基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子、通讯等领域，尤其涉及一种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器 (SIR)的带通滤波器结构。
【背景技术】
[0002] 滤波器是射频微波电路设计中常用的关键元件，滤波器性能的好坏将对整个电路 的性能产生重要的影响。目前，滤波器具有多样的形式，有集总参数形式的，也有分布参数 形式；一般情况下，在1GHz以下的频段，由集总元件设计的滤波器在能够满足相关性能的 情况下具有更为紧凑的结构，所以，此时多采用集总元件来设计；在1GHz以上尤其是频率 更高的微波频段，集总元件的大小相对于传输的电磁信号的波长而言已不能够忽略，此时 一般采用分布参数形式的滤波器。基于微带线形式的滤波器一般具有较为紧凑的结构，同 时易于与平面电路集成，在射频微波电路设计中得到了广泛的运用。
[0003] 基片集成波导作为一种近十几年发展起来新型的传输线结构，在射频微波电路的 设计中得到越来越广泛的应用，尤其是在频率更高的毫米波频段更是具有低损耗、高功率 容量、易于平面集成等优势，而微带线结构在频率较高的毫米波频段会存在较大的辐射损 耗，基于基片集成波导技术设计滤波器已引起大量学者和工程师的兴趣，许多性能良好的 基片集成波导滤波器结构被提出来，在工程中也得到了广泛运用。
[0004] -般情况下，微带线结构的滤波器随着频率的升高，插入损耗会变大，所以在频率 较高的情况下，很少在用微带结构的滤波器，改用基片集成波导类等具有较小损耗的滤波 器形式。然而，在频率不是特别高的情况下（比如低于10GHz)，基片集成波导类的滤波器一 般占用较大的制版面积，而性能上相比于微带滤波器也没能体现出过多的优势，此时更多 的还是使用微带滤波器。对于处于10~20GHz频率的应用，更多时候需要在滤波器性能和 尺寸之间做出必要的权衡。所以，设计出在10~20GHz频段具有良好的性能同时具有紧凑 的结构的滤波器具有很重要的工程意义和实用价值。
[0005] 具有阶跃阻抗结构的传输线谐振器（SIR:stepped-lmpedanceResonator)作为 一种非常有用的谐振器结构已久为人知，一般而言，阶跃阻抗谐振器（SIR)可以分为Ag， λg/2,λg/4等结构，基于这些结构而设计的相关滤波器结构已大量见诸于报道，该种结构 的滤波器一般具有较为紧凑的结构，进过相关设计能够具有较好的抑制谐波的特性。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种新型四分之一波长SIR滤波器结构及设 计方法，该滤波器结构具有较好谐波抑制功能，紧凑的结构，同时在10~20GHz也能获得较 好性能。
[0007] 为达到上述目的，本发明技术方案是这样实现的：
[0008] -种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，包括上金属层、下金属层 以及位于中间的介质层，其特征在于：所述上金属层包括输入微带线、输出微带线、谐振器 结构以及馈线结构，所述谐振器结构由五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构交错排 列而成，在位于输入微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设置有 第一馈电点，在位于输出微带线侧的其中一个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构上设 置有第二馈电点；所述馈线结构包括输入馈线和输出馈线，所述输入馈线和输入馈线均为 折弯线，所述输入馈线的折弯线包括与所述输入微带线连接的第一折线，与所述第一折线 连接的第二折线以及与所述第二折线连接的第三折线，所述第一折线和第三折线位于所述 第二折线的同侧且平行；所述输出馈线的折弯线包括与所述输出微带线连接的第四折线， 与所述第四折线连接的第五折线以及与所述第五折线连接的第六折线，所述第四折线和第 六折线位于所述第五折线的同侧且平行；所述输入馈线中的第二折线与输出馈线中的第五 折线分别等距位于中间阶跃阻抗谐振器两侧且两者平行，所述第三折线的末端与所述第一 馈电点连接，所述第六折线的末端与所述第二馈电点连接。
[0009] 在所述输入微带线与第一折线之间还设置有渐变微带线，在所述输出微带线与第 四折线之间也设置有渐变微带线。
[0010] 五个四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构平行布置，包括居于中间的一个四分 之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和对称布置在两侧的各两个四分之一波长阶跃阻抗谐 振器单元结构，居于中间的四分之一波长阶跃阻抗谐振器单元结构和一侧的两个四分之一 波长阶跃阻抗谐振器单元结构之间形成两个不等距的耦合距离。
[0011] -种基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器的设计方法，其特征在于， 包括以下步骤：
[0012] 步骤一、根据工作频率、使用的板材性能参数以及谐波抑制要求等确定四分之一 波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸；
[0013] 步骤二、将确定好初步尺寸的各个四分之一波长阶跃阻抗谐振单元按交错的方式 放置排布，再根据工作带宽的要求调节不同的四分之一波长SIR单元之间的距离的大小；
[0014] 步骤三、通过调节优化输入输出馈线的宽度、位置、长短，渐变微带线的尺寸以提 尚滤波性能。
[0015] 所述四分之一波长阶跃阻抗谐振单元的初步尺寸为：
[0021] 其中：RZ为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线之间的阻抗比，ΖρZ2分别 为四分之一波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的特征阻抗值，θρ02分别为四分之一 波长阶跃阻抗谐振单元高低阻抗线对应的电长度，fSA为第一杂散频率，fc为中心频率，W为 微带线的宽度，h介质基片的厚度，\为使用的介质板材的相对介电常数，Z。为所计算的微 带线的特征阻抗，A、B为两个中间变量。
[0022] 进一步地，根据要滤除的高次谐波的要求（如需要滤除二次谐波，三次谐波等）， 可以得到对于阶跃阻抗谐振器（SIR)高低阻抗线之间的阻抗比Rz的范围要求，由此为基 础，再结合谐振条件以及所使用的板材的介电常数等可以得到SIR低阻抗线和高阻抗线分 别对应的特征阻抗值ZpZ2和电长度θρθ2，至此，各谐振单元的初始尺寸便可以确定。
[0023] 进一步地，SIR阻抗比的定义公式、第一杂散频率与SIR阻抗比之间的关系、谐振 条件等由下面相关公式给出。
[0028] 其中，Ζιη是从图1中标注的14方向看进去的输入阻抗，ΖρZ2分别为SIR低阻抗 线和高阻抗线对应的特征阻抗值，θρθ2分别为其对应的电长度，fsA为第一杂散频率，f。 为中心频率。一般，要使SIR滤波器具有谐波抑制功能，fSA要大于谐波频率。式（1)给出 了输入阻抗与SIR高低阻抗线参数之间的关系式，式（2)是SIR阻抗比的定义式，产生并联 谐振的条件是Υιη= 1/Ζιη= 0,所以，有上述等式可以很容易获得（3)式，式（4)是第一杂 散频率与SIR阻抗比艮之间的关系式。
[0029] 进一步地，微带线的特征阻抗Z。与其宽度W、基片厚度h、基片介电常数等关系有 下列算式给出，相关参数的含义如图2所示
[0033] 进一步地，根据带宽等参数要求调节各个SIR单元之间的距离至合适的值。
[0034] 最后通过调节优化输入输出馈线的位置、长短等参数可以获得优良的滤波性能。
[0035]另外，本发明还采用了紧凑的馈线结构，原理上，这种结构还能够引入多个信号传 输路径（包括源和负载的耦合），使得频率响应的上下边带都引入了传输零点，这样可以有 效地减小过渡带的带宽，提高滤波器的选择性。其特征在于，所述输入输出馈线均是向中间 弯折的折线结构（见图1);除此之外，为了能够获得良好的匹配，在馈线和50欧姆输入输 出微带线间均加入了一段微带渐变线。
[0036] 本发明滤波器采用五个SIR单元交错排列的方式，在获得良好滤波性能的同时， 具有紧凑的结构。
[0037] 本发明滤波器SIR单元交错排列还能够为采用源和负载耦合的馈线结构提供足 够的空间位置。采用结构紧凑的馈线形式，能够在滤波器频率响应的上下边带均引入传输 零点，有效减小了过渡带的带宽，提高了滤波器的选择性。
[0038] 本发明滤波器在馈线和50欧姆微带线之间加入了一段渐变微带线，可以改善匹 配性能。
[0039] 与现有技术相比，使用本发明所提出的四分之一波长SIR带通滤波器结构，不仅 在10GHz以下的微波频段具有良好的性能，在10~20GHz相对较高的频段仍具有较好的性 能，同时具有紧凑的结构，能有效抑制谐波，加工简单，成本低等优势。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明基于四分之一波长SIR的滤波器结构示意图；
[0041] 图2为本发明基于四分之一波长SIR的新型滤波器分层结构示意图；
[0042] 图3为本发明四分之一波长SIR单元结构示意图；
[0043] 图4微带线结构示意图；
[0044] 图5用于验证设计的滤波器实物仿真和测试结果对比示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图对本发明进一步的详细描述：
[0046] 如图1、图2所示，本发明基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的带通滤波器，包括 上金属层8、下金属层10以及位于中间的介质层9。其中，上金属层包括输入微带线6、输出 微带线7、谐振器结构以及馈线结构4,谐振