专利名称：半集总的小型化微波滤波器及其设计方法
技术领域：
本发明属于微波与毫米波器件的设计领域，具体涉及一种半集总的小型化微波滤波器。
背景技术：
随着无线通信系统的迅猛发展，对信号的提取与利用的要求越来越高。微波滤波器作为现代通信设备中不可缺少的关键器件之一，它能有效地滤除各种无用信号及噪声信号，降低各电路之间的信号干扰，从而保障通信设备的正常、有效工作，实现高质量的通信，进而达到频率资源的有效利用。微波滤波器在微波毫米波通信、雷达导航、电子对抗、导弹制导、测试仪表等系统中有着广泛应用，其性能优劣往往会直接影响到整个系统的性能。一般常见的微波滤波器 形式主要有以下几种波导滤波器、微带滤波器、带状线滤波器和同轴腔体滤波器等等。根据不同的应用领域，需要采用不同的结构形式来实现。而随着系统级封装技术的发展，对微波器件的小型化和高性能的需求越来越广泛。因此，作为通信系统中主要元器件之一，如何设计满足需求的微波滤波器越来越引起人们的重视，对高性能的小型化微波滤波器的研究也具有重要的意义和应用价值。传统的微波低通滤波器主要是通过集总电容与集总电感之间的谐振回路来实现，但这种方式的应用频率范围十分有限，因为在微波频段范围内集总电容和电感自身所产生的寄生电容和寄生电感会对电路的性能产生影响。采用分布式参数来实现电路结构中的集总电容和电感，可以很好地解决频率应用不够高的问题。Wu B.等人在Journalof electromagnetic waves and application 期干丨J 上发表的〈〈Equivalent-circuitanalysis and lowpass filter design of split ring resonator DGS》文章中，提出米用开口环谐振器结构结合缺陷地的结构来实现低通滤波器。Zhang J.等人在Progressin electromagnetic research 期刊上发表的《Sharp-rejection lowpass filter withcontrollable transmission zero》文章中，提出采用互补开口环谐振器来设计低通滤波器。但这些滤波器的结构较为复杂，不便于调节，且其性能也需要改善。
发明内容
为了克服上述现有技术中所存在的缺陷，本发明提供一种半集总的小型化微波滤波器，根据低通滤波器的原型电路结构，在微带传输线中间直接使用集总电容来代替传统的分布式电容，得到具有宽阻带的低通滤波特性，基于本发明的微波滤波器结构尺寸小、通带内插入损耗小、阻带频率范围宽，且便于采用标准印刷电路板工艺来加工。为实现上述目的，本发明采用的具体方案如下根据本发明的一个方面，提供一种半集总的小型化微波滤波器，包括微波介质基板、设置在所述微波介质基板上的第一端口 201、第二端口 202，还包括设置在所述微波介质基板上的如下部件
-连接在所述第一端口201与第二端口 202之间的第一微带传输线901 ；-依次连接在所述第一端口201与第二端口 202之间的第二微带传输线902、第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904、第五微带传输线905 ;其中，所述第二微带传输线902、第二集总电容302、第四微带传输线904之间形成串联谐振而产生了一个传输零点，所述第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904之间形成谐振额外产生两个传输零点；-第一集总电容301，其连接于所述第二微带传输线902连接所述第三微带传输线903的一端，所述第二微带传输线902通过所述第一集总电容301接地；-第三集总电容303，其连接于所述第五微带传输线905连接所述第四微带传输线904的一端，所述第五微带传输线905通过所述第三集总电容303接地。优选地，所述微波介质基板是有耗介质材料，相对介电常数=2. 65，介质厚度=0. 5 毫米，表面金属厚度=35微米，损耗角正切=0. 002。优选地，第一集总电容是片状电容，型号为0603，电容值大小为5. 2皮法；第二集总电容是片状电容，型号为0402，电容值大小为0. 5皮法；第三集总电容是片状电容，型号为0603，电容值大小为5. 2皮法。优选地，所述第一端口 201和第二端口 202的输入输出馈线都采用50欧姆微带线形式，并与SMA同轴接头匹配。根据本发明的另一个方面，还提供一种根据本发明提供的所述半集总的小型化微波滤波器的设计方法，包括如下步骤步骤A :在微波介质基板上设置集总电容、以及在第一端口 201与第二端口 202之间设置微带传输线，以产生三个传输零点；步骤B :根据设计参数确定微带传输线的长度以及集总电容的电容值。优选地，所述步骤A包括如下步骤-在所述第一端口201与第二端口 202之间设置第一微带传输线901 ；-在所述第一端口201与第二端口 202之间设置依次连接的第二微带传输线902、第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904、第五微带传输线905 ；-设置与所述第二微带传输线902连接所述第三微带传输线903的一端相连接的第一集总电容301 ；-设置与所述第五微带传输线905连接所述第四微带传输线904的一端相连接的第三集总电容303。优选地,所述步骤B包括如下步骤-根据低通截止频率参数确定所述第一微带传输线901的长度；-根据第二传输零点和第三传输零点的位置参数确定第二微带传输线902和第五微带传输线905的长度；-根据第三传输零点的位置参数确定第三微带传输线903和第四微带传输线904的长度；-根据阻带频率范围参数确定所述第二集总电容302的电容值，其中，所述第三传输零点为所述三个传输零点中位置最靠近通带的传输零点，所述第二传输零点为所述三个传输零点中位置次靠近通带的传输零点。
本发明的有益效果有效解决了毫米波系统中微波滤波器的结构小型化和高性能的问题，通过在微带传输线之间使用集总电容代替分布式电容，大大缩小了滤波器的面积，满足了现代通信系统小型化的要求；通带内的插入损耗小，并在阻带范围内引入了三个传输零点，增大了对寄生谐振的抑制频率范围；该滤波器结构简单，便于采用标准印刷电路板工艺来加工实现，成本低，精度高。
图I为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波 器的结构的俯视图；图2为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的的传输特性随着第二集总电容C2变化的曲线图；图3为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的的传输特性随着第三微带传输线和/或第四微带传输线的长度I变化的曲线图；图4为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的的传输特性随着第二微带传输线和/或第五微带传输线的长度a变化的曲线图；图5为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的的测试结果与仿真结果对比图。
具体实施例方式为了使本发明的技术手段、创作特征与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。本发明提供一种半集总的小型化微波滤波器，包括微波介质基板、微带传输线和集总电容。所述微带传输线刻蚀在微波介质板表面，通过在微带传输线中间采用集总电容来代替分布式电容，明显减小了电路的结构尺寸，同时在阻带内引入三个传输零点，增大了阻带的频率范围。如图I所示，为根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的俯视图，第一微带传输线901连接在第一端口 201和第二端口 202之间，通过设计所述第一微带传输线901的长度能够得到不同的低通截止频率。其中，所述第一端口 201可以为输入端口或者输出端口，相应地，所述第二端口 202为输出端口或者输入端口，这并不影响本发明的实质内容，在次不予赘述。在所述第一端口 201与第二端口 202之间还依次连接有第二微带传输线902、第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904、第五微带传输线905。第二微带传输线902和第五微带传输线905分别通过第一集总电容301和第三集总电容303与地连接。其中，所述第二微带传输线902、第二集总电容302、第四微带传输线904之间形成串联谐振而产生了一个传输零点，用来改善传输特性的陡峭度；所述第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904之间形成谐振额外产生两个传输零点，用来增加阻带频率范围的宽度。在本实施例的一个优选例中，所述微波介质基板是有耗介质材料，相对介电常数=2. 65，介质厚度=0. 5毫米，表面金属厚度=35微米，损耗角正切=0. 002。所述第一端口 201和第二端口 202的输入输出馈线都采用50欧姆微带线形式，并与SMA同轴接头匹配。如图2所示，显示了根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的传输特性随着第二集总电容C2变化的曲线图，由图可知，随着C2电容值大小变大，阻带频率范围变窄。如图3所示，显示了根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的传输特性随着第三微带传输线和/或第四微带传输线的长度I变化的曲线图，由图可知，随着I变大，第三传输零点的位置越往通带靠近，减小了阻带频率范围，其中，所述第三传输零点为所述三个传输零点中位置最靠近通带的传输零点。如图4所示，显示了根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的传输特性随着第二微带传输线和/或第五微带传输线的长度a变化的曲线图，由图可知，随着a变大，第二传输零点和第三传输零点之间的位置分的越开，其中，所述第三传输零点为所述三个传输零点中位置最靠近通带的传输零点，所述第二传输零点为所述三个传输零点中位置次靠近通带的传输零点。
如图5所示，显示了根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器的测试结果与仿真结果对比图，由对比图可知，仿真结果和测试结果基本吻合，达到了预计效果。本发明还提供了一种根据本发明提供的所述半集总的小型化微波滤波器的设计方法，包括如下步骤步骤A :在微波介质基板上设置集总电容、以及在第一端口 201与第二端口 202之间设置微带传输线，以产生三个传输零点；步骤B :根据设计参数确定微带传输线的长度以及集总电容的电容值。具体地,所述步骤A包括如下步骤-在所述第一端口201与第二端口 202之间设置第一微带传输线901 ；-在所述第一端口201与第二端口 202之间设置依次连接的第二微带传输线902、第三微带传输线903、第二集总电容302、第四微带传输线904、第五微带传输线905 ；-设置与所述第二微带传输线902连接所述第三微带传输线903的一端相连接的第一集总电容301 ；-设置与所述第五微带传输线905连接所述第四微带传输线904的一端相连接的第三集总电容303。更为具体地,所述步骤B包括如下步骤-根据低通截止频率参数确定所述第一微带传输线901的长度；-根据第二传输零点和第三传输零点的位置参数确定第二微带传输线902和第五微带传输线905的长度；-根据第三传输零点的位置参数确定第三微带传输线903和第四微带传输线904的长度；-根据阻带频率范围参数确定所述第二集总电容302的电容值，其中，所述第三传输零点为所述三个传输零点中位置最靠近通带的传输零点，所述第二传输零点为所述三个传输零点中位置次靠近通带的传输零点。综上，根据本发明提供的半集总的小型化微波滤波器通带内插入损耗小于0. 9dB，阻带内产生了三个传输零点，当以-20dB为阻带内的抑制标准时，阻带频率范围从0. 83GHz到2. 37GHz，滤波器的结构尺寸大小是0. 04 A X0. 03入。可见，本发明可以有效解决毫米波系统中微波滤波器的结构小型化和高性能的问题，通过在微带传输线之间使用集总电容代替分布式电容，大大缩小了滤波器的尺寸大小，满足了现代通信系统小型化的要求；同时该滤波器结构简单，便于采用标准印刷电路板工艺来加工实现，成本低，精度高。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。·
权利要求
1.一种半集总的小型化微波滤波器，包括微波介质基板、设置在所述微波介质基板上的第一端口(201)、第二端口(202)，其特征在于，还包括设置在所述微波介质基板上的如下部件 -连接在所述第一端口(201)与第二端口(202)之间的第一微带传输线(901)； -依次连接在所述第一端口(201)与第二端口(202)之间的第二微带传输线(902)、第三微带传输线(903)、第二集总电容(302)、第四微带传输线(904)、第五微带传输线(905)；其中，所述第二微带传输线(902)、第二集总电容(302)、第四微带传输线(904)之间形成串联谐振而产生了一个传输零点，所述第三微带传输线(903)、第二集总电容(302)、第四微带传输线(904)之间形成谐振额外产生两个传输零点； -第一集总电容(301)，其连接于所述第二微带传输线(902 )连接所述第三微带传输线(903)的一端，所述第二微带传输线(902)通过所述第一集总电容(301)接地； -第三集总电容(303 )，其连接于所述第五微带传输线(905 )连接所述第四微带传输线(904)的一端，所述第五微带传输线(905)通过所述第三集总电容(303)接地。
2.根据权利要求I所述的半集总的小型化微波滤波器，其特征在于，所述微波介质基板是有耗介质材料，相对介电常数=2. 65，介质厚度=0. 5毫米，表面金属厚度=35微米，损耗角正切=0. 002。
3.根据权利要求I所述的半集总的小型化微波滤波器，其特征在于，第一集总电容(301)是片状电容，型号为0603，电容值大小为5. 2皮法；第二集总电容(302)是片状电容，型号为0402，电容值大小为O. 5皮法；第三集总电容(303)是片状电容，型号为0603，电容值大小为5. 2皮法。
4.根据权利要求I所述的半集总的小型化微波滤波器，其特征在于，所述第一端口(201)和第二端口(202)的输入输出馈线都采用50欧姆微带线形式，并与SMA同轴接头匹配。
5.一种权利要求I所述的半集总的小型化微波滤波器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤A :在微波介质基板上设置集总电容、以及在第一端口(201)与第二端口(202)之间设置微带传输线，以产生三个传输零点； 步骤B :根据设计参数确定微带传输线的长度以及集总电容的电容值。
6.根据权利要求5所述的半集总的小型化微波滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤 -在所述第一端口(201)与第二端口(202)之间设置第一微带传输线(901)； -在所述第一端口(201)与第二端口(202)之间设置依次连接的第二微带传输线(902)、第三微带传输线(903)、第二集总电容(302)、第四微带传输线(904)、第五微带传输线(905)； -设置与所述第二微带传输线(902)连接所述第三微带传输线(903)的一端相连接的第一集总电容(301)； -设置与所述第五微带传输线(905)连接所述第四微带传输线(904)的一端相连接的第三集总电容(303)。
7.根据权利要求5所述的半集总的小型化微波滤波器的设计方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤 -根据低通截止频率参数确定所述第一微带传输线(901)的长度； -根据第二传输零点和第三传输零点的位置参数确定第二微带传输线(902)和第五微带传输线(905)的长度； -根据第三传输零点的位置参数确定第三微带传输线(903)和第四微带传输线(904)的长度； -根据阻带频率范围参数确定所述第二集总电容(302)的电容值， 其中，所述第三传输零点为所述三个传输零点中位置最靠近通带的传输零点，所述第二传输零点为所述三个传输零点中位置次靠近通带的传输零点。
全文摘要
本发明公开了一种半集总的小型化微波滤波器，其根据低通滤波器的原型电路，在微带传输线中间采用集总电容来代替传统的分布式电容，从而有效的减小了微波滤波器的尺寸大小，同时产生了宽阻带的低通滤波特性。本发明有效解决了现代通信系统中微波滤波器的结构小型化的问题，基于本发明的微波滤波器结构尺寸小、通带内插入损耗小、阻带频率范围宽，且便于采用标准印刷电路板工艺来加工、成本低、精度高。
文档编号H01P11/00GK102820503SQ20121029727
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者朱浩然, 毛军发 申请人:上海交通大学