一种三阶宽阻带5G微带滤波器的制作方法

vol. 47(4): 433-442.本文将提到的一些专用英文解释：j变换器：倒置变换器；frequency：频率；amplitude：幅度；normalized frequency：归一化频率；simulation: 仿真s参数曲线；measurement：测试s参数曲线；fbw：相对带宽；s：源；l：负载；r：谐振器。


技术实现要素：

6.综合上述问题，本发明的目的是：基于新型复合谐振器与半波长谐振器来设计高选择性宽阻带微带滤波器。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种三阶宽阻带5g微带滤波器，包括介质基板，所述介质基板上表面设有两个新型复合谐振器、一个半波长谐振器、两个j变换器和50ω馈线。所述半波长谐振器设置在所述介质基板中轴线上，第一j变换器与50ω输入馈线相连，第一新型复合谐振器由第一j变换器的终端进行抽头馈电，并且第一j变换器又与半波长谐振器进行缝隙耦合馈电。而后，半波长谐振器与第二j变换器进行缝隙耦合，第二j变换器的终端与第二新型复合谐振器进行抽头馈电，最后第二j变换器与50ω输出馈线连接。
8.较佳的，所述新型复合谐振器由一个短路枝节和一个开路枝节并联组成，所述短路枝节与开路枝节位于靠近馈线的一侧，且短路枝节靠近j变换器。
9.较佳的，采用新型的复合谐振器通过j变换器与馈线终端抽头耦合，并且整体电路是沿着所述介质基板的中心点旋转对称排布，在关于中心频点对称的地方各产生一个靠近通带的传输零点（图5中的f
z1
和f
z2
）。
10.较佳的，半波长谐振器只提供一个谐振模式，不产生传输零点。并且用两种不同的谐振器有利于实现滤波器的宽阻带抑制。
11.较佳的，组成了一种三阶滤波器的耦合拓扑结构：输入源通过j变换器终端抽头方式和缝隙耦合方式分别给新型复合谐振器和半波长谐振器馈电，所述半波长谐振器又通过缝隙耦合方式给负载进行输出，同时负载又通过另一个j变换器与另一个新型复合谐振器以抽头方式相连。
12.较佳的，根据三阶滤波器的耦合拓扑结构，综合得到对应的归一化耦合矩阵。
13.较佳的，根据归一化耦合矩阵计算得到其相应的归一化频率响应。
14.较佳的，微带滤波器工作频带设为2.515ghz-2.675ghz（移动5g频段）。
15.较佳的，电路整体体积为0.53λg×
0.26λg（λg为2.6ghz对应的导波波长）。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、采用新型复合谐振器，通过构建滤波器的耦合拓扑结构，得到滤波器的归一化耦合矩阵，进而计算得到归一化频率响应。采用两个新型复合谐振器与一个半波长谐振器不仅构成三阶带通滤波器还有效地拓宽了滤波器的阻带；2、在阻带特性上，由于新型复合谐振器属于四分之一波长谐振器谐振，在阻带上有天然的优势加上滤波器使用两种不同的谐振器，能够错开两种滤波器的高次谐波使得滤波器的阻带特性在4.6f0范围内有20db阻带抑制。
附图说明
17.图1是实施例中一种三阶宽阻带微带滤波器的电路细节示意图。
18.图2是实施例中一种三阶宽阻带微带滤波器的尺寸标注示意图。
19.图3是实施例中一种三阶宽阻带微带滤波器耦合拓扑结构示意图。
20.图4是实施例中滤波器耦合拓扑结构对应的归一化耦合矩阵示意图。
21.图5是实施例中归一化耦合矩阵对应的归一化频率响应示意图。
22.图6是实施例中三阶宽阻带微带滤波器的实物示意图。
23.图7是实施例中三阶宽阻带微带滤波器改变短路枝节长度f对传输零点影响示意图。
24.图8是实施例中三阶宽阻带微带滤波器改变开路枝节长度h对传输零点影响示意图。
25.图9是实施例中三阶宽阻带微带滤波器窄带频率响应的仿真与测试对比示意图。
26.图10是实施例中三阶宽阻带微带滤波器宽带频率响应的仿真与测试对比示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行清楚和完整地解释。
28.该三阶宽阻带滤波器的加工板材是相对介电常数为4.4厚度为1mm的fr4板材。介质板上表面为微带线，微带线覆铜的厚度为0.035mm，介质板下表面为覆铜金属地。图1是三阶宽阻带微带滤波器的电路细节示意图。图1揭示了新型复合谐振器的构成、新型复合谐振器的馈电方式以及j变换器及半波长谐振器之间的耦合方式。具体为：一种三阶宽阻带5g微带滤波器，包括介质基板，所述介质基板上表面设有第一新型复合谐振器、第二新型复合谐振器、半波长谐振器、输入馈线、输出馈线、第一j变换器和第二j变换器，所述半波长谐振器设置在所述介质基板中轴线上，所述第一j变换器一端与所述输入馈线连接，另一端对第一新型复合谐振器进行抽头馈电，所述半波长谐振器分别与所述第一j变换器和第二j变换器进行缝隙耦合馈电，所述第二j变换器的一端与所述第二新型复合谐振器进行抽头馈电，另一端与所述输出馈线连接。
29.图2是三阶宽阻带微带滤波器的标注示意图。短路枝节的接地孔半径r为0.25mm。短路枝节的位置更靠近j变换器，并将开路枝节进行弯折实现小型化。整体电路关于半波长谐振器中心旋转对称。
30.表1：图2中具体尺寸标注值，单位：mm；图3三阶宽阻带滤波器的耦合拓扑结构。s表示源，l表示负载。虚线框表示新型复合谐振器，谐振频率为f0，分别用r1和r3表示。其中节点2、节点5表示短路枝节，谐振频率为f
z1
。节点1、节点4表示开路枝节，谐振频率为f
z2
。半波长谐振器用3（r2）表示，其谐振频率也是f0。两个节点间的实线表示抽头馈电的方式，虚线表示缝隙耦合的方式。
31.根据图3的耦合拓扑结构，通过计算可得到图4的归一化耦合矩阵。
32.步骤1：设定目标滤波器指标：回波损耗为20db，两个传输零点位于
±
3j的位置，半波长谐振器与新型复合谐振器归一化谐振频率为0；步骤2：根据下面公式得到反射系数多项式和传输系数多项式：：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，n=3代表滤波器的阶数，rl为预设反射系数20db。从上式可知决定传输零点的位置，决定反射零点的位置。其中，决定反射零点的位置。其中，决定反射零点的位置。其中，将用下式替换用下式替换用下式替换将= 3，=
ꢀ‑
3，= ∞带入，并递归算出多项式和：：其中=，由预设的传输零点位置决定，由和共同决定，将 和代入到下式，并令s =：：其中，m为耦合矩阵，i为单位矩阵（来源参考文献4），通过预设的传输零点位置和回波损耗代入到公式(11)和(12)中即可将归一化耦合矩阵中的值进行综合，并得到：回波损耗代入到公式(11)和(12)中即可将归一化耦合矩阵中的值进行综合，并得到：回波损耗代入到公式(11)和(12)中即可将归一化耦合矩阵中的值进行综合，并得到：
步骤3：如图4所示，该矩阵为7
×
7的矩阵，s、l及数字1-5对应耦合拓扑结构中的节点。处于对角线的m
11 = m
44 = 3表示开路枝节在归一化频率3（通带高频处）的位置产生一个传输零点、m
22 = m
55 =
ꢀ‑
3表示归一化频率-3（通带低频处）的位置产生一个传输零点。当开路枝节与短路枝节并联谐振时，即新型复合谐振器谐振时，在归一化频率0处（通带）产生一个传输极点。m
33 = 0表示半波长谐振器r2工作在归一化频率0处（通带）产生一个传输极点。
33.当得到归一化耦合矩阵后，通过公式(13)-(17)就可计算得到归一化外部品质因素值。素值。
34.当归一化的耦合矩阵和品质因素q确定下来后，根据公式(3)-(5)就能得到该滤波器的归一化频率响应。器的归一化频率响应。
35.其中，为矩阵的逆矩阵 中第i行、第j列所对应的值，矩阵可由下面公式计算得到：矩阵为归一化耦合矩阵。为7
×
7的单位矩阵，除了 =
ꢀꢀ
= 0。矩阵为7
×
7的全零矩阵，除了 = =1，ω为归一化频率。
36.图5为三阶宽阻带滤波器的归一化频率响应。从响应中可以看到，该滤波器是三阶的带通滤波器，有三个传输极点，并且在通带对称的位置
±
3的位置上各有一个传输零点f
z1
和f
z2
，增强了滤波器的通带选择性和带外抑制。
37.将滤波器的工作频率设为移动的5g低频段：2.515ghz-2.675ghz，20db的fbw为6.17%。利用下列公式即可计算得到实际的外部q值：6.17%。利用下列公式即可计算得到实际的外部q值：图6是三阶宽阻带滤波器的加工实物图，滤波器整体大小为0.53λg×
0.26λg（λg为2.6ghz对应的导波波长）。
38.紧接着探究实际微带电路中滤波器的两个传输零点与电路结构中参数的关系。图7是探究新型复合谐振器的短路枝节长度对传输零点的影响。从图中可以得知，当只改变短路枝节长度（2.4mm-3.4mm）时，位于低频的传输零点f
z1
从高频往低频变化，并且位于高频的
传输零点f
z2
位置基本保持不变。由此可得出结论，新型复合谐振器的短路枝节长度影响传输零点f
z1
的位置。
39.图8是探究新型复合谐振器的开路枝节长度对传输零点的影响。当开路枝节长度从8mm变化到9mm，在其他尺寸参数保持不变时，传输零点f
z1
基本保持不变，位于高频的传输零点f
z2
往低频移动。因此传输零点f
z2
的位置主要由新型复合谐振器中的开路枝节长度决定。
40.图9是三阶宽阻带滤波器的窄带频率响应，其中实线为仿真曲线，虚线为测试曲线。从图中得知：在通带两侧关于中心频率大致对称的地方都有一个传输零点，提升了滤波器的带外抑制和通带选择性。仿真曲线的三个传输极点和两个大致对称的传输零点印证了之前的归一化频率响应。测试曲线较仿真曲线大致吻合。
41.图10是三阶宽阻带滤波器的宽带频率响应（1ghz-12ghz）。同样的，实线为仿真曲线，虚线为测试曲线，仿真曲线与测试曲线吻合较好。因为滤波器采用了两种不同的谐振器及的耦合方式，使得滤波器的阻带得到拓展。从图10中可知，仿真曲线在4.6f0范围内有15db的阻带抑制。测试曲线在4.6f0范围内有20db的阻带抑制。
42.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实例。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。