一种小型化平衡双通带滤波器的制作方法

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种结构紧凑、制作简单，并可用于微波电路的小型化平衡双通带滤波器。

背景技术：
：

微波通信中，滤波器是通信系统电路中最基本也是最重要的器件，它的性能指标直接影响着通信系统的性能指标。滤波器在整个通信系统中具有不可替代的作用，作为一种选频装置，其根本功能在于抑制不需要的频段的信号，而使需要的频段信号顺利通过。理想的滤波器应该是这样一种二端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内他使信号完全不能传输。其中由于平衡电路的特殊结构能够充分降低系统中共模噪声造成的影响，提高接收机的信噪比、改善发射机的效率。因此，集成电路对于平衡器件的需求会更加巨大。

目前，平衡滤波器的设计主要方法是由单信号端口带通滤波器和两个巴伦结构这两部分通过级联或者并联方式连接实现。虽然这种方式能够很好的实现平衡滤波器的性能，但是滤波器和巴伦使用电容、电感比较多，所用的空间就相对大一些，也就是说不能用于集成电路中。因此，滤波器的小型化和性能的提高将继续是两大重要课题。微波滤波器小型化通常采用的几种方法：1、采用高介电常数材料减小滤波器的尺寸。2、采用多层技术(如ltcc)减小滤波器的体积。3、采用对称结构设计滤波器等。

由于微带谐振器易于和其它微波电路集成的优点，成为目前开发微波元器件的热点。本设计中用到的对称型枝节加载谐振器就是实现手段之一，其原理在于：利用平衡滤波器的对称特性，将四端口网络简化为两个边界条件不同的二端口网络。奇模二端口和偶模二端口同时作用时，会改变原来的电场分布，相当于两个耦合谐振器，结合设计中的耦合结构，从而在保持谐振回路不变的情况下，使其结构减小，通过改变二端口之间的间隙可以对耦合强度进行控制，同时也有利于双通带的调节。通过改变谐振器结构和微带线的长度来实现滤波器性能，结构简单。常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形或折线等形式。

从现有文献来看,已经研究的平衡滤波器主要包括:ltcc、交指线耦合谐振器(滤波器)等。

技术实现要素：

为了满足微波电路技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的小型化平衡双通带滤波器。

为了实现上述目的，本发明所使用的技术方案如下：

小型化平衡双通带滤波器，所述滤波器有一对输入信号端口和一对输出信号端口，其特征在于，所述滤波器外形由两个对称的枝节加载谐振器组合而成，在保证性能良好的前提下，也保证滤波器结构的紧凑性。

所述平衡滤波器采用奇模二端口和偶模二端口即奇偶模方法激励出差模共模特型，确保了微带滤波器的通带特性以及中心频率。

所述小型化平衡双通带滤波器采用四端口结构网络，共有四条馈线，如图1阴影部分所示，信号输入和信号输出均需要一对端口来实现，分别位于结构的左侧和右侧。并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连，与耦合馈电方式相比可减小插入损耗、提高制作精度。并且利用加载谐振器耦合结构抑制共模特性，确保该滤波器的实用性。

在本发明的具体实施例子中，所述枝节加载微带线和馈线均为铜箔。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的平衡滤波器拓扑结构，即基于对称特性的小型化平衡双通带滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，测试表明：该结构的平衡双通带滤波器，拥有良好的性能特性。

附图说明

图1为本发明提供的小型化平衡双通带滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明提供的小型化平衡双通带滤波器的微带线放大型示意图。

图3为本发明的差模响应图。

图4为本发明的共模响应图。

图5为本发明的两个谐振器之间的不同耦合间距s1下的s21响应图。

图6为本发明奇偶模二端口中与输入输出端口馈线相连接的耦合线不同宽度w2下的s21响应图。

图7为本发明失去用于调节滤波器性能的加载谐振部分下的共模响应图。

图8为本发明在用于调节滤波器性能的加载谐振部分有无耦合线下的共模响应图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：

图1为本发明提供的新型小型化平衡双通带滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：奇模二端口1耦合结构；偶模二端口2耦合结构；用于调节滤波器性能的加载谐振部分3；1与3、2与3均通过微带线相连接，1与2通过谐振器3相连接，利于双通带的调节；采用四端口结构网络，共有四条馈线4，如图1阴影部分所示，信号输入和信号输出均需要一对端口来实现，分别位于结构的左侧和右侧。并采用直接馈电的方式与谐振器内部相连。并且利用加载谐振器耦合结构抑制共模特性，确保该滤波器的实用性。

本发明提出一种全新的平衡滤波器拓扑结构,采用麦克斯韦方程证明此拓扑结构，对于实际情况，由于很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，只能采用数值方法来证明，学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是hfss对提出的拓扑结构进行优化。再将优化的结构制成样品，对样品测试，用实验的方法证实该滤波器拓扑结构。

本发明新型结构的实际尺寸30mm*20.9mm；馈线宽度w3＝2.8mm。本文仿真选择的介质基板的介电常数为2.65，厚度为1mm。图2为拓扑结构微带线示意。各参数尺寸大小(单位/mm)为：l1＝19.4,l2＝11.7,l3＝2.25,l4＝2.4,l5＝10,l6＝5.8,l7＝3.45,l8＝4.1,l9＝3.5,l10＝3.5,l11＝1,l12＝2.35,l13＝3.8,t＝1.9,s1＝0.6,s2＝0.2,s3＝0.5,s4＝0.3,lp＝0.7,wp＝1.2,w1＝1.4,w2＝0.2,w3＝2.8,w4＝0.6。其中，l2、l4为奇偶模二端口枝节加载的长度、w1为奇偶模二端口枝节加载的宽度，l3为奇偶模二端口中短枝节与长枝节之间的距离，l5、(t+w3+l6)、l7为谐振器与馈线相连接部分微带线的长度，w2为谐振器与馈线相连接部分微带线的宽度，l8、l9、l10为加载谐振部分微带线长度，w4为加载谐振部分微带线宽度，lp、wp分别为滤波器非中心加载枝节的长度和宽度，l11为奇偶模二端口与加载谐振部分之间的距离，l12为加载谐振内部与滤波器非中心加载枝节之间的距离，l13和w3分别为馈线4的长度和宽度，s1为对称谐振器之间的耦合距离，s2、s3为奇偶模二端口长枝节与谐振器和馈线相连部分微带线之间的耦合距离，s4为加载谐振部分的耦合距离。

滤波器的各尺寸具体说明如下：

1.两个枝节加载谐振器结构相对称，其中一个直接加载谐振器的尺寸为19.4*13.8mm，其中奇偶模二端口一长一短的枝节加载宽度为1.4mm，长度分别为11.7mm，1mm。

2.两对对称的输入输出端口，即馈线宽度为2.8mm，长度为3.8mm，与馈线相连接的馈线加载结构由宽为0.2mm，长度分别为3.45mm，10.7mm，2.2mm，10mm的枝节加载构成。

3.中间耦合结构谐振器由宽为为1.4mm，长分别为1.4mm，3.5mm和长为3.5mm，宽为0.6mm的折叠枝节构成。与其进行耦合的耦合线长度为7.3mm，宽为0.6mm。

4.谐振器里由一突出的枝节加载，其长度为0.7mm，宽度为1.2mm。

由于采用的是对称结构，故将图2中对称面以上谐振器结构作为讲解对象。以图2中小黑点5为基点(注：小黑点5不在本结构设计中，只作为标志使用)，向右有一个长为l1，宽为w1的矩形微带线作为基底；向上有一个长为l4，宽为w1的矩形微带线，是奇模二端口1中的短的加载枝节；距离奇模二端口短加载枝节向右l3长度处，有一个向上的长为l2，宽为w1的矩形微带线，是奇模二端口中长的加载枝节；在奇模二端口长加载枝节右侧耦合距离为s2处有一上下方向的长为l5，宽为w2的矩形微带线；在奇模二端口长加载枝节左侧耦合距离为s2处有一上下方向的长为(t+w3+l6)，宽为w2的矩形微带线；在奇模二端口长加载枝节左侧耦合距离为s2处有一个向左的长为l7，宽为w2的矩形微带线；在奇模二端口长加载枝节上方耦合距离为s3处有一个左右方向的长为(2*s2+2*w2+w1)，宽为w2的矩形微带线；在距离基底矩形微带线上方(l2+s3+w2-t)处有一个长为l13，宽为w3的矩形微带线，即为输入输出馈线4；在奇模二端口长枝节加载的右侧距离l11处有结构3(耦合加载谐振器)，整个结构3长为(2*l9+s4)，宽为(l8+s4+w4)。以图2中小黑点6为基点(注：小黑点6不在本结构设计中，只作为标志使用)，向上有一个长为l8，宽为w1的矩形微带线；在基点6向上距离l8处有一向右长为l9，宽为w1的矩形微带线；在距离基点6向上l8长，向右l9长处有一个向下的长为l10，宽为w4的矩形微带线；在距离基点6向右距离为l12处有一个长为lp，宽为wp的加载枝节；在加载枝节右侧距离(2*l9+w4-l12-wp-2*w1)处有一个向上的长为l8，宽为w1的矩形微带线；在距离加载枝节向上l8长，向右(2*l9+w4-l12-wp-w1)长处有一个向左的长为l9，宽为w1的矩形微带线；在加载枝节上侧距离(l8-lp)处有一个向下的长为l10，宽为w4的矩形微带线；在基点6向上距离为(l8+s4)处有一个向右的长为(2*l9+w4)，宽为w4的矩形微带线；在结构3向右距离l11处有结构2偶模二端口，其与奇模二端口1为镜面效应，因此不再赘述。

以原点(0，0)，即黑点5，为起点，+(或者不带)代表沿x,y轴正方向，—代表沿x,y负方向。在坐标(0,0)处，有一个(-w1，l1)的矩形微带线；

在坐标(0,0)处，有一个(-l4，l1)的矩形微带线；

在坐标(0,w1+l3)处，有一个(-w1-l2，w1)的矩形微带线；

在坐标(0,2*w1+l3+l11)处，有一个(-w1-l8，w1)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l8,2*w1+l3+l11)处，有一个(-w1，l9)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l8,2*w1+l3+l11+l9)处，有一个(l10，-w2)的矩形微

带线；

在坐标(-w1-l8，2*w1+l3+l11+2l9+s4)处，有一个(l8+w1，-w1)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l8，2*w1+l3+l11+l9+s4)处，有一个(w1，l9)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l8，2*w1+l3+l11+l9+s4)处，有一个(l10，w2)的矩形微带线；

在坐标(0，3*w1+l3+l11+l12)处，有一个(-w1-lp,wp)的矩形微带线；

在坐标(0，2*w1+l3+2*l11+2*l9+s4)处，有一个(-w1-l2，w1)的矩形微带线；

在坐标(0，l1)处，有一个(-l4，-w1)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l2-s3-w2，2*w1+l3+s2+w2)处，有一个(l5，-w2)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l2-s3-w2，w1+l3-s2-w2)处，有一个(w2，2*w2+w1+2*s2)的矩形微带线；

在坐标(t+l6-l2-s3，w1+l3-s2)处，有一个(-w2-l6-w1-t,-w2)的矩形微带线；

在坐标(t+l6-l2-s3，w1+l3-s2)处，有一个(-w2,-l7)的矩形微带线；

在坐标(t+l6-l2-s3，3*w1+l3+2*l11+2*l9+s2+s4)处，有一个(-w2,l7)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l2-s3-w2，3*w1+l3+2*l11+2*l9+w2+s2+s4)处，有一个(w2+l6+w1+t,-w2)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l2-s3-w2，2*w1+l3+2*l11+2*l9-w2-s2+s4)处，有一个(w2,2*w2+w1+2*s2)的矩形微带线；

在坐标(-w1-l2-s3-w2+l5，2*w1+l3+2*l11+2*l9-w2-s2+s4)处，有一个(-l5,w2)的矩形微带线；

在坐标(t+w1-l2-s3-w2，w1+l3-s2)处，有一个(-w3,-w2-l13)的矩形微带线；

在坐标(t+w1-l2-s3-w2，3*w1+l3+2*l11+2l9+s2+s4)处，有一个(-w3,w2+l13)的矩形微带线；此时，将以得出的图形作为一个整体1，绕原点顺时针旋转180度，得到一个新的整体2，然后将整体2沿x正方向平移s1的距离。此时就可以得到这个滤波器整体结构图了。

图3，图4分别给出了该滤波器仿真以及测试的差模响应图和共模响应图。有图可知所发明滤波器整体性能较好：仿真结果为第一通带中心频率为2.5ghz，3db带宽为380m，通带内插入损耗为1.82db；第二通带中心频率为6ghz，3db带宽为410m，通带内插入损耗为2.2db；共模抑制大于35db。测试结果为第一通带中心频率为2.5ghz，3db带宽为350m，通带内插入损耗为3.21db；第二通带中心频率为5.9ghz，3db带宽为390m，通带内插入损耗为3.9db；共模抑制大于40db。

图5为新型小型化双通带滤波器在其它参数不变的情况下处于对称结构的两个谐振器之间的不同耦合间距s1下的s21响应图。可以看出耦合间距为0.6mm时，s21曲线较为良好，通带为380m或410m；耦合间距为0.2mm时，s21曲线传输零点的位置基本不变，但是特性值有所减小，宽带增大；耦合间距为1mm时，s21曲线传输零点的位置基本不变，但是特性值有所增加，宽带减小。因此，s1主要影响滤波器宽带。

图6为新型小型化通带滤波器在其他参数不变的情况下奇偶模二端口中与输入输出端口馈线相连接的耦合线不同宽度w2下的s21响应图。可以看出，宽度为0.2mm时，s21曲线较为良好，有明显的双通带，且通带为380m或410m；宽度为0.05mm时，左侧的传输零点右移，右侧传输零点基本不变，第一通带带宽增大，且不稳定，第二通带表现良好，但带宽同样增大；宽度为0.35mm时，左侧与右侧的传输零点均左移。第一通带带宽增大，且不稳定，第二通带带宽减小。因此，奇偶模二端口结构影响滤波器的通带滤波特性。

图7为新型小型化平衡双通带滤波器在其他结构不变的情况下，失去结构3下的共模响应图。可以看出，有结构3时，共模抑制大于35db，有良好的共模抑制特性，能够有效地抵制外来噪声；没有结构3时，共模抑制太小，有很差的共模抑制特性，不满足滤波器基本性能要求。因此，结构3可以有效抑制共模噪声。

图8为新型小型化平衡双通带滤波器在其他结构不能变的情况下，结构3有无耦合线下的共模响应图。可以看出，有耦合线时，共模抑制大于35db，有良好的共模抑制特性；没有耦合线时，共模抑制大于25db，性能明显没有有耦合线时的好。因此此处添加的耦合线能够改善共模抑制性能。

本发明的主要创新点是将带有耦合线得加载谐振器结构运用到对称性平衡滤波器的设计中，设计出一种性能良好的平衡双通带滤波器。

2007年，平衡耦合线和阶跃阻抗变换谐振器被应用于平衡滤波器的设计。利用平衡滤波器的对称特性，将四端口网络简化为两个边界条件不同的二端口网络。奇模二端口和偶模二端口同时作用时，会改变原来的电场分布，相当于两个耦合谐振器，结合设计中的耦合结构，从而在保持谐振回路不变的情况下，使其结构减小，通过改变二端口之间的间隙可以对耦合强度进行控制，同时也有利于双通带的调节。通过改变谐振器结构和微带线的长度来实现滤波器性能，结构简单。常用微带谐振器可以是圆形、方形、环形或折线等形式。

从现有文献来看,已经研究的平衡滤波器主要包括:ltcc、交指线耦合谐振器(滤波器)等。

本发明是一种新型的小型化平衡双通带滤波器，结构紧凑，性能良好。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，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。