高選擇性寬抑制的微波濾波器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信設(shè)備，雷達(dá)設(shè)備，測量儀器等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高選擇性寬抑制 的微波濾波器及其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，微波器件受到了越來越多的關(guān)注。不斷出現(xiàn)的無 線通信系統(tǒng)應(yīng)用對無線通信設(shè)備也提出了更高的要求，高性能、高可靠性、小型化、低成本 已成為新型無線通信電子設(shè)備的基本要求。微波濾波器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的重要元件之 一，它起著選擇信號的重要作用，它的性能的好壞直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量。隨著無 線通信系統(tǒng)的發(fā)展，頻譜資源日益緊張，頻率間的間隔越來越小，對濾波器也提出了更高的 要求。高選擇性、小型化已成為微波濾波器的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，同時如何在較寬帶頻段 范圍內(nèi)抑制掉其它無線信號的干擾也是是一個難點(diǎn)。
[0003] 目前市面上常使用的腔體濾波器由于尺寸較大，只適合于較高的微波頻段;基片 集成波導(dǎo)濾波器的尺寸相對于微波頻段的低端而言，其尺寸比較大，仍只適合較高頻段應(yīng) 用;而LTCC濾波器也具有生產(chǎn)工藝復(fù)雜、通帶內(nèi)插損大、投片成本高等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的高選擇性寬抑制的微波濾波器及其設(shè) 計方法解決了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高選擇性濾波器需要較多階數(shù)導(dǎo)致濾波器面積增大的問題。
[0005] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 第一方面，提供一種高選擇性寬抑制的微波濾波器，其包括通過導(dǎo)電膠粘和在一 起的PCB板和金屬載板;PCB板包括介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的上下表面均具有銅涂層;介質(zhì)基板 上表面的銅涂層包括設(shè)置在介質(zhì)基板兩端的輸入饋線和輸出饋線，輸入饋線與第一平行耦 合結(jié)構(gòu)連接，輸出饋線與第二平行耦合結(jié)構(gòu)連接；
[0007] 第一平行耦合結(jié)構(gòu)和第二平行耦合結(jié)構(gòu)上均具有一缺陷結(jié)構(gòu);第一平行耦合結(jié)構(gòu) 和第二平行耦合結(jié)構(gòu)通過設(shè)置的兩條濾波器饋線連接在一起;每條濾波器饋線上至少連接 有一個SIR諧振器;兩條濾波器饋線上設(shè)置有與介質(zhì)基板下表面銅涂層導(dǎo)通的金屬過孔。
[0008] 第二方面，提供一種高選擇性寬抑制的微波濾波器的設(shè)計方法，其包括以下步驟：
[0009] 獲取微波濾波器的中心頻率、PCB板的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和介質(zhì)基板的厚 度；
[0010] 根據(jù)介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)和厚度，計算輸入饋線和輸出饋線的寬度：
[0013] 其中，Z。為饋線的特征阻抗，^為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，h為介質(zhì)基板的厚度， 為等效介電常數(shù);η為自由空間波阻抗，w為輸入饋線或輸出饋線的寬度；
[0014] 根據(jù)微波濾波器的中心頻率計算SIR諧振器的尺寸：
[0016] 其中，lr為SIR諧振器尺寸，fo為微波濾波器的中心頻率，c為真空中光速，er為介質(zhì) 基板的相對介電常數(shù)；
[0017] 根據(jù)SIR諧振器的高低阻抗線的阻抗及阻抗比，計算高阻線電長度：
[0018] 92=a;rctan[Zi/(Z2tan9i)]
[0019] 其中，Θ:為低阻線電長度，θ2為高阻線電長度，ZjPZ^SIR諧振器的高低阻抗線的 特征阻抗；
[0020]由Chebyshev濾波器低通原型，計算出各個SIR諧振器之間的親合量；
[0022] 其中，πη,η為第i個SIR諧振器與第i+Ι個SIR諧振器之間的耦合量，F(xiàn)BW為微波濾波 器的相對帶寬，gl為低通原型參數(shù)，η為SIR諧振器的個數(shù)，1 <i<n-l;
[0023] 在微波濾波器上加入缺陷結(jié)構(gòu)，并根據(jù)微波濾波器的寄生通帶設(shè)計缺陷結(jié)構(gòu)的尺 寸；
[0024]采用三維電磁仿真對計算值輸入饋線寬度、輸出饋線寬度、諧振器的尺寸、高阻線 電長度、各個諧振器之間的耦合量和缺陷結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化；
[0025]當(dāng)所有的計算值的頻率響應(yīng)等于設(shè)定值時，輸出優(yōu)化后的輸入饋線寬度、輸出饋 線寬度、諧振器的尺寸、高阻線電長度、各個諧振器之間的耦合量和缺陷結(jié)構(gòu)的尺寸。
[0026] 與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高選擇性濾波器相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0027] 1、本方案的微波濾波器由于采用了兩個平行耦合結(jié)構(gòu)作為設(shè)計單元，在固定濾波 器階數(shù)的情況下增加量4個零點(diǎn)(兩個內(nèi)層零點(diǎn)和兩個外層零點(diǎn)，在微波濾波器通帶左右各 兩個），解決了傳統(tǒng)微帶、共面波導(dǎo)等技術(shù)在微波頻段由于Q值較低而導(dǎo)致選擇性較差的問 題。
[0028] 2、由于采用了缺陷結(jié)構(gòu)，在阻帶額外引入了陷波頻帶，抑制了濾波器的寄生通帶 的產(chǎn)生，從而大大擴(kuò)寬了該濾波器帶外抑制性能，使該微波濾波器具有較寬的帶外抑制范 圍（20dB帶外抑制范圍約四倍于中心頻率4fo)。
[0029] 3、該微波濾波器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，占用電路尺寸面積較?。閭鹘y(tǒng)具有四個零點(diǎn)濾 波器面積的2/3)，本發(fā)明采用的兩個平行耦合結(jié)構(gòu)，在引入傳輸零點(diǎn)的同時并未增加額外 的電路面積，非常有利于小型化設(shè)計。
[0030] 4、由于該微波濾波器采用平面結(jié)構(gòu)，易于與其他平面電路集成，其還具有結(jié)構(gòu)簡 單、加工成本低、制作周期短、加工方便，因而可以采用標(biāo)準(zhǔn)PCB加工工藝進(jìn)行加工。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為高選擇性寬抑制的微波濾波器的PCB板的立體圖。
[0032]圖2為PCB板的俯視圖。
[0033]圖3為PCB板的仰視圖。
[0034]圖4為寬帶響應(yīng)(S參數(shù))圖；
[0035]圖5為窄帶響應(yīng)(S參數(shù)）圖。
[0036] 其中，1、介質(zhì)基板;2、輸入饋線；3、第一平行耦合結(jié)構(gòu)；4、缺陷結(jié)構(gòu)；5、濾波器饋 線;6、SIR諧振器;7、金屬過孔;8、第二平行耦合結(jié)構(gòu);9、輸出饋線9; 10、內(nèi)層零點(diǎn)10; 11、外 層零點(diǎn)11。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā) 明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講， 只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易 見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
[0038]該高選擇性寬抑制的微波濾波器包括通過導(dǎo)電膠粘和在一起的PCB板和金屬載 板;PCB板和金屬載板通過導(dǎo)電膠粘和在一起吼，放入烤箱中烘烤2小時后取出，烘烤溫度為 150°C，該溫度在保證兩者充分粘和的同時不會破壞金屬載板。
[0039]金屬載板的大小與微波濾波器的尺寸保持一致，其厚度設(shè)計為2mm，并且采用導(dǎo)電 性良好的銅質(zhì)材料，同時其表面進(jìn)行了鍍金處理以保持良好的導(dǎo)電性以提供良好的接地效 果，鍍金層的厚度為lum。使用時，金屬載板可以作為公共地層為濾波器提供參考平面的同 時為濾波器提供物理支撐，方便微波濾波器的固定與測量。
[0040] 如圖1、圖2和圖3所不，PCB板包括介質(zhì)基板1，介質(zhì)基板1的上下表面均具有銅涂 層；設(shè)計時，優(yōu)選介質(zhì)基板1采用低損耗Rogers5880，其介電常數(shù)為2.2,損耗角正切為 0.001，介質(zhì)板厚度為0.254mm;介質(zhì)基板1的上下表面的銅涂層的厚度設(shè)置為0.035mm，其 中，介質(zhì)基板1上表面的銅涂層至覆蓋介質(zhì)基板1上表面的大部分，介質(zhì)基板1下表面的銅涂 層覆蓋介質(zhì)基板1的整個表面。
[0041] 再次參考圖1，介質(zhì)基板1上表面的銅涂層包括設(shè)置在介質(zhì)基板1兩端的輸入饋線2 和輸出饋線9,輸入饋線2和輸出饋線9的尺寸完全相同，其中，輸入饋線2和輸出饋線9均采 用50歐姆微帶線，輸入饋線2和輸出饋線9采用50歐姆微帶線的主要目的是方便測量和易于 與其他電路連接。
[0042] 輸入饋線2與第一平行耦合結(jié)構(gòu)3連接，輸出饋線9與第二平行耦合結(jié)構(gòu)8連接;優(yōu) 選第一平行耦合結(jié)構(gòu)3和第二平行耦合結(jié)構(gòu)8平行。第一平行耦合結(jié)構(gòu)3和第二平行耦合結(jié) 構(gòu)8上均具有一缺陷結(jié)構(gòu)4;第一平行耦合結(jié)構(gòu)3和第二平行耦合結(jié)構(gòu)8通過設(shè)置的兩條濾波 器饋線5連接在一起;每條濾波器饋線5上至少連接有一個SIR諧振器6;兩條濾波器饋線5上 設(shè)置有與介質(zhì)基板1下表面銅涂層導(dǎo)通的金屬過孔7。
[0043] 本方案優(yōu)選在每條濾波器饋線5上各設(shè)置兩個SIR諧振器6,每個SIR諧振器6之間 采用邊緣耦合實(shí)現(xiàn)，兩個SIR諧振器6之間耦合量的大小由邊緣距離來控制。設(shè)計時，根據(jù)微 波濾波器所需的中心頻率及相對帶寬，由Chebyshev濾波器低通原型計算出各個SIR諧振器 6之間耦合量的大小，并根據(jù)耦合量大小與邊緣耦合距離的關(guān)系來確定耦合距離的大小；另 外，四個SIR諧振器6與地板的連接通過金屬化通孔，與輸入輸出的連接通過輸入饋線2和輸 出饋線9連接。
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