基于混合电磁耦合的悬置带线滤波器的制作方法

本发明属于微波技术领域，涉及一种悬置带线滤波器，特别涉及基于混合电磁耦合的悬置带线滤波器，可用于无线通信系统的射频前端。

背景技术

随着现代微波无线技术的发展，对频谱资源的利用率提出了更高的要求。其中，滤波器作为无线通信系统中一个重要的组成部分，不仅对其性能提出了更高要求，如小型化，高品质因数等，同时也希望该滤波器的结构尽可能简单，重量尽可能较轻。一般情况下，滤波器多以微带线或波导的形式出现，其中微带线形式的滤波器具有低剖面的特点，波导形式的滤波器具有高功率容量的特点。但同时，微带线形式的滤波器存在品质因数低的缺点，不能适用于对滤波器品质因数要求较高的应用中，而矩形波导形式的滤波器由于其体积大，重量重，不适用于需要小体积，重量轻滤波器的应用。考虑到上述微带线及波导形式滤波器的上述缺点，随着出现的悬置带线滤波器，并结合其它结构形式，可以在一定程度上解决来上述品质因数低，重量大的问题。其中，悬置带线滤波器是将谐振器结构以印制电路技术，印制在介质基板上，并悬置在金属外腔内部，构成了悬置带线形式的滤波器。相较于微带线形式的滤波器，悬置带线形式的滤波器具有远大于微带线形式的品质因数；由于其结构特点，使得悬置带线形式的滤波器相对于波导形式的滤波器具有重量较轻的优点，且适用于一些板级电路应用场景。同时由于悬置带线形式的阻抗变化范围较宽，不仅可以根据需求设计宽带的滤波器，也可以与交指结构、梳状线结构或其他结构相结合，设计出窄带滤波器。

关于设计小型化，结构简单，且带外选择性好的滤波器方法，相关学者针对其某一需求，做出了许多研究。例如，2005年，wolfgangmenzel等人在ieeeonmicrowavetheoryandtechniques期刊(vol.53,no.10,pp.3230-3237,2005)上发表了“quasi-lumpedsuspendedstriplinefiltersanddiplexers”，在悬置带线这种结构上提出了一种新的谐振单元结构，并设计了一款五阶带通滤波器展示了悬置带线结构在滤波器和双工器的低损耗和小型化方面的优越性。但该方案中仅仅采用单一耦合方式且没有引入传输零点来进一步优化滤波器的带外抑制，插入损耗大。2018年，giuseppevenanzoni等人在ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters期刊(vol.28no.6pp.497-499,2018)上发表了“3-d-printedquasi-ellipticalevanescentmodefilterusingmixedelectromagneticcoupling”，提出了一种基于3d打印技术的同轴谐振器带通带通滤波器，但这种滤波器由于同轴谐振器体积和重量过于庞大，不适合用于一些板级电路的应用场景。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出基于混合电磁耦合的悬置带线滤波器，以通过引入传输零点实现良好的带外选择特性，并同时简化滤波器的结构。

本发明的技术思路是：使用悬置带线形式的滤波器，利用相邻谐振单元之间的间隙，形成电耦合，其中谐振器形状为阶梯形，使得不同宽度的谐振器部分有不同大小的间隙宽度，从而实现不同强度的电耦合；进一步，使用垂直于谐振器位置的耦合线，将其连接到相邻阶梯形谐振器中较窄的部分，实现磁耦合，且通过控制耦合线的位置，实现不同强度的磁耦合，即利用相邻谐振器间的空隙及与之相连的耦合线，实现电磁混合耦合，从而使得以线形排布形式的谐振器可以在带外产生传输零点，改善了滤波器的带外选择性。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案如下：

一种基于混合电磁耦合的悬置带线滤波器包括金属外腔1，悬置介质基板2，谐振器3，耦合线4和馈线5，谐振器3由多个谐振单元组成，且各谐振单元之间设有间距，其特征在于：

耦合线4垂直位于谐振器3中相邻两个谐振器之间，且与相邻谐振单元连接，以在谐振单元之间形成混合电磁耦合，通过调节耦合线4的上下位置，改变磁耦合的大小，通过调节耦合线4的长度，改变谐振单元之间的间距，调节电耦合的大小，以此实现不同强度的混合电磁耦合。

作为优选，所述金属外腔1的形状为正方体形。

作为优选，所述悬置介质基板2的形状为正方形，且悬置在金属外腔1的腔体内。

作为优选，所述谐振器3位于悬置介质基板2的上表面，且各个谐振器单元呈线形排列，形状为阶梯形，每个谐振器单元仅有一端与金属外腔1的腔壁连接，以通过阶梯形结构的宽边部分与窄边部分之间的距离大小不同，形成不同强度的电耦合。

作为优选，所述耦合线4垂直位于谐振器3中，其两端分别与相邻的阶梯形谐振器单元中较窄的部分连接。

作为优选，所述馈线5作为滤波器的输入输出端，阻抗为50欧姆，位于悬置介质基板2上表面两边侧，且分别与位于该悬置介质基板上表面的最左端及最右端谐振器单元相连接，用以实现谐振器3与滤波器输入输出的耦合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于将耦合线4垂直位于谐振器3中相邻两个谐振器之间，并与谐振器3相连接，实现了混合电磁耦合，并通过调节耦合线的上下位置，可以改变磁耦合的大小，通过调节耦合线的长度，改变谐振单元之间的间距，可以调节电耦合的大小，以此实现不同强度的混合电磁耦合，从而在通带外侧形成传输零点，改善了滤波器的通带选择特性。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维结构示意图；

图2为本发明实施例1的俯视图；

图3为本发明实施例2的三维结构示意图；

图4为本发明实施例2的俯视图；

图5为本发明实施例1的频率响应曲线图；

图6为本发明实施例2的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

参照图1和图2，本发明包括金属外腔1，悬置介质基板2，谐振器3，耦合线4和馈线5。其中：

金属外腔1形状为正方体形，材料为铜，厚度为11mm；

悬置介质基板2材料为arlonad350a，相对介电常数εr＝3.5，厚度为1mm，边长为l＝60mm，该悬置介质基板悬置在金属外腔1中；

谐振器3由两个尺寸相同的非对称阶梯形谐振单元组成，两者之间的距离为g＝2.5mm，该非对称阶梯形谐振单元中较宽部分的长为ll1＝24mm，宽为wl1＝7.4mm，较窄部分长为ls1＝24mm，宽为ws1＝3.5mm；该谐振器3中两个非对称阶梯形谐振单元以线形相对排列，其较窄部分与金属外腔1一侧的腔壁连接，通过调节两个谐振单元之间的距离g来控制两个谐振器之间电耦合的强弱；

耦合线4设为一条，长为lh1＝11.3mm，宽为wh1＝1.5mm，该耦合线4垂直位于谐振器3中两个非对称阶梯形谐振单元之间，两端分别与两个非对称阶梯形谐振单元中较窄的部分连接，且耦合线4与金属外腔1一侧之间的间距为h1＝14.5mm，通过控制h1的大小，即调节耦合线4的上下位置，实现两个谐振器之间磁耦合的强弱，通过调节耦合线4的长度，改变谐振器3中两个谐振单元之间的距离g，实现两个谐振器之间电耦合的强弱；

馈线5，宽为wf＝3mm，阻抗为50欧姆，用以实现谐振器与滤波器输入输出的耦合，该耦合线5位于悬置介质基板2两边侧，且谐振器3、耦合线4和馈线5均位于悬置介质基板的上表面。

本实施例1滤波器的频率响应曲线如图5所示，其中s21为滤波器的传输特性曲线，s11为滤波器的反射特性曲线。从图5中可以清晰看出两个谐振点，分别对应实施例1中悬置带线上的两个谐振器，同时，由于两个谐振器之间存在混合电磁耦合，因此在滤波器带外产生了一个传输零点，改善了滤波器的通带选择特性。

实施例2：

参照图3和图4，本发明包括金属外腔1，悬置介质基板2，谐振器3，耦合线4和馈线5。其中：

金属外腔1与实施例1相同；

悬置介质基板2与实施例1相同；

谐振器3由三个谐振器单元组成，其中左右两侧两个谐振器单元的形状为非对称阶梯形，其尺寸与实施例1相同，中间的谐振器单元形状为对称阶梯形，其中较宽部分长为ll2＝24mm，宽为wl2＝9.8mm，较窄部分长为ls2＝24mm，宽为ws2＝5mm，该谐振器3中三个谐振单元以线形排列，其较窄部分均与金属外腔1一侧的腔壁连接，其中左侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振器单元之间的距离为g1＝10mm，通过调节g1来控制左侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振器单元之间电耦合的强弱，其中右侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振器单元之间的距离为g2＝5.2mm，通过调节g2来控制其中右侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振器单元之间电耦合的强弱；

耦合线4共有两条，其中：

左侧的一条耦合线长为lh1＝12.5mm，宽为wh1＝1.5mm，位于谐振器3中左侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振单元之间，两端分别与左侧非对称阶梯形谐振单元和中间对称阶梯形谐振单元中较窄的部分连接，且该左侧耦合线与金属外腔1一侧之间的间距为h1＝11.5mm，通过控制h1的大小，即调节左侧耦合线的上下位置，实现左侧谐振器单元与中间对谐振器单元之间磁耦合的强弱，通过调节左侧耦合线的长度，即改变谐振器3中左侧谐振器单元与中间谐振器单元之间的距离g1，实现左侧谐振器单元与中间谐振器单元之间电耦合的强弱；

右侧的一条耦合线的长为lh2＝7.9mm，宽为wh2＝1.5mm，位于谐振器3中右侧非对称阶梯形谐振单元与中间对称阶梯形谐振单元之间，两端分别与右侧非对称阶梯形谐振单元和中间对称阶梯形谐振单元中较窄的部分连接，且该右侧耦合线与金属外腔1一侧之间的间距为h2＝11mm，通过控制h2的大小，即调节右侧耦合线的上下位置，实现右侧谐振器单元与中间谐振器单元之间磁耦合的强弱，通过调节右侧耦合线的长度，即改变谐振器3中右侧谐振器单元与中间谐振器单元之间的距离g2，实现右侧谐振器单元与中间谐振器单元之间电耦合的强弱；

馈线5与实施例1相同，且谐振器3、耦合线4和馈线5均位于悬置介质基板的上表面。

本实施例2滤波器的频率响应曲线如图6所示，其中s21为滤波器的传输特性曲线，s11为滤波器的反射特性曲线。从图6中可以清晰看出三个谐振点，分别对应该实施例2中悬置带线上的三个谐振器，同时，由于三个谐振器之间均存在混合电磁耦合，所以在滤波器带外左右两侧各产生了一个传输零点，相较于实施例1有更好的通带选择特性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。