用的是1 8/2的平行耦合线结构,滤波器结构较大。同时, 也有进一步的采用了Ag/4的交指耦合结构,使得滤波器体积极大缩小,但是由于采用均匀 平行短路线结构,这使得滤波器的体积依旧偏大,不能很好的满足设计需求。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的解决上述现有技术问题,提供一种太极型谐振器、滤波器及其调节 方法,太极型的结构设计有效的缩小了滤波器的体积,同时,该滤波器在性能上满足差模插 入损耗小,共模抑制大的特点,在形状结构设计上较符合工程美学。
[0005] 本发明的技术方案是这样实现的:一种太极型谐振器,包括基片以及形成于基片 上的谐振器电路图案,其特征在于,所述谐振器电路图案形状为阴阳鱼太极图案中的阳鱼 或阴鱼形状,其中电路在图案的阳鱼或阴鱼头部鱼眼处接地,阳鱼或阴鱼尾部连接馈电线。
[0006] 优选的,组成所述谐振器太极型图案的外轮廓包括三段半圆形圆弧线,其中第一 圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线 的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线的第二端与第一圆弧线的第二端相 切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线的直径和/或第二圆弧线的直径设置为谐 振器的谐振频率调整参数。
[0007] 优选的,电路阳鱼或阴鱼图案的鱼眼处为圆形通孔,用于使电路接地,调节所述圆 形通孔的直径以调整谐振器的谐振频率。
[0008] 进一步的,一种太极型滤波器,包括两组太极型谐振器,所述两组太极型谐振器耦 合形成阴阳鱼太极图形状。
[0009] 优选的,组成所述谐振器太极型图案的外轮廓包括三段半圆形圆弧线,其中第一 圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线 的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线的第二端与第一圆弧线的第二端相 切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线的直径和/或第二圆弧线的直径设置为 谐振器的谐振频率调整参数。
[0010] 优选的,谐振器第二圆弧线和第三圆弧线连接点为谐振器中心点,两谐振器中心 点的距离设置为滤波器频率响应及耦合参数调整参数。
[0011]优选的,组成谐振器太极型图案的外轮廓包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧 线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线的第 一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线的第二端与第一圆弧线的第二端相切, 形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;调节第一圆弧线的直径和/或第二圆弧线的直径以调整 谐振器的谐振频率。
[0012] 进一步优选的,调节谐振器第一圆弧线的直径和/或第二圆弧线的直径以调整谐 振器的谐振频率,和/或,调整两谐振器中心点的距离以调整滤波器频率响应及耦合参数。
[0013] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明的滤波器采用阴阳极的渐变Ag/ 4的谐振器结构,在末端接地。该结构具有渐变阶梯阻抗(SIR)特性,同时引入接地孔使得谐 振器谐振尺寸大约为A g/4,进一步缩小滤波器尺寸。此外,滤波器结构设计较也为简单。
【附图说明】
[0014] 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 发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还 可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015] 图1所示为本发明实施例的太极型滤波器的立体结构示意图;
[0016] 图2所示为为本实施例所述滤波器的平面结构示意图;
[0017] 图3所示为本发明实施例太极型滤波器的主要耦合示意图;
[0018] 图4所示为本发明实施例太极型滤波器的耦合矩阵;
[0019] 图5所示为本发明实施例太极型滤波器的电场分布;
[0020] 图6所示为本发明实施例所述谐振器外径对谐振频率的影响曲线;
[0021] 图7所示为本发明所述过孔孔径对谐振频率的影响曲线;
[0022] 图8所示为不同谐振器间间距s与传输特性响应的关系曲线;
[0023] 图9所示为本发明实施例所述滤波器的仿真结果图;
[0024] 图10所示为本发明实施例所述滤波器仿真与实测对比图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例,都属于本发明保护的范围。
[0026] -种太极型谐振器,包括基片以及形成于该基片上的谐振器电路图案,所述谐振 器电路图案形状为阴阳鱼太极图案中的阳鱼或阴鱼形状,其中电路在图案的阳鱼或阴鱼头 部鱼眼处接地,阳鱼或阴鱼尾部连接馈电线;进一步优选的,组成谐振器太极型图案的外 轮廓包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电 路阳鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆 弧线的第二端与第一圆弧线的第二端相切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线 的直径和/或第二圆弧线的直径设置为谐振器的谐振频率调整参数。
[0027] 优选的,所述电路阳鱼或阴鱼图案的鱼眼处为圆形通孔,用于使电路接地,调节所 述圆形通孔的直径以调整谐振器的谐振频率。
[0028] 作为一种优选的实施方案,如图1所示为本发明实施例的太极型滤波器的立体结 构示意图,包括两组太极型滤波器,所述两组太极型滤波器耦合形成阴阳鱼太极图形状。进 一步的,组成所述谐振器太极型图案的外轮廓包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧线1第 一端部与第二圆弧线2第一端部相切形成电路阳鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线3的第一 端部与第二圆弧线2的第二端部相切,第三圆弧线3的第二端与第一圆弧线1的第二端相切, 形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线1的直径和/或第二圆弧线2的直径设置为谐 振器的谐振频率调整参数;进一步的,谐振器第二圆弧线2和第三圆弧线3连接点为谐振器 中心点,两谐振器中心点的距离设置为滤波器频率响应及耦合参数调整参数。
[0029] 如图2所示为本实施例所述滤波器的平面结构示意图,图中,W为基片的宽度,L表 示基片的长度,Wf表示馈电线的宽度,Lf为馈电线的长度,L3为馈线边沿距离基片边沿的距 离,L1、L2分别表示匹配枝节的线长,Wa为匹配枝节线宽,D2为所述谐振器的第一圆弧线1 的直径,Dl为所述谐振器的第二圆弧线或第三圆弧线的直径,S为两谐振器中间的间距。在 介质层下表面为一整块金属地,面积大小与基片相同。
[0030] 优选的,上述太极型谐振器的频率调整方法,通过调节第一圆弧线1的直径和/或 第二圆弧线2的直径以调整谐振器的谐振频率。
[0031] 优选的,一种太极型滤波器的频率调整方法,通过调节谐振器第一圆弧线1的直径 和/或第二圆弧线2的直径以调整谐振器的谐振频率,和/或,调整两谐振器中心点的距离以 调整滤波器频率响应及耦合参数。
[0032] 传统滤波器设计多利用低通原型通过查表以及相应的变换原则来设计,其设计过 程较为繁琐冗长。如图3所示为本发明太极型滤波器的主要耦合示意图,采用耦合矩阵的设 计方式,利用三维全波分析软件HFSS的本征模求解模式,分析得出滤波器的两个谐振峰,再 利用式(1)计算出需要的工作频段的谐振器间的耦合系数,然后再在HFSS中根据弱耦合情 况以及式(2)计算出该频段需要的外部Q值,最终得出满足设计需要的如图4所示的耦合矩 阵,通过物理实现耦合矩阵中的耦合系数M L1,M12,ML2可以实现滤波器的频率响应特性。 [0033]耦合系数的表达式为
[0034] (1)
[0035]其中fH为3dB带宽的高频处的截止频率,fL为3dB带宽的低频处的截止频率,K为两 谐振器的耦合系数。
[0036]外部品质因素的表达式为
[0037] ,、 (2)
[0038] 其中wo为滤波器中心工作频率,AW±9Q。为偏离Sn的相位为0处±90°的频率。需要 注意的是,有时候Sn的相位在谐振频率处并不是为0,而是有一定偏移,在设计的时候应该 以这个偏移点为基准来确定Δ W±90。。
[0039] 如图5所示通过电场强度值,给出了本实施例太极滤波器的电场幅度分布。当电磁 波从输入阻抗线传导进入后,主路信号通过直接相连的谐振器传输,另一部分通过耦合从 另一个谐振器传输。在两谐振器缝隙间的电场较强,此处为电耦合,通过控制两谐振器间距 8便可控制耦合量的大小,从而使之满足图4所示的耦合量的设计需求。
[0040] 在滤波器的等效电路中,通过改变谐振器尺寸Dl与D2的大小即可控制等效电路中 的电容值,通过改变金属化过孔大小可控制等效电路中的等效电感大小,从而亦能调节滤 波器的中心工作频率。通过控制耦合线线宽Wa的大小,通过优化设计使之满足滤波器的外 部Q值,从而实现滤波器输入输出阻抗的良好匹配。
[0041] 通过HFSS建模仿真,由于谐振器的尺寸主要影响该滤波器的工作频率,通过理论 计算,微调谐振器外部尺寸Dl可得图6所示的滤波器频率响应曲线图,横坐标代表信号的频 率,单位GHz,纵坐标为信号的响应幅度,单位为dB,改变谐振器外径Dl的大小可以得到不同 的频率响应曲线。由图可得,当Dl的尺寸越大,滤波器的工作频率便越低,这与理论吻合较 好,通过优化微调使之能够满足设计需要。图7为金属化过孔孔径对带内回波损耗Sll的影 响,横坐标代表信号的频率,单位GHz,纵坐标为信号的响应幅度,单位为dB,通过调节过孔 半径D可以将得到,当过孔越大此时电感值越小,谐振频率越大。
[0042]如图8所示为不同谐振器间间距s与传输特性响应的关系曲线图,横坐标代表信号 的频率,单位GHz,纵坐标为信号的响应幅度,单位为dB,改变谐振器间间距s的大小可以得 到不同的频率响应曲线。当S越大親合越弱,滤波器的工作带宽越小,当S值越小親合越强, 滤波器的工作带宽越大。通过优化主要的影响参数,最终优化设计出了图9所示的仿真结 果,图中,该滤波器工作在5.5GHz-6. IGHz,带内插入损耗S21小于-1.5dB,带内回波损耗SI 1 小于-20dB,该滤波器基本满足工程实际运用要求。
[0043]作为一个具体的实施例设计,基片的宽度W = 15mm,基片的长度L = 29.8mm,馈电线 的宽度W_f = 2mm,馈电线的长度L_f = 5mm,馈线边沿距离基片边沿的距离L3 = 5 · 2mm,匹配 枝节的线长之一 L2 = 3.3謹,匹配枝节的线长之二Ll = 2.7謹,匹配枝节线宽胃_& = 0· 3謹,谐 振器的外延圆的直径D2 = 12.2mm,谐振器内部圆的直径Dl = 6mm,两谐振器中间的间距S = 0.2_。利用矢量网络分析仪实测得到图10所示的结果,该滤波器工作在5.5GHZ-6. IGHz内, 带SMA接头的最小插入损耗为0.67dB,带SMA接头的带内插入损耗S21小于1.6dB,带内回波 损耗Sll小于-17dB,该滤波器结果与仿真基本符合,满足工程实际运用要求。
[0044]本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本 发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域 的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它 各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种太极型谐振器,包括基片以及形成于基片上的谐振器电路图案,其特征在于,所 述谐振器的电路图案形状为阴阳鱼太极图案中的阳鱼或阴鱼形状,其中电路在图案的阳鱼 或阴鱼头部鱼眼处接地,阳鱼或阴鱼尾部连接馈电线。2. 根据权利要求1所述的太极型谐振器,其特征在于,组成谐振器太极型图案的外轮廓 包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳 鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线 的第二端与第一圆弧线的第二端相切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线的直 径和/或第二圆弧线的直径设置为谐振器的谐振频率调整参数。3. 根据权利要求1或2所述的太极型谐振器,其特征在于,电路阳鱼或阴鱼图案的鱼眼 处为圆形通孔,用于使电路接地,调节所述圆形通孔的直径以调整谐振器的谐振频率。4. 一种太极型滤波器,其特征在于,包括两组太极型谐振器,所述两组太极型谐振器耦 合形成阴阳鱼太极图形状。5. 根据权利要求4所述的太极型滤波器,其特征在于,组成谐振器太极型图案的外轮廓 包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳 鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线 的第二端与第一圆弧线的第二端相切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;第一圆弧线的直 径和/或第二圆弧线的直径设置为谐振器的谐振频率调整参数。6. 根据权利要求4或5所述的太极型滤波器,其特征在于,所述谐振器第二圆弧线和第 三圆弧线连接点为谐振器中心点,两谐振器中心点的距离设置为滤波器频率响应及耦合参 数调整参数。7. -种太极型谐振器的频率调整方法,其特征在于,组成谐振器太极型图案的外轮廓 包括三段半圆形圆弧线,其中第一圆弧线第一端部与第二圆弧线第一端部相切形成电路阳 鱼或阴鱼图案的尾部;第三圆弧线的第一端部与第二圆弧线的第二端部相切,第三圆弧线 的第二端与第一圆弧线的第二端相切,形成电路阳鱼或阴鱼图案的头部;调节第一圆弧线 的直径和/或第二圆弧线的直径以调整谐振器的谐振频率。8. -种太极型滤波器的频率调整方法,其特征在于,调节谐振器第一圆弧线的直径和/ 或第二圆弧线的直径以调整谐振器的谐振频率,和/或,调整两谐振器中心点的距离以调整 滤波器频率响应及耦合参数。
【文档编号】H01P1/203GK106058412SQ201610317669
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】罗显虎, 羊恺, 华克钊, 黄笑庭, 李怀明, 刘波, 杨超伟, 赵浩辰, 任向阳
【申请人】电子科技大学
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