基于微带线加载开路短路短截的三通带滤波器

技术领域：

本发明涉及到微波通信领域，是一种抗干扰性好、结构紧凑，并可用于微波电路进行滤波的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器。

背景技术：
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在现代无线通信系统中，滤波器作为一种对频率和信号有选择作用的电路或者器件，通过控制频率响应，使允许的信号几乎能够完整的通过，能够有效的抑制噪声信号的干扰。所以，在无线通信系统中，滤波器性能有着至关重要的作用，其性能的优劣将会对整个系统效率产生巨大的影响。衡量滤波器性能的主要指标有中心频率、插入损耗、回波损耗、波纹系数、阻带衰减等。微波滤波器有多种分类方式：根据其频率响应的特性可以分为最平坦滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等；根据衰减特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器等；按照滤波器的实现形式可分为微带滤波器、带状线滤波器、同轴滤波器、介质滤波器和波导滤波器等；从能源角度可分为有源和无源两种。相对于有源器件而言，无源滤波器无论是在易于集成方面，还是抗噪声干扰和传输增益方面，都有着很大的优势，这使得更多的专家和学者加入到无源滤波器的研究中。无源微带滤波器是平面结构，它可以通过调节介质的介电常数来控制器件的工作效率，并且因为其简单的结构特征以及其尺寸小、易于加工、易于和有源电路集成、成本低等许多优点，使得其在微波和射频领域得到了较为广泛的应用。

随着电磁理论和无线电应用的迅速发展，微波无线通信早己渗入人们生活的许多方面，大到神舟飞船、月球车，小到蓝牙耳机及智能手机等便携式移动终端设备之间的互联互通，人们的工作和生活己经无法离开各种通信设备带来的种种便利。滤波器作为通信设备的频率选择器件，可以抑制通信工作频带外的无用信号干扰，也可以减小信号在通信工作频带内的衰减，它的性能直接影响到微波无线通信系统的通信品质。通信系统的频分复用、选频、减少噪声、抑制干扰和镜频等功能，需要使用滤波器来实现，因此滤波器己成为通信系统射频前端中最重要的无源器件之一。在现代通信技术的高速发展推动下，系统的稳定性、可靠性和集成化程度等要求越来越苛刻。同一无线通信设备需要集成多种应用和通信模式，这些应用和通信模式对应着多种不同的工作频段，各个频段需要采用不同的滤波器来进行频带的选择。这样导致了射频前端的结构变得复杂，系统性能难以调节，电磁兼容问题加剧。更为严重的是这样导致系统中存在较为严重的噪声和电磁干扰。对于普通的单端非平衡滤波器来讲，其性能容易受到这些有害信号的影响，造成其滤波性能和频率选择性能的降低。近年来，由于平衡电路的提出和研究，实现了对系统中有害信号的有效抑制。与单端非平衡滤波器相比，平衡电路对系统中的环境噪声和电磁干扰具有本征的抑制作用。越来越多的微波器件都采用平衡结构的方式来设计，例如有源器件：功率放大器、混频器和低噪声放大器等，无源器件：滤波器、天线等多频带通滤波器是将不同通信方式集成到一个设备中而不受干扰的不可缺少的部件，其中三通带滤波器扮演者举足轻重的角色。此外，三通带滤波器还应该具有良好的通带选择性，尽可能在通带的两侧都出现传输零点，另外低损耗和较好的滤波性能也是必须具备的特性。因此，三通带滤波器受到了广泛的关注，吸引了大批的电路设计人员研究。

从现有文献来看，设计三频滤波器的主要方法有：基于多模谐振器的三频滤波器、基于谐振器(slr)和缺陷地(dgs)结构的三频滤波器、基于高温超导材料的三频滤波器、基于阶梯阻抗谐振器(sir)组成的三频滤波器、基于枝节加载技术的三频滤波器。我的发明就是利用枝节加载的方法来设计三频滤波器。

技术实现要素：

为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器。

本发明提供一种基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的拓扑结构。由于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，故采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

常见的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是hfss13.0对提出的三通带滤波器结构进行优化。

本发明是一种基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括六个弯曲的开路短截线、两个直的短路短截线、一条两端水平中间向下弯曲呈u型的微带线、两条输入输出馈线，有两个接地孔；其特征在于：所述基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器左右对称，中央设置一条左右两端水平且中间部分向下弯曲呈u型微带线；在左右两端水平微带线上的上方从左到右依次连接一对反向倒l型较短的弯曲第五开路短截线和一对倒l型较长的弯曲第六开路短截线；在左右两端水平微带线上的下方从左到右依次连接一对直的第三短路短截线和一对最长的弯曲l型第四开路短截线，其中在第三短路短截线的最下方有半径d＝0.28mm的接地孔；在左水平微带线的最左侧和右水平微带线的最右侧处，设置馈线，作为输入、输出端口。

所述的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，其特征在于：两个所述一对对称的输入、输出端口馈线宽度为w1＝2.8mm，馈线长l13＝5mm，馈线与最短弯曲的开路枝节之间的间隔为l2＝2.11mm；上半部分两个开路枝节之间的间隔为l4＝1.29mm；下半部分短路枝节与开路枝节之间的间隔为l3＝1.8mm；微带线垂直长度为l7＝5.7mm；微带线弯曲水平长度为l8＝5.1mm；所有开路、短路、折叠枝节的宽都为w2＝1mm；三对开路枝节的长分别为l5＝8.5mm，l9＝4.38mm，l10＝5mm；一对短路枝节的长为l1＝8.1mm；上半部分的折叠枝节长分别为l11＝3mm，l12＝2.95mm；下半部分的折叠枝节长为l6＝4.9mm；与馈线及各枝节相连的连接线的宽度w3＝0.9mm；圆圈为过孔，通过一对长l1＝8.1mm，宽度w2＝1mm的短路枝节接地，半径d＝0.28mm；滤波器距离介质板上边缘为w4＝2mm,距离介质板下边缘为w5＝0.6mm；滤波器整体上下高度l＝16.4mm，宽度w＝26.3mm。结构的实际尺寸24.8mm*17.2mm，其中馈线宽度为2.8mm。其中微带线，开路短截线和短路短截线都是弯曲的，从而保证了滤波器结构的紧凑性。这是滤波器的主体，相应尺寸是经过优化得来的。

所述的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，其特征在于：所述微带线、开路短截线、短路短截线和馈线材质均为铜箔。

所述基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器由于没有采用耦合结构，所以可以在每个通带中获得低插入损耗，实现了三通带滤波器良好的特性，其性能更优。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括三对弯曲的第四开路短截线、第五开路短截线、第六开路短截线、一对直的第三短路短截线、一条两端水平中间向下弯曲呈u型的微带线、两条输入输出馈线，在第三短路短截线最下方有两个半径d＝0.28mm的接地孔。所述基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器左右对称，中央设置一条左右两端水平且中间部分向下弯曲呈u型微带线；在左右两端水平微带线上的上方从左到右依次连接一对反向倒l型较短的弯曲第五开路短截线和一对倒l型较长的弯曲第六开路短截线；在左右两端水平微带线上的下方从左到右依次连接一对直的第三短路短截线和一对最长的弯曲l型第四开路短截线，其中在第三短路短截线的最下方有半径d＝0.28mm的接地孔；在左水平微带线的最左侧和右水平微带线的最右侧处，设置馈线，作为输入、输出端口。

本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，具体尺寸如下：

两个所述一对对称的输入、输出端口馈线宽度为w1＝2.8mm，馈线长l13＝5mm；馈线与最短的开路枝节之间的间隔为l2＝2.11mm；上半部分两个开路枝节之间的间隔为l4＝1.29mm；下半部分短路枝节与开路枝节之间的间隔为l3＝1.8mm；微带线垂直长度为l7＝5.7mm；微带线弯曲水平长度为l8＝5.1mm；所有开路、短路、折叠枝节的宽都为w2＝1mm；三对开路枝节的长分别为l5＝8.5mm，l9＝4.38mm，l10＝5mm；一对短路枝节的长为l1＝8.1mm；上半部分的折叠枝节长分别为l11＝3mm，l12＝2.95mm；下半部分的折叠枝节长为l6＝4.9mm；与馈线及各枝节相连的连接线的宽度w3＝0.9mm；圆圈为过孔，通过一对长l1＝8.1mm，宽度w2＝1mm的短路枝节接地，半径d＝0.28mm。滤波器距离介质板上边缘为w4＝2mm,距离介质板下边缘为w5＝0.6mm；滤波器整体上下高度l＝16.4mm，宽度w＝26.3mm。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型三通带滤波器，即基于微带线加载开路短路短截线的滤波器。将所设计的拓扑结构加工成实物并对其进行测量，结果表明，本发明滤波器整体性能较好：其中滤波器的三个通带中心频率分别为2.25ghz、4.2ghz、6.23ghz，-3db相对带宽分别为54％(1.55～2.76ghz)，8％(4.09～4.41ghz)和7％(5.98～6.40ghz)。通带内最小插入损耗s21优于-0.3db。该滤波器的插入损耗低，回波损耗高，具有良好的性能。而且滤波器的结构简单，尺寸较小，符合三通带滤波器的设计要求。

附图说明

图1为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的几何结构示意图。

图2为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的微带线结构示意图。

图3为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器中具有一条微带线，一对第四开路短截线和一对直的且在第三短路短截线最下方有半径d＝0.28mm的接地孔的第三短路短截线的二阶带通滤波器控制第一通带的理想传输线模型图。

图4为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器中具有一条微带线，两对第五开路短截线、第六开路短截线的二阶带通滤波器控制第三通带的理想传输线模型图。

图5为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器中具有一条微带线，两对第四开路短截线、第六开路短截线的三阶带通滤波器控制第二通带的理想传输线模型图。

图6为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器具有一条微带线，一对直的且在第三短路短截线最下方有半径d＝0.28mm的接地孔的第三短路短截线和三对第四开路短截线、第五开路短截线、第六开路短截线的理想传输线模型图。该结构可以实现三频响应且具有带宽可控的滤波特性，良好的通带选择性能。

图7为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的三频带通滤波器中(a)第一通带一致，(b)第二通带一致和(c)第三通带一致的s参数仿真曲线图。

图8为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的三个通带带宽的调控:(a)为第一带宽的调控图，(b)为第二带宽的调控图，(c)为第三带宽的调控图。

图9为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的s参数仿真曲线图

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为本发明提供的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器几何结构示意图，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm。该滤波器包括：六个弯曲的开路短截线、两个直的短路短截线、一条两端水平中间向下弯曲呈u型的微带线、两条输入输出馈线，有两个接地孔；其特征在于：所述基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器中央设置一条左右两端水平且中间部分向下弯曲呈u型微带线7；在左右两端水平微带线上的上方从左到右依次连接一对反向倒l型较短的弯曲第五开路短截线5和一对倒l型较长的弯曲第六开路短截线6；在左右两端水平微带线上的下方从左到右依次连接一对直的第三短路短截线3和一对最长的弯曲l型第四开路短截线4，其中在第三短路短截线3的最下方有半径d＝0.28mm的接地孔8；在左水平微带线的最左侧和右水平微带线的最右侧处，采用两条50ω微带线来作为信号输入、输出馈线。

所述的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，其特征在于：两个所述一对对称的输入、输出端口馈线宽度为w1＝2.8mm，馈线长l13＝5mm，馈线与最短弯曲的开路枝节之间的间隔为l2＝2.11mm；上半部分两个开路枝节之间的间隔为l4＝1.29mm；下半部分短路枝节与开路枝节之间的间隔为l3＝1.8mm；微带线垂直长度为l7＝5.7mm；微带线弯曲水平长度为l8＝5.1mm；所有开路、短路、折叠枝节的宽都为w2＝1mm；三对开路枝节的长分别为l5＝8.5mm，l9＝4.38mm，l10＝5mm；一对短路枝节的长为l1＝8.1mm；上半部分的折叠枝节长分别为l11＝3mm，l12＝2.95mm；下半部分的折叠枝节长为l6＝4.9mm；与馈线及各枝节相连的连接线的宽度w3＝0.9mm；圆圈为过孔，通过一对长l1＝8.1mm，宽度w2＝1mm的短路枝节接地，半径d＝0.28mm；滤波器距离介质板上边缘为w4＝2mm,距离介质板下边缘为w5＝0.6mm；滤波器整体上下高度l＝16.4mm，宽度w＝26.3mm。

所述的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，其特征在于：所述微带线、开路短截线、短路短截线和馈线材质均为铜箔。

图2为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的微带线结构示意图。

选取介电常数εr＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行实物加工制作。滤波器中包括所述的滤波器主要由一条两端水平中间向下弯曲呈u型的微带线7，一对直的第三短路短截线3，三对弯曲的第四开路短截线4、第五开路短截线5、第六开路短截线6，两条宽2.8mm的馈线，对应50欧的特征阻抗，在第三短路短截线3的最下方引入两个半径d＝0.28mm的接地孔8。

图3为本发明二阶带通滤波器的理想传输线模型图。本发明采用一条微带线7下方从左到右依次加载两个最长的第四开路短截线4和一对直的第三短路短截线3，其中在第三短路短截线3的最下方有半径d＝0.28mm的接地孔8结构，其中在微带线7的两侧从左到右依次为输入端口1和输出端口2，此结构控制第一通带中心频率。

图4为发明二阶带通滤波器的理想传输线模型图。本发明采用一条微带线7上方从左到右依次加载两对较短的第五开路短截线5、较长的第六开路短截线6结构，其中在微带线7的两侧从左到右依次为输入端口1和输出端口2，此结构控制第三通带中心频率。

图5为本发明三阶带通滤波器的理想传输线模型图。本发明采用一条微带线7上方加载两个较长的第六开路短截线6和微带线下方加载两个最长的第四开路短截线4结构，其中在微带线7的两侧从左到右依次为输入端口1和输出端口2，此结构控制第二通带中心频率。

图6为本发明三通带滤波器的理想传输线模型图，该图由图2、图3、图4所组成。本发明采用一条微带线7上方从左到右依次加载两对较短的第五开路短截线5、较长的第六开路短截线6，在微带线7下方从左到右依次加载一对直的第三短路短截线3和一对最长的l型第四开路短截线4，其中在第三短路短截线3的最下方有半径d＝0.28mm的接地孔8结构，其中在微带线7的两侧从左到右依次为输入端口1和输出端口2，由于微带线复用，保证了结构的紧凑。该结构可以实现三频响应且具有带宽可控的滤波特性，有良好的通带选择性能。

图7(a)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的三频带通滤波器中与单频带通滤波器的第一通带一致s参数仿真曲线图。

图7(b)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的三频带通滤波器中与单频带通滤波器的第二通带一致s参数仿真曲线图图

图7(c)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的三频带通滤波器中与单频带通滤波器的第三通带一致s参数仿真曲线图图

图8(a)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的不同开路枝节长度l6值时第一带宽的调控图

图8(b)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的不同开路枝节长度l11值时第二带宽的调控图

图8(c)为本发明基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器的不同开路枝节长度l12值时第三带宽的调控图

本发明是一种新型的基于微带线加载开路短路短截线的三通带滤波器，具有结构紧凑,体积小，性能良好等优点。

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。