一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器

本发明涉及电磁场与微波，尤其涉及一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器。

背景技术：

1、5g无线通信系统的大规模商业应用方便我们生活的同时，也让我们所处的空域、时域和频域中都充斥着更多嘈杂多变的电磁信号。而且，整个微波阶段，电磁频谱资源终究有限，电磁信号使用频段的分配也逐渐紧张。因此，急需研究高性能、高选择性的微波滤波器以适应5g时代的高速无线通信系统。

2、平面微带结构具有制作形式多样化、工作频率覆盖广、体积小、重量轻、成本较低、更容易与其他器件互联集成等优点。因此在微波阶段，采用微带结构设计滤波器具有更独特的优势。理想的带通滤波器在其工作通带处是完全矩形状的，在通带外具有绝对的抑制能力，而实际应用中的滤波器往往达不到这样的效果，因此现有技术中，引入了有限频率传输零点（finite transmission zeros，ftzs）这个概念，它能够在一定程度上使实际的滤波响应更趋近于理想的滤波响应。因此，在带通滤波器中引入有限频率传输零点尤为重要。

3、微带线是非对称结构的，电磁波传输时，会造成奇偶模相速差异，所以它与实际的tem传输线有差别。但是在现有技术中，大多数的微带结构设计没有采用奇偶模分析法，他们直接认为微带线传输的波为理想的tem波，也因此将微带线认定为单模传输线，设计的滤波器为单模滤波器。这样的设计思路固然简单快捷，但是设计的带通滤波器无论是尺寸，还是在其性能和选择性上，都仍然有很大的提升空间。而且在其耦合拓扑结构上，一般也只是采用级联的方式。以上的设计思路，虽然可以引入有限频率传输零点，但是其有限频率传输零点位置可控性很差，并且通带外的抑制能力较弱，难以进一步匹配5g、e5g时代越来越苛刻的高速无线通信系统。

技术实现思路

1、针对现有带通滤波器存在有限频率传输零点位置可控性差和/或通带外的抑制能力较弱的问题，本发明提供一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，是一种具有高选择性、宽阻带、小型化、可控有限频率传输零点位置的带通滤波器。

2、本发明提供的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，包括：依次堆叠的顶层金属层、中间层介质基板和底层金属层；在所述顶层金属层上设置微带线以形成微带谐振器和微带馈电结构；所述微带谐振器包括第一单模λ/4微带谐振器、第二单模λ/4微带谐振器和一个双模λ/2 sir；所述微带馈电结构包括输入微带馈电端口和输出微带馈电端口；其中，λ表示全波长，sir表示阶梯阻抗谐振器；

3、其中，耦合路径为：所述输入微带馈电端口与所述第一单模λ/4微带谐振器耦合，所述第一单模λ/4微带谐振器与所述双模λ/2 sir耦合，所述双模λ/2 sir与所述第二单模λ/4微带谐振器耦合，所述第二单模λ/4微带谐振器与输出微带馈电端口耦合。

4、进一步地，所述输入微带馈电端口和所述输出微带馈电端口结构相同且呈镜像分布。

5、进一步地，所述输入微带馈电端口或所述输出微带馈电端口整体呈“z”形且包括位于上部的第一横向段、位于下部的第二横向段和垂直于两个横向段的竖向段；两个第一横向端之间的最小距离小于两个第二横向端之间的最小距离。

6、进一步地，所述第一单模λ/4微带谐振器和所述第二单模λ/4微带谐振器结构相同且呈镜像分布。

7、进一步地，所述第一单模λ/4微带谐振器或所述第二单模λ/4微带谐振器整体呈“n”形且包括位于前部的第一竖向段、位于后部的第二竖向段和垂直两个竖向段的横向段；两个第一竖向段之间的距离小于两个第二竖向段之间的距离。

8、进一步地，所述双模λ/2 sir整体呈“耳蜗”状镜像对称。

9、本发明的有益效果：

10、1、本发明采用盒型耦合拓扑结构设计微带带通滤波器。相比较现有技术中采用级联结构的滤波器，盒型拓扑结构具有两条主耦合路径，这样的设计可以相同阶数下，更有效的引入多个有限频率传输零点提高其高选择性和阻带抑制水平。同时，盒型耦合拓扑结构微带滤波器可以具有零位移特性，只要改变谐振器的谐振频率，同时保持其他耦合系数不变，就可以将有限频率传输零点进行频率位置移动。这也将意味着更加有效的提升了滤波器的高选择性。同时还可以调节耦合系数，调控相同带宽和工作频段下，不同传输零点的位置。相比较其他类型的拓扑结构，此类设计不仅具有高选择性，而且可以按应用需求设计阻带抑制水平。

11、2、本发明采用双模λ/2 sir构建盒型耦合拓扑结构的设计。利用双模微带谐振器拥有两条耦合路径的特性，在谐振器1和谐振器4之间构建两条物理路径就可以满足盒型耦合拓扑结构的要求（两条主耦合路径上的一个耦合系数必须是负的，而其他的耦合系数必须是正的）。这样的设计思路，有利于器件小型化，同时也避免了采用高阶谐振模式构建盒型拓扑结构时有不必要的杂散频率响应。

12、3、本发明采用λ/4微带谐振器与一个双模λ/2 sir谐振器组合的方式设计四阶带通滤波器。在物理特性上，是采用三个谐振器设计出四阶滤波器，同时采用折叠阶梯阻抗双模和λ/4微带谐振器，可以有效的减少器件的尺寸，实现小型化目标。同时，双模谐振器采用λ/2 sir设计，sir独特结构特性进一步有效的抑制了带外杂散频率响应，造成更宽的阻带带宽。

13、4、本发明采用的馈电结构是阶梯阻抗微带线，其中与源或负载相接的微带线阻抗为50 ω，是国际标准阻抗，可以适用的工程场景更为广阔，同时高阻抗微带部分也方便与谐振器阻抗匹配，避免不必要的传输损耗。更重要的是，微带馈电结构更容易与其他器件互联集成，具有更有广阔的实际应用价值和意义。

14、5、本发明提出的带通滤波器整体结构设计的工艺技术是采用单层pcb电路板印刷技术，加工简单便捷。且本发明提出的设计思想，只需要使用常用的介质基板即可实现，更加普适于微波工作频段的各类应用场景，因此，可以满足小型化、低成本，广范围的无线射频系统需求，进一步提升了市场的应用价值。

技术特征：

1.一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，包括：依次堆叠的顶层金属层、中间层介质基板和底层金属层；其特征在于，在所述顶层金属层上设置微带线以形成微带谐振器和微带馈电结构；所述微带谐振器包括第一单模λ/4微带谐振器、第二单模λ/4微带谐振器和一个双模λ/2 sir；所述微带馈电结构包括输入微带馈电端口和输出微带馈电端口；其中，λ表示全波长，sir表示阶梯阻抗谐振器；

2.根据权利要求1所述的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，其特征在于，所述输入微带馈电端口和所述输出微带馈电端口结构相同且呈镜像分布。

3.根据权利要求2所述的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，其特征在于，所述输入微带馈电端口或所述输出微带馈电端口整体呈“z”形且包括位于上部的第一横向段、位于下部的第二横向段和垂直于两个横向段的竖向段；两个第一横向端之间的最小距离小于两个第二横向端之间的最小距离。

4.根据权利要求1所述的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，其特征在于，所述第一单模λ/4微带谐振器和所述第二单模λ/4微带谐振器结构相同且呈镜像分布。

5.根据权利要求4所述的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，其特征在于，所述第一单模λ/4微带谐振器或所述第二单模λ/4微带谐振器整体呈“n”形且包括位于前部的第一竖向段、位于后部的第二竖向段和垂直两个竖向段的横向段；两个第一竖向段之间的距离小于两个第二竖向段之间的距离。

6.根据权利要求1所述的一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器，其特征在于，所述双模λ/2 sir整体呈“耳蜗”状镜像对称。

技术总结
本发明提供一种小型化盒型耦合拓扑结构平面微带滤波器。该滤波器包括：依次堆叠的顶层金属层、中间层介质基板和底层金属层；其特征在于，在所述顶层金属层上设置微带线以形成微带谐振器和微带馈电结构；所述微带谐振器包括第一单模λ/4微带谐振器、第二单模λ/4微带谐振器和一个双模λ/2 SIR；所述微带馈电结构包括输入微带馈电端口和输出微带馈电端口；其中，耦合路径为：所述输入微带馈电端口与所述第一单模λ/4微带谐振器耦合，所述第一单模λ/4微带谐振器与所述双模λ/2 SIR耦合，所述双模λ/2 SIR与所述第二单模λ/4微带谐振器耦合，所述第二单模λ/4微带谐振器与输出微带馈电端口耦合。

技术研发人员：刘庆,周东方,张德伟,钱行,麻本华,刘起坤,王建辉
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13