基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器的制作方法

本发明涉及射频微波通信技术领域，尤其涉及一种基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器。

背景技术：

在现代微波通信系统中，带通滤波器(bpf)需具有良好的选择性，带外抑制度，宽阻带以及小型化结构。传统的基于加载式谐振器的多模bpf虽然具有较好的选择性，但是存在很多寄生通带。多模谐振器通过单一谐振体，可以产生多个谐振模式，因此，运用多模谐振器设计微波器件可以有效减小器件尺寸。多模谐振器虽然已经被提出，但只是运用于宽带滤波器的设计。现有技术中的带通滤波器的通带选择性和阻带抑制度不高，不能满足现代微波通信系统的需求。

技术实现要素：

本发明的主要目的提供一种基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器，通过四模缺陷地式谐振器和微带阶梯阻抗谐振器组合而成，能够产生六个传输零点，具有较高的通带选择性，也具有较高的阻带抑制度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器，包括pcb介质板、四模缺陷地式谐振器、两根微带馈线及微带阶梯阻抗谐振器，所述四模缺陷地式谐振器刻蚀在pcb介质板的一表面，两根微带馈线和微带阶梯阻抗谐振器分别刻蚀在pcb介质板的另一表面，其中：

所述四模缺陷地式谐振器的形状关于该四模缺陷地式谐振器的第一中心轴线对称，并且关于该四模缺陷地式谐振器的第二中心轴线对称，第一中心轴线与第二中心轴线相互垂直；

所述四模缺陷地式谐振器包括第一谐振单元和四个第二谐振单元，第一谐振单元由第一槽线、第二槽线和第三槽线构成，第二谐振单元由第四槽线、第五槽线和第六槽线构成；四个第二谐振单元的一端分别连接第一谐振单元的四端，每一个第二谐振单元向第一中心轴线延伸并向四模缺陷地式谐振器的中心弯折；位于第一中心轴线或者第二中心轴线同侧的两个第二谐振单元之间隔有间隔；

两根微带馈线的前端分别延伸到pcb介质板的边缘形成两个端口，两根微带馈线的末端分别从位于第一槽线同侧的两条第四槽线向第一中心轴线延伸并终止靠近第二谐振单元的闭口处，两根微带馈线关于第一中心轴线对称，两根微带馈线末端之间的间距靠近，两根微带馈线形成源载耦合的馈电结构；

所述微带阶梯阻抗谐振器的形状关于第一中心轴线对称，且所述微带阶梯阻抗谐振器靠近两根微带馈线，所述微带阶梯阻抗谐振器包括两个第三谐振单元以及一个第四谐振单元，两个第三谐振单元的末端间距等于两根微带馈线末端之间的间距，两个第三谐振单元靠近第一中心轴线的两个末端分别与第四谐振单元的开口端连接。

优选的，所述第一槽线的一端连接第二槽线的中部，第一槽线的另一端连接第三槽线的中部，第二槽线和第三槽线平行并均与第一槽线垂直；第四槽线的一端连接第二槽线或者第三槽线的另一端，并向第一中心轴线延伸，第四槽线的另一端连接第五槽线的一端，第五槽线的另一端连接第六槽线的一端，并向第二中心轴线延伸，第四槽线和第六槽线平行并与第五槽线垂直。

优选的，部分所述第一槽线、位于第一槽线一侧的第二槽线或者第三槽线、位于第一槽线一侧的同一第二谐振单元中的第四槽线、第五槽线和第六槽线包围的pcb介质板形成第一极板，该第一极板的形状为l形，第一极板的数量为两个，两个第一极板关于第一中心轴线轴对称。

优选的，部分所述第一槽线、位于第一槽线另一侧的第二槽线或者第三槽线、位于第一槽线另一侧的同一第二谐振单元中的第四槽线、第五槽线和第六槽线包围的pcb介质板形成第二极板，第二极板的形状为l形，第二极板的数量为两个，两个第二极板关于第一中心轴线轴对称。

优选的，所述第一槽线的长度为l1＝23.5mm、宽度为w1＝0.68mm；第二槽线和第三槽线的长度均为l2＝12mm；第二槽线和第三槽线的宽度均为w2＝0.3mm；第四槽线的长度为l3＝11.05mm、宽度为w3＝0.3mm；第五槽线的长度为l4＝2.8mm、宽度为w3＝0.3mm；第六槽线的长度为l5＝7.3mm、宽度为w3＝0.3mm；位于第一槽线同侧的两条第五槽线之间的距离为s1＝0.8mm，第一槽线与第六槽线之间的距离为s2＝2.27mm。

优选的，所述第三谐振单元包括第一微带线和第二微带线，第一微带线的一端连接至第二微带线的一端，第一微带线的长度大于第二微带线的长度，第一微带线和第二微带线的宽度相同；所述第四谐振单元包括第三微带线、两根第四微带线、两根第五微带线以及两根第六微带线，第三微带线的两端分别连接两根第四微带线的一端，两根第四微带线的另一端分别连接两根第五微带线的一端，两根第五微带线的另一端分别连接两根第六微带线的一端，两根第六微带线的一端作为第四谐振单元的开口端。

优选的，所述第四谐振单元的第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线的宽度均相同，且小于第三谐振单元的第一微带线和第二微带线的宽度，其中：

第一微带线的长度l6＝11.4mm，第二微带线的长度l7＝6.4mm，第一微带线和第二微带线的宽度w6＝1.0mm，第二微带线与两根微带馈线之间的间距为g＝0.3mm；

第三微带线、第四微带线、第五微带线和第六微带线的宽度均为w8＝0.4mm，第三微带线的长度l11＝7.6mm，第四微带线的长度l10＝2.58mm，第五微带线的长度为l9＝6.5mm，第六微带线的长度为l8＝1.5mm。

优选的，所述第一谐振单元的形状为h形、或者为准h形，第二谐振单元的形状为l形、准l形、u形、或者为准u形，所述第三谐振单元的形状为l形或准l形，第四谐振单元的形状为开口的凸形。

优选的，所述两根微带馈线分别和第一槽线同侧的两条第四槽线的位置对应且关于第一中心轴线对称，微带馈线的宽度比第四槽线的宽度宽，所述微带馈线的末端终止于靠近第五槽线处，每一根微带馈线的靠近第二中心轴线的边缘到第四槽线的远离第二中心轴线的边缘的距离为d1＝1.35mm。

优选的，所述两根微带馈线末端之间的间距d2＝1.6mm，每一根微带馈线的宽度为w0＝2.34mm，每一根微带馈线的阻抗均为50ω。

相较于现有技术，本发明所述基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器，基于四模缺陷地式谐振器和微带阶梯阻抗谐振器组合而成，不仅加工简单成本低廉，而且可以产生三个基本传输通带，形成三通带滤波结构，因此被广泛应用于宽带和多频段射频微波通信中。由于四模缺陷地式谐振器是在馈电平面上开槽获得，因此不需要增加额外谐振体，具有缩小三通带滤波器尺寸的功能。由于两根微带馈线与四模缺陷地式谐振器和微带阶梯阻抗谐振器之间的耦合强度差别，因此该三通带滤波器一共具有六个传输零点，具有极高的通带选择性，且也具有较高的阻带抑制度。

附图说明

图1是本发明基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器的整体结构示意图；

图2是本发明三通带滤波器中的四模缺陷地式谐振器刻蚀在pcb介质板下底面的结构示意图；

图3为四模缺陷地式谐振器中的第一谐振单元的结构图；

图4为四模缺陷地式谐振器中的第二谐振单元的结构图；

图5是本发明三通带滤波器中的两根微带馈线和微带阶梯阻抗谐振器刻蚀在pcb介质板上表面的结构示意图；

图6为微带阶梯阻抗谐振器中的第三谐振单元的结构图；

图7为微带阶梯阻抗谐振器中的第四谐振单元的结构图；

图8是本发明基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器的pcb仿真与电路仿真结果示意图；

图8为具有较窄带宽第一、第三通带的三通带滤波器的s参数示意图；

图9为具有较宽带宽第一、第三通带的三通带滤波器的s参数示意图；

图10为本发明三通带滤波器的s参数的测量结果与仿真结果示意图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，图1是本发明基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器的整体结构示意图。在本实施例中，本发明提出的三通带滤波器包括四模缺陷地式谐振器(qmdgsr)1、射频地平面2、两根微带馈线3以及微带阶梯阻抗谐振器(msir)4。所述四模缺陷地式谐振器1刻蚀在pcb介质板10的一表面(例如下表面，参考图2所示)，该表面没有刻蚀四模缺陷地式谐振器1的剩余部分称作为射频地平面2，两根微带馈线3和微带阶梯阻抗谐振器4分别刻蚀在pcb介质板10的另一表面(例如上表面，参考图5所示)。所述pcb介质板10为一种金属介质板，该pcb介质板10的厚度为0.79mm，介电常数为2.34。

参考图2所示，图2是本发明三通带滤波器中的四模缺陷地式谐振器刻蚀在pcb介质板下底面的结构示意图。所述四模缺陷地式谐振器1具有上下和左右均为对称的结构，使得该四模缺陷地式谐振器1同时具有四个谐振模式，每一谐振模式的谐振频率具有良好的可调性。所述四模缺陷地式谐振器1的形状和结构具体描述如下：所述四模缺陷地式谐振器1的形状关于该四模缺陷地式谐振器1的第一中心轴线ab对称，并且关于该四模缺陷地式谐振器1的第二中心轴线cd对称，第一中心轴线ab与第二中心轴线cd相互垂直。在本实施例中，所述四模缺陷地式谐振器1包括第一谐振单元11和四个第二谐振单元12。其中，第一谐振单元11的形状为h形、或者为准h形，本实施例中定义的准h形为整体上近似于h形的形状。第二谐振单元12的形状为l形、准l形、u形、或者为准u形，本实施例中定义的准l形为整体上近似于l形，例如l形的一自由端(即不与第一谐振单元11连接的一端)可弯折较小的一段，该非常小的一段的长度相对于该自由端所在边的长度而言较短。本实施中定义的准u形为整体上近似于u形的一自由端(即不与第一谐振单元11连接的一端)可再弯折至少一次，在该每次弯折后的弯折端的长度相对于该自由端所在边的长度而言较短，从而使得整体上仍然近似于u形，不会显著影响第二谐振单元12的性能。四个第二谐振单元12的一端分别连接第一谐振单元11的四端。每一个第二谐振单元12向第一中心轴线ab延伸并向四模缺陷地式谐振器1的中心弯折，该弯折的次数为两次。四个第二谐振单元12的l形、准l形、u形或者准u形的开口均朝向四模缺陷地式谐振器1的四周。位于第一中心轴线ab同侧的两个第二谐振单元12之间隔有间隔。

参考如图3所示，图3为四模缺陷地式谐振器中的第一谐振单元的结构图。在本实施例中，所述第一谐振单元11由第一槽线111、第二槽线112和第三槽线113构成。该第一槽线111的一端连接第二槽线112的中部，第一槽线111的另一端连接第三槽线113的中部。第二槽线112和第三槽线113平行并均与第一槽线111垂直，因此，第一槽线111、第二槽线112和第三槽线113构成了h形或者准h形。

参考如图4所示，图4为四模缺陷地式谐振器中的第二谐振单元的结构图。在本实施例中，当第二谐振单元12为u形或者准u形，该第二谐振单元12由第四槽线124、第五槽线125和第六槽线126构成。第四槽线124的一端连接第二槽线112或者第三槽线113的另一端，并向第一中心轴线ab延伸，第四槽线124的另一端连接第五槽线125的一端，第五槽线125的另一端连接第六槽线126的一端，并向第二中心轴线cd延伸。第四槽线124和第六槽线126平行并与第五槽线125垂直。其中，第六槽线126的长度比第四槽线224的长度短。因此，第四槽线124、第五槽线125和第六槽线126构成了u形或者准u形。当第二谐振单元12为l形、准l形，该第二谐振单元12也可通过相应的槽线形成l形或者准l形的结构。

再参考图2所示，部分第一槽线111、位于第一槽线111一侧的第二槽线112或者第三槽线113、位于第一槽线111一侧的同一第二谐振单元12中的第四槽线124、第五槽线125和第六槽线126包围的pcb介质板形成第一极板31，该第一极板31的形状为l形。第一极板31的数量为两个(分别为与第二槽线112围成的pcb介质板和与第三槽线113围成的pcb介质板)，两个第一极板31关于第一中心轴线ab轴对称。部分第一槽线111、位于第一槽线111另一侧的第二槽线112或者第三槽线113、位于第一槽线111另一侧的同一第二谐振单元12中的第四槽线124、第五槽线125和第六槽线126包围的pcb介质板形成第二极板32，第二极板32的形状为l形。第二极板32的数量为两个(分别为与第二槽线112围成的pcb介质板和与第三槽线113围成的pcb介质板)，两个第二极板32关于第一中心轴线ab轴对称。

再参考图1所示，第一槽线111的长度为l1＝23.5mm、宽度为w1＝0.68mm；第二槽线112和第三槽线113的长度相等，均为l2＝12mm；第二槽线112和第三槽线113的宽度相等，均为w2＝0.3mm；第四槽线124的长度为l3＝11.05mm、宽度为w3＝0.3mm；第五槽线125的长度为l4＝2.8mm、宽度为w3＝0.3mm；第六槽线的长度为l5＝7.3mm、宽度为w3＝0.3mm；位于第一槽线111同侧的两条第五槽线125之间的距离为s1＝0.8mm，第一槽线111与第六槽线126之间的距离为s2＝2.27mm；

在本实施例中，由于所述两根微带馈线3分别设置在相对于四模缺陷地式谐振器1设置在pcb介质板10的另一表面，因此两根微带馈线3在pcb介质板10的另一表面上对四模缺陷地式谐振器1进行馈电。在本实施例中，两根微带馈线3的前端分别延伸到pcb介质板10的边缘形成两个端口(第一端口p1和第二端口p2)，微带馈线3的末端分别从位于第一槽线111同侧的两条第四槽线124向第一中心轴线ab延伸并终止靠近第二谐振单元12的l形、准l形、u形或者准u形的闭口处，两根微带馈线3关于第一中心轴线ab对称。需要强调的是，两根微带馈线3同时位于第一槽线111同一上侧的两条第四槽线124上，或者同时位于第一槽线111同一下侧的两条第四槽线124上，而不是位于四模缺陷地式谐振器1的对角线上的两条第四槽线124上。

优选的，两根微带馈线3和第一槽线111同侧的两条第四槽线124的位置对应，且关于第一中心轴线ab对称。微带馈线3的宽度比第四槽线124的宽度宽，使得微带馈线3覆盖部分的第四槽线124。每根微带馈线3的宽度w0优选为2.34mm，微带馈线3的另一端终止于靠近第五槽线125处，并未接触到第五槽线125。优选的，每一根微带馈线3的阻抗均为50ω，每一根微带馈线3的靠近第二中心轴线cd的边缘到第四槽线124的远离第二中心轴线cd的边缘的距离为d1，两根微带馈线3之间的间距靠近，定义两根微带馈线3末端之间的间距为d2，该间距为d2为小于5mm(即0-5mm之间的任意值)，本实施例中优选为d2＝1.6mm；由于两根微带馈线3之间的间距为d2确定，一旦pcb介质板10的长度确定(例如l0)，因此每一根微带馈线3的长度则为d0＝(l0-d2)/2。

参考图5所示，图5是本发明三通带滤波器中的两根微带馈线和微带阶梯阻抗谐振器刻蚀在pcb介质板上表面的结构示意图。在本实施例中，所述微带阶梯阻抗谐振器4的形状关于第一中心轴线ab对称，且所述微带阶梯阻抗谐振器4靠近两根微带馈线3。所述微带阶梯阻抗谐振器4与两根微带馈线3之间的间距优选为g＝0.3mm。所述微带阶梯阻抗谐振器4包括两个第三谐振单元41以及一个第四谐振单元42。第三谐振单元41的形状为l形或准l形，第四谐振单元42的形状为开口的凸形。第三谐振单元41关于第一中心轴线ab对称，因此第三谐振单元41的数量为两个，两个第三谐振单元41的末端间距等于两根微带馈线3末端之间的间距，均为d2，该间距为d2小于5mm，本实施例优选为d2＝1.6mm。两个第三谐振单元41靠近第一中心轴线ab的两个末端分别与第四谐振单元42的开口端连接。

参考图6所示，图6为微带阶梯阻抗谐振器中的第三谐振单元的结构图。在本实施例中，第三谐振单元41包括第一微带线411和第二微带线412，第一微带线411的一端连接至第二微带线412的一端形成l形或准l形的形状。第一微带线411的长度大于第二微带线412的长度，第一微带线411和第二微带线412的宽度相同，第一微带线411和第二微带线412构成的阻抗为z1。优选地，第一微带线411的长度为l6＝11.4mm，第二微带线412的长度为l7＝6.4mm，第一微带线411和第二微带线412的宽度w6＝1.0mm。第二微带线412与两根微带馈线3之间的间距优选为g＝0.3mm。

参考图7所示，图7为微带阶梯阻抗谐振器中的第四谐振单元的结构图。在本实施例中，第四谐振单元42包括第三微带线421、两根第四微带线422、两根第五微带线423以及两根第六微带线424。其中，第三微带线421的两端分别连接两根第四微带线422的一端，两根第四微带线422的另一端分别连接两根第五微带线423的一端，两根第五微带线423的另一端分别连接两根第六微带线424的一端，两根第六微带线424的一端作为第四谐振单元42的开口端，从而形成开口的凸形。构成第四谐振单元42的第三微带线421、第四微带线422、第五微带线423和第六微带线424的宽度均相同，且小于构成第三谐振单元41的第一微带线411和第二微带线412的宽度。第三微带线421、两根第四微带线422、两根第五微带线423和两根第六微带线424构成的阻抗为z2。在本实施例中，第三微带线421、第四微带线422、第五微带线423和第六微带线424的宽度优选为w8＝0.4mm。第三微带线421的长度优选为l11＝7.6mm，第四微带线422的长度优选为l10＝2.58mm，第五微带线423的长度优选为l9＝6.5mm，第六微带线424的长度优选为l8＝1.5mm。

本发明基于三通带滤波结构，由微带阶梯阻抗谐振器(msir)4与四模缺陷地式谐振器(qmdgsr)1、两根微带馈线3组合的方式构成的三通带滤波，具有很高的通带选择性。构成微带阶梯阻抗谐振器4的第三谐振单元41和第四谐振单元42的微带线的宽度不同，对应阻抗为z2和z1，为了简化设计，这两部分具有相同的电长度，即θ0。该三通带滤波器的第一谐振模式(m1)在第一通带内；第二谐振模式(m2)、三谐振模式(m3)在第二通带内；第四谐振模式(m4)在第三通带内。通过调节微带阶梯阻抗谐振器4的基次谐振模式和一阶谐振频率，可以产生另外两个谐振模式，即第五谐振模式(r1)和第六五谐振模式(r2)，并分别位于第一通带和第三通带内。其中，第五谐振模式r1的频率位于小于第一谐振模式m1的频率，第六五谐振模式r2的频率大于第四谐振模式m4的频率，通过调谐第五谐振模式r1和第六谐振模式r2的频率(fr1，fr2)来调节第五谐振模式r1与第一谐振模式m1的谐振频率间距，以及第四谐振模式m4与第六谐振模式r2的谐振频率间距，可以有效改变第一通带和第三通带的带宽，其中fr1和fr2可由如下公式(1)和(2)计算获得。

tan²θ0＝k，k＝z2/z1(1)

本发明通过调节fr1和fr2，可以分别设计出具有较窄带宽的第一、第三通带以及较宽带宽的第一、第三通带的两类三通带滤波器。如图8所示，为具有较窄带宽第一、第三通带的三通带滤波器的s参数示意图。如图9所示，为具有较宽带宽第一、第三通带的三通带滤波器的s参数示意图。其中，s11表示两端口p1和p2的反射系数，s21表示两端口p1和p2之间的传输系数。

在本发明中，由于两根微带馈线3的末端距离靠的很近(两根微带馈线3之间的间距d2为0-5mm)，因此形成了源载耦合的馈电结构。由于该源载耦合的形成，该馈电结构能够产生四个传输零点(tz1、tz2、tz3、tz4)，从而形成了三通带滤波结构。需要说明的是，只要两根微带馈线3的末端距离小于5mm，均可形成三通带特性。本发明的具体实施例d2优选为1.6mm，可以获得较好的三通带特性。由于两根微带馈线3与四模缺陷地式谐振器1和微带阶梯阻抗谐振器4之间的耦合强度差别，该三通带滤波器在第一通带下截止频率和第三通带上截止频率又产生了两个传输零点(tz5，tz6)，从而大大提高了该三通带滤波器的通带选择性。

如图10所示，图10为本发明三通带滤波器的s参数的测量结果与仿真结果示意图。从图10中可以看出，由于该三通带滤波器具有六个传输零点(tz1、tz2、tz3、tz4、tz5、tz6)，因此具有极高的通带选择性。其中，下阻带最大抑制度超过83.3db，上阻带最大抑制度超过43.9db，因此也具有较高的阻带抑制度。

本发明所述基于四模缺陷地式谐振器的三通带滤波器，基于四模缺陷地式谐振器和微带阶梯阻抗谐振器组合而成，不仅加工简单成本低廉，而且可以产生三个基本传输通带，形成三通带滤波结构，因此被广泛应用于宽带和多频段射频微波通信中。由于四模缺陷地式谐振器是在馈电平面上开槽获得，因此不需要增加额外谐振体，具有缩小三通带滤波器尺寸的功能。由于两根微带馈线与四模缺陷地式谐振器和微带阶梯阻抗谐振器之间的耦合强度差别，该三通带滤波器在第一通带下截止频率和第三通带上截止频率又产生了两个传输零点，因此该三通带滤波器一共具有六个传输零点，具有极高的通带选择性，且也具有较高的阻带抑制度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。