基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的制作方法

本发明涉及一种无反射滤波器，特别是一种基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器。

背景技术：

滤波器是无线通信收发系统中必不可少的微波设备。对于传统的带通滤波器，为了实现频率选择性，能量被不同程度的反射，给射频前端带来了大量不需要的非线性元素，使放大器工作在非线性区域，同时使转换链中的互调产物增加。为了减少射频信号的反射，可以利用前馈消除，添加无源环形器和隔离器等方法，但是要以牺牲尺寸和体积为代价。这些年来，无反射滤波器正在逐渐成为一种可行的替代方案。

无反射滤波器分为带阻和带通无反射滤波器两大类，其中无反射带阻滤波器的数量占绝大多数，对无反射带阻滤波器，又可以分为集总元件和微带线两种形式，对此做简单的介绍：集总元件形式的无反射带阻滤波器主要由声波谐振器和集总元件适当组合构成，反射负载由n个相同的级联声波集总元件谐振器和n个静态阻抗逆变器组成，通过增加反射负载中声波集总元件谐振器的数量，可以方便地放大阻带带宽；微带线形式的无反射带阻滤波器利用kuroda规则，使用四分之一波长和半波长的开路短截线来代替集总元件谐振器。对无反射带通滤波器，实现方法主要分为两大类：一种方法是由并行级联配置的全通网络实现无反射带通滤波器，但是要求其中两个不同的全通滤波器的传递函数保持对称性，并且在输入端使用宽带耦合器以改善阻带带宽；另外一种方法是基于横向信号干扰原理，然而，由于特性阻抗设计方程的限制无反射带通滤波器的带宽被约束在一个较小范围内。

由上述可知，尽管无反射带通滤波器有良好的应用前景，但是尚无高选择性窄带无反射滤波器的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器，能在一定频带内减少射频信号的反射。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器，包括单通带带通滤波器、双通带带通滤波器、无反射滤波器的输入端口、接地面、介质基板、金属化通孔、贴片电阻、无反射滤波器的输出端口和双通带带通滤波器的输出端口；

介质基板的上表面印制单通带带通滤波器、双通带带通滤波器、无反射滤波器的输入端口、无反射滤波器的输出端口和双通带带通滤波器的输出端口，介质基板的下表面印制一层金属铜皮，作为微带线的接地面；所述单通带带通滤波器由短路短截线、开路短截线、开路耦合线和第一微带传输线组成，短路短截线和开路短截线连接在开路耦合线的相邻端口，进行能量的传输，相邻两个端口分别通过两条第一微带传输线与无反射滤波器的输入端口、无反射滤波器的输出端口连接；所述双通带带通滤波器使用t型结构，信号在双通带带通滤波器传输时有两条路径，对于第一条路径，两个开路耦合线连接在两个第二微带传输线的中心，开路短截线位于两个开路耦合线的中心；对于第二条路径，一个短路短截线连接在第三微带传输线的中心，双通带带通滤波器的输出端口通过贴片电阻与介质基板上的接地金属化通孔相连，所述贴片电阻设置在介质基板的上表面，单通带带通滤波器和双通带带通滤波器通过无反射滤波器的输入端口连接在一起。

进一步的，单通带带通滤波器和双通带带通滤波器中均包含接地金属化通孔，且由于线宽的不同，所包含接地金属化通孔个数不同，其中双通带带通滤波器的输出端口通过贴片电阻与介质基板上的9个接地金属化通孔相连，短路短截线与介质基板上的4个接地金属化通孔相连，短路短截线与介质基板上的2个接地金属化通孔相连。

进一步的，金属化通孔的直径为0.4mm-0.6mm，金属化通孔的间距为0.3mm-0.5mm，金属化通孔距边距离为0.1mm-0.2mm。

进一步的，第一微带传输线特性阻抗为65ω，第二微带传输线特性阻抗为153ω，第三微带传输线特性阻抗为50ω。

介质基板的介电常数为2.2、2.23、2.55或2.65。

介质基板的厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.5mm。

介质基板的材料为国产聚四氟乙烯，其介电常数为2.65，厚度为1.0mm

本发明与现有发明相比，其显著优点为：(1)本发明的基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器设计方法简单灵活；(2)本发明的基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器可实现较宽范围的带宽变化；(3)本发明的基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器可增加传输零点的个数。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的工作原理图。

图2为基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的俯视图。

图3为基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的仰视图。

图4为基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的仿真与测试s参数特性对比图。

图5为基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的仿真与测试群延迟特性对比图。

具体实施方式

本发明的基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器工作原理如图1所示，包含单通带带通滤波器1、双通带带通滤波器2、无反射滤波器的输入端口3、接地面4、介质基板5、金属化通孔6、贴片电阻7、无反射滤波器的输出端口8和双通带带通滤波器的输出端口9。频带连续的单通带带通滤波器和双通带带通滤波器通过无反射滤波器的输入端口3连接在一起，单通带带通滤波器工作时，双通带带通滤波器处于阻带；双通带带通滤波器工作时，单通带带通滤波器处于阻带，构成了双工器。在双通带带通滤波器的输出端口接50ω的接地贴片电阻，那么从输入端口传输到双通带带通滤波器的能量被50ω的接地贴片电阻吸收而不会被反射，因此成为无反射滤波器。要设计高选择性的无反射窄带带通滤波器，需要相应的单频带高选择性窄带带通滤波器。相比其他单通带带通滤波器，开路/短路双谐振器构成的带通滤波器有选择性好，结构简单的优点，因此本发明中选用这种单通带带通滤波器，为了减小电路面积，可以把开路/短路双谐振器中的短路短截线、开路短截线以及开路耦合线进行适当的折叠。使用t型结构的双通带带通滤波器，其通带带宽可由开路耦合线的耦合系数调节，方便与单通带带通滤波器构成双工器。

结合图2和图3，本发明的基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器，包括单通带带通滤波器1、双通带带通滤波器2、无反射滤波器的输入端口3、接地面4、介质基板5、金属化通孔6、贴片电阻7、无反射滤波器的输出端口8和双通带带通滤波器的输出端口9。

介质基板5的上表面印制单通带带通滤波器1、双通带带通滤波器2、无反射滤波器的输入端口3、无反射滤波器的输出端口8和双通带带通滤波器的输出端口9，介质基板的下表面印制一层金属铜皮，作为微带线的接地面4，所述单通带带通滤波器1由短路短截线1-1、开路短截线1-2、开路耦合线1-3和特性阻抗为65ω的第一微带传输线1-4组成，短路短截线1-1和开路短截线1-2连接在开路耦合线1-3的相邻端口，进行能量的传输，相邻两个端口分别通过两条特性阻抗为65ω的第一微带传输线1-4与无反射滤波器的输入端口3、无反射滤波器的输出端口8连接；所述双通带带通滤波器2使用t型结构，信号在双通带带通滤波器2传输时有两条路径，对于第一条路径，两个开路耦合线2-1连接在两个特性阻抗为153ω的第二微带传输线2-4的中心，开路短截线2-2位于两个开路耦合线2-1的中心，对于第二条路径，一个短路短截线2-3连接在特性阻抗为50ω的第三微带传输线2-5的中心，双通带带通滤波器的输出端口9通过贴片电阻7与介质基板5上的接地金属化通孔6相连，所述贴片电阻7也设置在介质基板5的上表面，单通带带通滤波器1和双通带带通滤波器2通过无反射滤波器的输入端口3连接在一起。

单通带带通滤波器和双通带带通滤波器中均包含接地金属化通孔，且由于线宽的不同，所包含接地金属化通孔个数不同，金属化通孔的直径为0.4mm-0.6mm，金属化通孔的间距为0.3mm-0.5mm，金属化通孔距边距离为0.1mm-0.2mm。

介质基板的介电常数为2.2、2.23、2.55或2.65。介质基板的厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.5mm。

优选的，介质基板的材料为国产聚四氟乙烯，其介电常数为2.65，厚度为1.0mm。

具体而言，本发明为单层pcb结构，介质基板5上下表面为金属铜皮，其中上表面为微带线结构，下表面为金属地。单通带带通滤波器1和双通带带通滤波器2通过无反射滤波器的输入端口3相连，单通带带通滤波器1中的短路短截线1-1有2个金属化通孔，双通带带通滤波器2中的短路短截线2-3有4个金属化通孔，贴片电阻7接地所连接的金属化通孔有9个，一共15个金属化通孔6用以连接上下铜皮。在双通带带通滤波器的输出端口9加载贴片电阻7，贴片电阻7的另一端接地。

所述介质基板5的介电常数εr为2.65，厚度为1mm。介电常数可选范围是2.2-2.65，厚度可选范围是0.5mm-1.5mm。

所述基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器上下保留10mm的距边间距，其输入输出端均为50ω微带线。

下面结合实施例对本发明进行细化说明。

实施例

完整的电路板尺寸为92.62mm×60.02mm；输入输出端50ω微带线的线宽为2.72mm，为焊接sma接头，50ω微带线的线长为10mm。为了尽量避免单通带带通滤波器和双通带带通滤波器之间的耦合，它们上下的间距为4.09mm。微带线的弯折会导致微带线的不连续性，为了减小拐角的并联电容效应，采用切角处理，切角为等腰直角三角形，三角形的直角边边长与切角所在微带线线宽一致。单通带带通滤波器中的微带线和耦合线都没有进行切角，其中开路短截线的线宽为1.78mm，弯折后横向微带线长度为16.58mm，纵向微带线长度为6.34mm，短路短截线的线宽也是1.78mm，其总线长为44.1mm，开路耦合线的线宽为0.44mm，缝隙为0.35mm，总线长为32.4mm。双通带带通滤波器中线宽为2.72mm和3.53mm的微带传输线在拐角处都进行了切角处理，双通带带通滤波器中开路耦合线的线宽为0.67mm，缝隙为0.21mm，处于加工工艺可以加工的范围内，开路耦合线的线长为25.75mm，为了实现无反射特性，在双通带带通滤波器的输出端口加载贴片电阻，其封装型号为0402，阻值为49.9ω。十五个金属化通孔的半径为0.3mm，高度为1mm。

该实例的滤波器带宽满足设计要求，测试过程中板材弯曲可能导致部分频点的匹配不是很好。如图4所示，测试结果中通带的中心频率与仿真结果相比向高频稍微移动了一些，在可接受的范围内。另外测试的通带群延迟如图5所示，虽然同样在频率上有些偏移，但是测试与仿真结果十分接近。

下面对本发明基于双工器原理的高选择性窄带无反射滤波器的制备过程进行详细描述。

(1)首先，确定无反射滤波器的中心频率和介质基板的参数，主要是介电常数和厚度。基于pcb板材的尺寸大小及总重量的考虑，厚度通常选择在0.5mm-1.6mm之间。

(2)由无反射带通滤波器的指标确定其中心频率及带宽。

(3)将单通带带通滤波器和双通带带通滤波器放置在合适的距离上，当两者间距减小，会产生不必要的耦合，需要在仿真过程中不断调试。

(4)根据步骤(3)中两个滤波器需要保持合适的距离，需要将输入端口到双通道带通滤波器的微带传输线弯折的长度选择为合适的值。

(5)双通道带通滤波器输出端口与接地金属化通孔的距离对无反射带通滤波器的影响也很大，此外还需要考虑实际加工后贴片电阻的尺寸大小以方便焊接。

(6)设计过程中可以先设计双工器，根据双工器的参数再把双通带带通滤波器的输出端口接50ω的接地贴片电阻，然后再对已经确定的电路参数进行微调，以获得最佳无反射滤波效果。

由上可知，本发明是为减少滤波器对射频信号的反射从而使无线通信收发系统更加稳定而设计，基于双工器原理，在双通带带通滤波器的输出端口接50ω的接地贴片电阻，使传递到双通带带通滤波器的能量被接地贴片电阻吸收不再反射，在一定频带内不会产生反射信号对无线通信收发系统中的其他器件造成不良影响。无反射带通滤波器在中心频率2ghz处的插损为1.43db,通带的相对带宽为8.5％，s11在1.33ghz-2.81ghz频带范围内低于-10db，具有良好的无反射滤波特性。