一种幅相双重紧耦合的SIR高频率选择性滤波器的制作方法

一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器
技术领域
1.本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体涉及一种高频率滤波器，尤其涉及一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器。


背景技术：

2.滤波器作为现代微波毫米波系统的关键器件之一，其性能优劣直接影响整个系统的质量，包括信道容量、信噪比、失真度等指标。伴随着微波毫米波系统小型化、轻量化、高可靠性、多功能性、高集成度和低成本发展的需要，具有低插损、高频率选择性、良好带外抑制性的（准）椭圆函数滤波器得到了广泛应用。有限频率传输零点的数量个数、位置分布是影响（准）椭圆函数滤波器性能的决定因素。
3.（准）椭圆函数滤波器的设计方法主要有非相邻谐振器间引入交叉耦合和相邻谐振器间引入混合电磁耦合。其中，n 阶交叉耦合滤波器可以实现 n-2 个有限频率传输零点，但其缺陷在于耦合拓扑结构比较复杂、传输零点的位置不能独立调节。而n 阶混合电磁耦合滤波器可以实现 n
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1个有限频率传输零点，且具有耦合拓扑结构简单、传输零点位置独立可调等优点。可以看出，相对于交叉耦合滤波器，同阶数的混合电磁耦合滤波器表现出更加优越的滤波性能，包括更多数量且位置独立可控的传输零点，以及紧凑简单的拓扑结构等。因此，混合电磁耦合理论和技术迅速成为高性能准椭圆函数滤波器研究的热点前沿领域之一。但是，当前混合电磁耦合的相关理论和应用研究，只是利用或考虑了谐振器间的电磁幅度耦合来引入、调控传输零点，并未考虑谐振器间电磁相位耦合对滤波器性能的影响和提高，而发明人则发现谐振器间电磁相位耦合对滤波器性能的提高事实上存在关键影响。


技术实现要素：

4.针对传统的混合电磁耦合滤波器未考虑谐振器间电磁相位耦合对滤波器性能的影响和提高的问题，本发明提供一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器。
5.本发明提供的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器，包括：两个具有相同结构的谐振器单元，两个所述谐振器单元在介质基板上呈镜像对称分布；其中，所述谐振器单元包括一个第一四分之一波长sir谐振器、高阻抗馈线和50欧姆标准馈线；所述第一四分之一波长sir谐振器包括第一低阻抗线和第一高阻抗线两部分，所述第一高阻抗线分为第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分相互垂直使得所述第一高阻抗线整体呈l形，所述第一部分远离l形直角的一端与所述第一低阻抗线连接，所述第二部分远离l形直角的一端设置有金属过孔；所述高阻抗馈线的一端与所述第一部分连接并且平行于所述第二部分、另一端与所述50欧姆标准馈线连接。
6.进一步地，通过调节第一低阻抗线和所述第二部分的整体长度来调节中心频率。
7.进一步地，所述高阻抗馈线的长度大于所述第二部分的长度。
8.进一步地，两个所述谐振器单元的50欧姆标准馈线之间的距离大于和两个所述谐
振器单元的金属过孔之间的距离，两个所述谐振器单元的金属过孔之间的距离大于两个所述谐振器单元的第一部分之间的距离。
9.进一步地，通过调节两个第一部分之间的距离来调节传输零点的位置。
10.进一步地，通过调节第一部分和第一低阻抗线之间的连接部分在所述第一低阻抗线的宽度方向的位置来调节传输零点的位置和回波损耗。
11.进一步地，通过调节第二部分和高阻抗馈线之间的距离来产生传输零点以及来调节回波损耗和传输零点的位置。
12.进一步地，在两个所述谐振器单元的外侧分别设置有一个第二四分之一波长sir谐振器；所述第二四分之一波长sir谐振器包括第二低阻抗线和第二高阻抗线两部分，所述第二高阻抗线分为第三部分和第四部分，所述第三部分和所述第四部分相互垂直使得所述第二高阻抗线整体呈l形，所述第三部分远离l形直角的一端与所述第二低阻抗线连接；两个第二所述第二四分之一波长sir谐振器通过其各自的所述第四部分进行连接；两个所述第一低阻抗线相邻且位于两个所述第二低阻抗线之间，两个所述第一高阻抗线均位于两个所述第一低阻抗线的相同侧，记为第一侧，两个所述第二高阻抗线均位于两个所述第二低阻抗线的相同侧，记为第二侧；所述第一侧和所述第二侧互为对端侧。
13.进一步地，所述第一低阻抗线的长度和所述第二低阻抗线的长度一致。
14.进一步地，通过调节所述第三部分的长度来调节谐振频率以便与由两个具有相同结构的谐振器单元所构成的滤波器的谐振频率相匹配。
15.本发明的有益效果：本发明在混合耦合滤波单元中引入电、磁耦合的路径长度后，再通过调节该路径长度的比值，也就是在综合考虑混合电磁耦合的幅度耦合和相位耦合条件下，设计出了幅相双重耦合下混合电磁耦合技术的准椭圆函数微波滤波器，该滤波器实现了n阶有n个传输零点的高选择技术目标（例如，二阶滤波器在上下阻带各有一个有限频率的传输零点；三阶滤波器在上阻带有2个有限频率的传输零点，下阻带有1个有限频率的传输零点），并且为准椭圆函数微波滤波器的设计提供了一种新的方法。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器的结构示意图之一；图2为本发明实施例提供的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器的结构示意图之二；图3为本发明实施例提供的图2所示滤波器的二阶滤波响应的s参数图；图4为本发明实施例提供的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器的结构示意图之三；图5为本发明实施例提供的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器的结构示意图之四；图6为本发明实施例提供的图5所示滤波器的三阶滤波响应的s参数图；附图标记：1为第一低阻抗线，2为第一高阻抗线中的第一部分，3为第一高阻抗线中的第二部分，4为高阻抗馈线，5为50欧姆标准馈线，6为金属过孔，7为第二低阻抗线，8为
第二高阻抗线中的第三部分，9为第二高阻抗线中的第四部分。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明中，幅相双重耦合是指：同时利用谐振器之间的幅度和相位进行耦合；紧耦合是指：两个耦合的谐振器之间结构紧凑。
19.实施例1如图1所示，本发明实施例提供一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器，包括：两个具有相同结构的谐振器单元，两个所述谐振器单元在介质基板上呈镜像对称分布；其中，所述谐振器单元包括一个第一四分之一波长sir谐振器、高阻抗馈线4和50欧姆标准馈线5；所述第一四分之一波长sir谐振器包括第一低阻抗线1和第一高阻抗线两部分，所述第一高阻抗线分为第一部分2和第二部分3，所述第一部分2和所述第二部分3相互垂直使得所述第一高阻抗线整体呈l形，所述第一部分2远离l形直角的一端与所述第一低阻抗线1连接，所述第二部分3远离l形直角的一端设置有金属过孔6；所述高阻抗馈线4的一端与所述第一部分2连接并且平行于所述第二部分3、另一端与所述50欧姆标准馈线5连接。
20.具体地，滤波器的微带线路是制作在介质基板上的，而介质基板背面是金属铜片，高阻抗线的一端设置金属过孔6是为了使第一四分之一波长sir谐振器和介质基板的背面金属之间短路，使得所述第一四分之一波长sir谐振器的谐振频率与半波长相同。本实施例中的幅度耦合调节主要通过两部分来实现：在第一低阻抗线1和第一部分2之间存在电磁混合耦合，利用二者之间的间距调节实现幅度耦合调节；在第二部分3和高阻抗馈线之间也存在电磁混合耦合，利用二者之间的间距调节也可以实现幅度耦合调节。
21.通过将第一高阻抗线设置为整体呈l形的形状，一方面可以有效地减小滤波器的尺寸，另一方面可以增加一条耦合路径，使得能量从50欧姆标准馈线5经过高阻抗馈线4传入第一四分之一波长sir谐振器，既可以传入第一部分2又可以传入第二部分3，也就是说，能量可以通过不同的传播路径进行传播，由于不同传播路径的电气长度不同，不同传播路径上的信号之间必定存在相位差，从而实现相位耦合调节。
22.两个谐振器单元采用镜像对称设计，使得两个所述第一四分之一波长sir谐振器之间既拥有了电耦合，也拥有了磁耦合。
23.本发明实施例中，通过高阻抗馈线实现50欧姆标准馈线和谐振器的连接可以实现更好的阻抗匹配。例如，为了满足国际标准50
ω
阻抗匹配，在本实施例中，50欧姆标准馈线w0设置为1.57mm，而若高阻抗线的宽度为0.4mm，二者之间的取值相差过大，通过高阻抗馈线进行过渡，能够更好地阻抗匹配，从而使得更多的能量信号进入谐振器。
24.作为一种可实施方式，通过调节第一低阻抗线和所述第二部分的整体长度来调节中心频率。
25.作为一种可实施方式，所述高阻抗馈线的长度大于所述第二部分的长度，以确保更好实现相位耦合调节。
26.在本发明实施例中，如图1所示，所述50欧姆标准馈线5的长度方向平行于所述第二部分3的长度方向、宽度方向垂直与所述第二部分3的长度方向，使得所述高阻抗馈线4和所述50欧姆标准馈线5所组成的整体与所述第一高阻抗线实现相位紧耦合。
27.作为一种可实施方式，两个所述谐振器单元的50欧姆标准馈线5之间的距离大于和两个所述谐振器单元的金属过孔6之间的距离，两个所述谐振器单元的金属过孔6之间的距离大于两个所述谐振器单元的第一部分2之间的距离。
28.作为一种可实施方式，固定两个第一低阻抗线1之间的距离，通过调节两个第一部分2之间的距离来调节传输零点的位置。
29.作为一种可实施方式，通过调节第一部分2和第一低阻抗线1之间的连接部分在所述第一低阻抗线1的宽度方向的位置来调节传输零点的位置和回波损耗。
30.作为一种可实施方式，通过调节第二部分3和高阻抗馈线4之间的距离来产生传输零点以及来调节回波损耗和传输零点的位置。
31.实施例2在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种具体的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性二阶滤波器，采用rogersrt/duroid 5880介质基板，厚度0.508mm，介电常数为εr=2.2，基底采用铜，谐振器采用sir。图2中，二阶滤波器的滤波结构为l1=l2=8mm，w1=w2=1.7mm，s1=0.43mm，l3=-l4=5.1mm，w3=w4=0.4mm，l5=l6=2mm，w5=w6=0.4mm，l00=3mm，w00=0.4mm，l0=2mm，w0=1.57mm，d0=0.5mm，d1=0.7mm，s2=0.65mm，s3=0.15mm。
32.其中，l1和l2表示第一低阻抗线的长度；w1和w2表示第一低阻抗线的宽度；s1表示两个第一低阻抗线之间的距离；l3和l4表示第一高阻抗线中第一部分的长度；w3和w4表示第一高阻抗线中第一部分的宽度；l5和l6表示第一高阻抗线中第二部分的长度；w5和w6表示第一高阻抗线中第二部分的宽度；l00和w00分别表示高阻抗馈线的长度和宽度；l0和w0分别表示50欧姆标准馈线的长度和宽度；d0和d1分别表示金属过孔的内径和外径；s2表示在第一低阻抗线宽度方向上，第一部分与第一低阻抗线一侧的距离，用于限定第一部分和第一低阻抗线之间的连接部分在所述第一低阻抗线的宽度方向的位置关系，通过调节s2的取值来调节传输零点的位置和回波损耗；s3表示高阻抗馈线与第二部分之间的距离。
33.该二阶滤波器实现的指标为：滤波器的中心频率为2.82ghz，s11回波损耗rl《-20db，3db带宽=215mhz，相对带宽7.6％，因为采用了幅相双重紧耦合技术计算电磁耦合比例，所以通带两侧分别有一个有限频率的传输零点tz1=0.92ghz，tz2=4.5ghz。相比传统的电磁混合耦合技术，本发明通过采用幅相双重紧耦合能够有效地引入更多的传输零点。
34.本发明滤波器可以通过调节谐振器的长度，可以调节中心频率。通过调节s2，可以调节上阻带传输零点的位置；调节s1可以同时调节两个零点的位置。两个谐振器均为四分之一波长谐振器，有效地减小了滤波器的尺寸，更利于小型化，设计全部为铜带微带线设计，加工方便。从图3所示的滤波响应可以知道，二次谐波在10ghz以外，带外抑制力强，滤波器尺寸及耦合间距参数变换范围较大，敏感性低。滤波器整体尺寸为21.1mmx13.83mm。其中，端口l0为国际标准50
ω
阻抗匹配独立馈电。总体来说，该滤波器结构紧凑，选择性高。
35.实施例3
实施例1中的sir高频率选择性滤波器事实上是一个二阶滤波器，可以理解，高阶滤波器是以二阶滤波器为单元进行构建的。为了进一步构建一个高阶滤波器，在上述实施例1的基础上，如图3所示，本发明实施例还提供一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性滤波器，与实施例1的不同之处在于，本发明实施例中的滤波器由两个四分之一波长谐振器和一个半波长谐振器组成，具体为：在两个所述谐振器单元的外侧分别设置有一个第二四分之一波长sir谐振器；所述第二四分之一波长sir谐振器包括第二低阻抗线7和第二高阻抗线两部分，所述第二高阻抗线分为第三部分8和第四部分9，所述第三部分8和所述第四部分9相互垂直使得所述第二高阻抗线整体呈l形，所述第三部分8远离l形直角的一端与所述第二低阻抗线7连接；两个第二所述第二四分之一波长sir谐振器通过其各自的所述第四部分9进行连接；两个所述第一低阻抗线1相邻且位于两个所述第二低阻抗线7之间，两个所述第一高阻抗线均位于两个所述第一低阻抗线1的相同侧，记为第一侧，两个所述第二高阻抗线均位于两个所述第二低阻抗线7的相同侧，记为第二侧；所述第一侧和所述第二侧互为对端侧。
36.本发明实施例中，没有采用传统的级联方案构建出四阶滤波器，而是创新的采用四分之一波长和半波长相结合的方式构建出三阶滤波器。这样的构建方式，首先可以实现n阶滤波器拥有n个有限传输零点的高选择指标，而且更能够有效的利用空间结构，使得滤波器更加小型化，从而满足当代的通信需求。并且，通过设计半波长谐振器包围两个四分之一波长谐振器，能够实现更好的电磁耦合，有效的增加滤波器的带宽。
37.作为一种可实施方式，所述第一低阻抗线1的长度和所述第二低阻抗线7的长度一致。
38.作为一种可实施方式，通过调节所述第三部分8的长度来调节谐振频率以便与由两个具有相同结构的谐振器单元所构成的滤波器（即上述实施例1和2中的二阶滤波器）的谐振频率相匹配。
39.实施例4在上述实施例3的基础上，本发明实施例一种具体的一种幅相双重紧耦合的sir高频率选择性三阶滤波器，采用rogersrt/duroid 5880介质基板，厚度0.508mm，介电常数为εr=2.2，基底采用铜，谐振器采用sir。图5中，三阶滤波器的滤波结构为l1=l4=8mm，w1=1.7mm，l8=6.49mm，w8=0.4mm，l7=3.1mm，s1=0.33mm，l5=5.1mm，l6=2.4mm，l00=3mm，w00=0.4mm，l0=2mm，w0=1.57mm，d0=0.5mm，d1=0.7mm，s2=0.65mm，s3=0.75mm。
40.其中，l1和l4表示第二低阻抗线的长度；w1表示第二低阻抗线的宽度；l8表示两个第二高阻抗线中的第四部分的长度之和；w8表示第二高阻抗线中的第四部分的宽度；l7表示第二高阻抗线中的第三部分的长度；s1表示第二低阻抗线与第一低阻抗线之间的距离；l5表示第一高阻抗线中第一部分的长度；l6表示第一高阻抗线中第二部分的长度；l00和w00（可参考图2，该图中未示意）分别表示高阻抗馈线的长度和宽度；l0和w0（可参考图2，该图中未示意）分别表示50欧姆标准馈线的长度和宽度；d0和d1分别表示金属过孔的内径和外径；s2表示在第一低阻抗线宽度方向上，第一部分与第一低阻抗线一侧的距离，用于限定第一低阻抗线与第一部分的连接位置关系；s3表示高阻抗馈线与第二部分之间的距离。
41.图6所示为该三阶滤波器的s参数图，从图中可知，滤波器的中心频率为2.82ghz，s11回波损耗rl《-20db，3db带宽=423mhz，相对带宽15％，因为采用了幅相双重紧耦合技术计算电磁耦合比例，所以通带下阻带有一个有限频率的传输零点tz1=0.92ghz，上阻带有两个有限频率的传输零点分别是tz2=3.29ghz，tz3=5.04ghz。
42.本发明实施例的三阶滤波器可以通过调节谐振器的长度，调节中心频率。通过调节s2，可以调节上阻带传输零点tz2的位置；调节s1可以同时调节tz1和tz3零点的位置。中间两个谐振器均为四分之一波长谐振器，然后采用半波长谐振器外加两个四分之一谐振器，这样的设计更加有效的减小了滤波器的尺寸，使得高阶滤波器和二阶滤波单位整体尺寸相近，更利于小型化，设计全部为铜带微带线设计，加工方便。从图6所示的滤波响应可以知道，二次谐波也在10ghz以外，带外抑制力强，滤波器尺寸及耦合间距参数变换范围较大，敏感性低。滤波器整体尺寸为21.1mmx13.79mm。其中端口l0为国际标准50
ω
阻抗匹配独立馈电。总体来说，该滤波器结构更加紧凑，选择性更高。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。