微带平面螺旋滤波器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波滤波器技术领域，尤其涉及一种微带平面螺旋滤波器及其设计方 法。
【背景技术】
[0002] 现有微波滤波器有很多种，其中空气腔体式滤波器和波导式滤波器体积大、成本 高、而且笨重；微机械硅腔滤波器工艺复杂、成本高；微带结构的交指型滤波器占据面积较 大；梳状滤波器虽然面积小，但其加载电容不容易实现；声表面波滤波器的通带频率不高； 其它结构或形状的微波滤波器都有体积大或面积大或带宽太窄或难于实现等缺点。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种微带平面螺旋滤波器，体积小，面积小，重量 轻，通带范围较广，采用印刷电路板工艺或薄膜工艺即可实现，成本低，且适用于几乎所有 微波频段。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明涉及一种微带平面螺旋滤波器，所述滤波器包括任 意个(个数取为N，N为正整数）分布于同一微带电路板上的谐振腔，谐振腔由微带平面螺旋 谐振器构成；所述微带电路板包括微带基片、底层地和顶层微带电路，其中，微带基片形成 于底层地之上，是支撑地和微带线的绝缘介质，顶层微带电路形成于微带基片之上，所述顶 层微带电路由微带平面螺旋谐振器构成；N阶耦合谐振腔滤波器采用N个微带平面螺旋谐 振器相互耦合实现；相邻两谐振器之间直接耦合的耦合强度由两者间距确定，非相邻谐振 器之间的容性耦合通过插入微带线来调节耦合强度，所述微带线的形状为形或H形。
[0005] 作为本发明的一种优选方案，所述微带平面螺旋谐振器是一种微带结构的任意匝 数的螺旋线圈，其一端短路接地，另一端保持开路，所述线圈由接地端至开路端的缠绕方向 为顺时针或逆时针。
[0006] 作为本发明的一种优选方案，所述螺旋线圈为正方形或长方形或圆形，所述接地 方式为金属化过孔式或金属化包边式。
[0007] 作为本发明的一种优选方案，三个谐振器按品字形排列可以构成一个耦合谐振腔 级联三角元件；四个谐振器按方形排列可以构成一个耦合谐振腔级联四角元件。级联三角 元件和级联四角元件分别可以作为更高腔数微带平面螺旋滤波器的构成元件。
[0008] 本发明同时提供上述微带平面螺旋滤波器设计方法，根据所需滤波器的特性调整 各微带平面螺旋谐振器的谐振频率、谐振器之间的耦合强度以及输入输出谐振器的有载Q 值；在微带电路板上，适当布局N个微带平面螺旋谐振器的位置，利用三维电磁场求解软件 计算并反复调整谐振器的尺寸、间距、错位距离、抽头接入位置可使微带平面螺旋滤波器的 参数与综合的滤波器参数相一致，从而设计出符合要求的微带平面螺旋滤波器。
[0009] 微带平面螺旋谐振器的等效电路为一电阻、一电容和一电感对地并联谐振电路， 电感L的值由线圈匝数、线宽、匝间距、内径、微带基片厚度、线圈金属厚度决定。电容C的 值由线圈的金属所占面积、微带基片厚度、微带基片的介电常数、线圈金属厚度决定。电阻R的值由谐振器的总损耗决定，与上述参数及微带基片介质的损耗角正切和金属电导率有 关。根据平面螺旋谐振器的这些参数，利用三维电磁场求解软件可以算出其谐振频率、品质 因数(即Q值)、等效电感、等效电容、等效电阻以及其它有用参数的值。
[0010] 作为本发明的一种优选方案，所述微带平面螺旋谐振器相邻的螺旋线段距离接地 点越近，耦合越强；所述两耦合谐振器的形状、尺寸、方位一定时，耦合强度随着两谐振器的 间距减小而增加。由于微带结构的两平面螺旋谐振器在同一平面内，且金属厚度很薄，故耦 合以感性为主，容性耦合很弱。只有当两个谐振器靠得很近时，容性耦合才会明显增加。当 两个平面螺旋谐振器的自电流均从开路端向短路端流过时，如果自磁通相互加强，则耦合 系数为正值；如果自磁通相互抵消，则耦合系数为负值。在形状、尺寸、方位一定的情况下， 平面螺旋谐振器之间的耦合系数的绝对值由两谐振器的间距决定，并随间距减小而增加。 耦合系数与螺旋谐振器相对方位有关：两螺旋谐振器相邻的螺旋线段离接地点越近时，耦 合越强；反之，越弱。
[0011] 作为本发明的一种优选方案，两个平面螺旋谐振器之间的耦合强度还与两谐振器 的相对位置有关。比如两个方形平面螺旋谐振器，如果线圈的相邻边缘相互平行且居中对 齐，则耦合最强，耦合系数的绝对值最大；如果线圈的相邻边缘相互平行但相互位于对方的 对角线上或位于对角线附近，则耦合最弱。其它条件相同的情况下，对角线上两谐振器耦合 系数的绝对值约为居中对齐时的i°/d〇%。因此通过调整两谐振器的间距和"错位"程度，可 以调整耦合系数的值。利用方形谐振器"对角线上两线圈耦合最弱"的特点，可以使不希望 的交叉耦合降到最小。
[0012] 作为本发明的一种优选方案，负载的接入方式有微带间隙电容耦合和微带抽头耦 合两种。间隙电容耦合所获得的有载Q值很高，适合于带宽极窄(如小于1%)的滤波器；抽头 耦合所获得的有载Q值较低，适合于较宽带宽(如1%~20%)的滤波器。调整负载耦合线与螺 旋谐振器的间隙，或者调整抽头离螺旋线圈接地端的距离，可以获得滤波器所需要的有载Q 值。
[0013] 作为本发明的一种优选方案，在两微带平面螺旋谐振器之间插入微带线，通过改 变微带线的长宽及其与两谐振器的间隙，来调节两谐振器之间容性耦合的强度。
[0014] 本发明的有益效果为：通过上述方法调整各微带平面螺旋谐振器的谐振频率、谐 振器之间的耦合强度以及输入输出谐振器的有载Q值，设计的微带平面螺旋滤波器，体积 小，面积小，重量轻，通带范围较广，采用印刷电路板工艺或薄膜工艺即可实现，成本低，且 适用于几乎所有微波频段；可应用于移动通信手机、移动通信基站、宽带无线接入设备、短 距离无线通信、电视、雷达、卫星通信、电子对抗等设备上。
【附图说明】
[0015] 图1为四个金属化过孔接地的微带平面螺旋谐振器结构示意图； 图2为五个接地带外侧包边接地的微带平面螺旋谐振器结构示意图； 图3为微带平面螺旋谐振器的等效电路图； 图4为两个互耦微带平面螺旋谐振器的等效电路图； 图5为任意腔微带平面螺旋滤波器的电路原理图； 图6为抽头接入式、过孔接地四腔微带平面螺旋滤波器结构示意图； 图7为通过间隙电容接入负载的两腔微带平面螺旋滤波器结构示意图； 图8通过抽头接入负载的两腔微带平面螺旋滤波器结构示意图； 图9为抽头接入式、接地带包边接地五腔微带平面螺旋滤波器结构示意图； 图10为抽头接入式、过孔接地三腔微带平面螺旋滤波器结构示意图； 图11为抽头接入式、过孔接地六腔微带平面螺旋滤波器结构示意图。
[0016]附图标记说明 1、2、3、4-微带平面螺旋谐振器，5-31形微带线，6、7-抽头微带线，8、9、10、11-过孔， 12、13、14、15_调谐块，16、17、18、19_负载接入微带线，20-抽头微带线，21、22、23、24、 25-微带平面螺旋谐振器，26-抽头微带线，27-H形微带线，28、29、30-接地带，31、32、33、 34、35-调谐块。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，附图仅为示例性说明，并未按照严格比例绘 制，而且其中可能有为描述便利而进行的局部放大、缩小，对于公知部分结构亦可能有一定 缺省；下面描述中使用的词语"前"、"后"、"左"、"右"、"上"和"下"指的是附图中的方向，词 语"内"和"外"分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0018]本发明涉及一种微带平面螺旋滤波器，包括N个分布于同一微带电路板上的谐振 腔，其中N为正整数，谐振腔由微带平面螺旋谐振器构成；微带电路板包括微带基片、底层 地和顶层微带电路，其中微带基片形成于底层地之上，顶层微带电路形成于微带基片之上， 所述顶层微带电路由微带平面螺旋谐振器构成；N阶耦合谐振腔滤波器采用N个微带平面 螺旋谐振器相互耦合实现。
[0019]本发明同时提供上述微带平面螺旋滤波器设计方法，根据所需滤波器的特性调整 各微带平面螺旋谐振器的谐振频率、谐振器之间的耦合强度以及输入输出谐振器的有载Q 值；在微带电路板上，适当布局N个微带平面螺旋谐振器的位置，利用三维电磁场求解软件 计算并反复调整谐振器的尺寸、间距、错位距离、抽头接入位置可使微带平面螺旋滤波器的 参数与综合的滤波器参数相一致，从而设计出符合要求的微带平面螺旋滤波器。
[0020] 参见图1、2,平面螺旋谐振器是一种微带结构的任意匝数的螺旋线圈，其一端短路 接地，另一端保持开路。螺旋线圈可以是正方形的，也可以是长方形的，还可以是圆形的；由 接地端到开路端的旋向可以是顺时针的，也可以是反时针的。接地方式可以采用金属化过