一种具有多个传输零点的微带带通滤波器

本发明属于通信，具体涉及一种具有多个传输零点的微带带通滤波器。

背景技术：

1、滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。现代雷达、通信及测量系统通常要求滤波器具有良好的频率选择性和带外抑制等特点。在射频/微波/光频等较高频段内，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线。微带线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。基于微带线的滤波器称为微带滤波器，具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线滤波器。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有微带滤波器性能的不足，提供了一种新型微带带通滤波器，其频率响应有多个传输零点，从而具有优秀的频率选择性和带外抑制能力，而且还有小尺寸和容易加工以及低成本等其它显著优点。

2、本发明所述的微带带通滤波器如图1所示，其特征在于：第一端口(port 1)连接第一微带线节(m1)一端，第一微带线节(m1)另一端连接第二微带线节(m2)一端，第二微带线节(m2)另一端开路；第三微带线节(m3)一端通过第一金属化过孔(g1)进行接地，第三微带线节(m3)另一端开路，第三微带线节(m3)通过第一缝隙(c1)与第二微带线节(m2)进行耦合；第四微带线节(m4)一端通过第二金属化过孔(g2)进行接地，第四微带线节(m4)另一端开路，第四微带线节(m4)通过第二缝隙(c2)与第三微带线节(m3)进行耦合；第五微带线节(m5)一端通过第三金属化过孔(g3)进行接地，第五微带线节(m5)另一端开路，第五微带线节(m5)通过第三缝隙(c3)与第四微带线节(m4)进行耦合；第六微带线节(m6)一端通过第四金属化过孔(g4)进行接地，第六微带线节(m6)另一端开路，第六微带线节(m6)通过第四缝隙(c4)与第五微带线节(m5)进行耦合，第六微带线节(m6)通过第五缝隙(c5)与第三微带线节(m3)进行耦合，第六微带线节(m6)通过第六缝隙(c6)与第七微带线节(m7)进行耦合；第七微带线节(m7)一端开路，第七微带线节(m7)另一端连接第八微带线节(m8)一端，第七微带线节(m7)通过第七缝隙(c7)与第二微带线节(m2)进行耦合；第八微带线节(m8)另一端连接第二端口(port 2)。

3、进一步地，深入分析微带带通滤波器的物理机制。图2为微带带通滤波器的整体等效电路，其关于中心垂直平面左右对称，下面仅描述左半平面内的参数定义。为简化分析，用y表示第二微带线节(m2)、第三微带线节(m3)、第四微带线节(m4)、第五微带线节(m5)、第六微带线节(m6)和第七微带线节(m7)的特征导纳，θ1表示第四微带线节(m4)中位于第三缝隙(c3)至第二金属化过孔(g2)之间的部分微带线节电长度，y2e、y2o和θ2分别表示形成第三缝隙(c3)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，θ3为第四微带线节(m4)中位于第二缝隙(c2)至第三缝隙(c3)之间的部分微带线节电长度，y4e、y4o和θ4分别表示形成第二缝隙(c2)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，y5e、y5o和θ5分别表示形成第五缝隙(c5)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，θ6表示第三微带线节(m3)中位于第一缝隙(c1)至第五缝隙(c5)之间的部分微带线节电长度，y7e、y7o和θ7分别表示形成第一缝隙(c1)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，θ8为第二微带线节(m2)中位于第一缝隙(c1)至开路端之间的部分微带线节电长度，y9e、y9o和θ9分别表示形成第七缝隙(c7)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，θ10表示第二微带线节(m2)中位于第七缝隙(c7)至第一微带线节(m1)之间的部分微带线的电长度。

4、图3为其偶模等效电路，图4为其奇模等效电路。图3中的偶模输入阻抗yine为

5、

6、其中，yin3e、yin4e、yin6e和yin7e分别表示对应位置看入的输入导纳，其表达式如下：

7、

8、

9、

10、

11、a＝2y7ey7o(yin6e+jytanθ8)cos2θ7-b                            (2e)

12、b＝2j(y7e+y7o)(y7ey7o+yin6ejytanθ8)sinθ7cosθ7                    (2f)

13、c＝2j(y7e+y7o)(yin6e+jytanθ8)sinθ7cosθ7                      (2g)

14、其中，a、b和c是临时变量。

15、同样，针对图4的奇模等效电路，可以导出奇模输入导纳yino，其中yin3o、yin4o、yin6o和yin7o分别表示对应位置看入的输入导纳。

16、最终通过下面的公示确定微带带通滤波器的散射矩阵[s]，即

17、

18、其中，y0是端口特征导纳。

19、图1所示的微带带通滤波器所包含的耦合馈线结构，其特征在于：第二微带线节(m2)与第七微带线节(m7)通过第七缝隙(c7)进行耦合。耦合馈线结构的等效电路如图5所示，偶模等效电路如图6所示，奇模等效电路如图7所示。图6中的偶模输入导纳yin-even和图7中的奇模输入导纳yin-odd分别表示为

20、

21、

22、其中，y1和θ1分别表示第二微带线节(m2)中位于第七缝隙(c7)至开路端之间的部分微带线的特征导纳和电长度；y2e、y2o和θ2分别表示形成第七缝隙(c7)的平行耦合微带线的偶模特征导纳、奇模特征导纳和电长度，y3和θ3分别表示第二微带线节(m2)中位于第七缝隙(c7)至第一微带线节(m1)之间的部分微带线的特征导纳和电长度。将上两式代入到公式(3)中，并令s21＝0，得到下面公式用以确定传输零点的位置。

23、[y2ey2o-y1tanθ1(y1tanθ1+(y2e+y2o)tanθ2)]tanθ2＝0              (5)

24、基于以上的分析，本发明所述的微带带通滤波器在通带频率周围的物理特性用图8所示的耦合拓扑结构来描述。其中，s表示源端，即第一端口(port 1)；下标l表示负载端，即第二端口(port 2)；r1表示第一谐振器即一端通过第一金属化过孔(g1)进行接地另一端开路的第三微带线节(m3)；r2表示第二谐振器即一端通过第二金属化过孔(g2)进行接地另一端开路的第四微带线节(m4)；r3表示第三谐振器即一端通过第三金属化过孔(g3)进行接地另一端开路的第五微带线节(m5)；r4表示第四谐振器即一端通过第四金属化过孔(g4)进行接地另一端开路的第六微带线节(m6)。mij为归一化耦合系数，下标i或j＝s、l、1、2、3或4，即分别对应源端、负载端、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器。耦合拓扑结构的特征在于：源端s与负载端l之间有耦合，通过msl来表征；源端s与第一谐振器r1之间有耦合，通过ms1来表征；负载端l与第四谐振器r4之间有耦合，通过ml4来表征；第一谐振器r1与第四谐振器r4之间有耦合，通过m14来表征；第一谐振器r1与第二谐振器r2之间有耦合，通过m12来表征；第四谐振器r4与第三谐振器r3之间有耦合，通过m34来表征；第二谐振器r2与第三谐振器r3之间有耦合，通过m23来表征。与耦合拓扑结构对应的归一化耦合矩阵[m]如下

25、

26、本发明所述的微带带通滤波器的设计方法如下：根据微带带通滤波器的技术指标如中心频率、相对带宽和带内回波损耗，综合出归一化耦合矩阵[m]，得到理想耦合系数kij和品质因数qe，如下

27、kij＝mij·fbw(7a)

28、

29、其中，fbw是相对带宽。其次，仿真得到微带带通滤波器结构参数与实际耦合系数kij和品质因数qe的变化曲线，并基于理想耦合系数kij和品质因数qe，在这些曲线上确定对应的结构参数值作为初始值。最后，通过电磁仿真，调整结构参数值，最终使微带带通滤波器符合技术指标要求。

30、本发明所述微带带通滤波器的有益效果是：具有多个传输零点用于改善频率选择性和带外抑制、尺寸小、设计简单、容易加工以及低成本等优点。