一种带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器

1.本发明涉及微波无源器件领域，具体涉及一种无反射宽带带通滤波器。


背景技术：

2.滤波器是射频和微波系统不可或缺的组成部分，传统滤波器的阻带信号的反射波能量会被反射回源，与存在的信号重叠产生许多干扰信号，来影响整个滤波器的性能。为解决这个问题，一般可以在滤波器前放置非互易器件(如隔离器)来实现，但是会降低滤波器的灵敏度，增加成本，并且增加整个系统的体积。无反射滤波器的出现解决了上述问题，在无反射滤波器的阻带内没有传输的能量不会返回到源，而是被损耗器件消耗，因此端口阻抗在带内和带外都能很好地匹配。
3.随着现代无线通信技术的不断发展，用各种方法实现无反射滤波器或者准无反射滤波器的技术逐渐称为了研究热点。目前实现无反射滤波器的主要结构分为：奇偶模电路结构、平衡电路结构和互补双工结构。奇偶模电路结构大多利用集总元件实现，不适用于高频电路；平衡电路结构一般由两个相似的宽带3db正交耦合器和两个相同的反射型bpf构成，电路尺寸大且较难优化；互补双工结构是由一个“主”带通型通道和一个“辅”带阻型通道组成，可以实现带内带外良好的无反射特性。但是目前互补双工结构的无反射滤波器普遍存在带内平坦度差、频率选择性差等问题。


技术实现要素：

4.根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器，包括：谐振器加载终端开路耦合线、吸收枝节和50欧姆传输线；
5.所述谐振器加载终端开路耦合线包括第一段平行耦合线、第二段平行耦合线和终端开路并联电路；所述第一段平行耦合线包括第一耦合线和第二耦合线；所述第二段平行耦合线包括第三耦合线和第四耦合线；所述终端开路并联电路包括第一开路线和第一传输线；所述吸收枝节包括第一吸收枝节和第二吸收枝节；所述第一吸收枝节包括第二传输线、第二开路线、第一电阻、第三开路线和第三传输线；所述第二吸收枝节包括第四传输线、第四开路线、第二电阻、第五开路线和第五传输线；所述50欧姆传输线包括第一50欧姆传输线和第二50欧姆传输线；
6.所述第一50欧姆传输线与第一耦合线的左端相连接，第二传输线与第一50ω传输线和第一耦合线并联；所述第二传输线与第一电阻相连接，第二开路线与第二传输线和第一电阻并联；所述第一电阻与第三传输线相连接，第三开路线与第一电阻和第三传输线并联，且所述第三传输线另一端接地；第二耦合线右端与第三耦合线左端相连接，第一传输线与第二耦合线和第四耦合线并联，第一传输线的下端与第一开路线相连接；所述第三耦合线的右端与第二50欧姆传输线相连接，第四传输线与第三耦合线右端和第二50欧姆传输线并联；所述第四传输线与第二电阻相连接，第四开路线与第四传输线和第二电阻并联；所述第二电阻与第五传输线相连接，第五开路线与第二电阻和第五传输线并联；所述第五传输
线另一端接地。
7.所述第一段平行耦合线和第二段平行耦合线电长度和特性阻抗均相同，其中电长度为90
°
；所述第一开路线、第一传输线、第二传输线、第二开路线、第三开路线、第三传输线、第四传输线、第四开路线、第五开路线和第五传输线的电长度均为90
°
。
8.该滤波器的回波损耗s
11
和插入损耗s
21
表达式如下：
[0009][0010][0011]
其中γo是奇模激励情况下的反射系数，γe是偶模激励情况下的反射系数，在奇模激励的情况下，反射系数γo的计算公式为：
[0012][0013]
其中z
in1
是奇模激励下输入端口的输入特性阻抗，z
in1
的表达式为：
[0014][0015]
上式中，z
ino
是奇模激励下第一段平行耦合线端口的特性阻抗，z
sub
是吸收枝节端口的特性阻抗，z
ino
和z
sub
的表达式分别为：
[0016][0017][0018]
其中zc是从第二传输线下端看进去的端口特性阻抗，zc的表达式为：
[0019][0020]
在偶模激励的情况下，反射系数γe的计算公式为：
[0021][0022]
其中z
in2
是偶模激励下输入端口的特性阻抗，z
in2
的表达式为：
[0023][0024]
其中z
ine
是偶模激励下第一段平行耦合线端口的特性阻抗，z
sub
是吸收枝节端口的特性阻抗，z
ine
和z
sub
的表达式分别为：
[0025][0026][0027]
其中zd是偶模电路中终端开路并联电路端口看进去的特性阻抗，zc是从第二传输线下端看进去的端口特性阻抗，zd和zc的表达式分别为：
[0028][0029][0030]
式中z1是第一开路线的特性阻抗，z2是第一传输线的特性阻抗，z3是第二传输线和第四传输线的特性阻抗，z4是第二开路线和第四开路线的特性阻抗，r是第一电阻和第二电阻的电阻值，z5是第三开路线和第五开路线的特性阻抗，z6是第三传输线和第五传输线的特性阻抗，zo和ze分别是谐振器加载终端开路耦合线的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，z0是50欧姆传输线的特性阻抗，θ是第一段平行耦合线、第二段平行耦合线、第一传输线、第一开路线、第二传输线、第二开路线、第三开路线、第三传输线、第四传输线、第四开路线、第五开路线和第五传输线的电长度。
[0031]
通过调整所述吸收枝节中各段传输线的阻抗及第一电阻、第二电阻的阻值控制带内和带外的无反射特性；通过调整第一传输线和第一开路线的特性阻抗对带内平坦度和频率选择性进行调控。
[0032]
所述第二传输线、第四传输线、第三开路线和第五开路线的特性阻抗均大于100ω；所述第一开路线、第二开路线和第四开路线的特性阻抗均小于50ω。
[0033]
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器，该滤波器在整个测试频段(0～4ghz)范围内均具有无反射特性，即该滤波器的回波损耗小于10db的带宽为0～4ghz。此外，该滤波器带内3-db相对带宽为102％(1.01～3.05ghz)，具有宽带滤波特性。同时，该滤波器还具有较高的频率选择性，其矩形系数k
30db
为1.09。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明所述带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的结构示意图。
[0036]
图2是本发明所述带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的奇模等效
电路图。
[0037]
图3是本发明所述带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的偶模等效电路图。
[0038]
图4是本发明所述带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的s参数曲线。
[0039]
图中：1、谐振器加载终端开路耦合线，11、第一段平行耦合线，12、第二段平行耦合线，13、终端开路并联电路，111、第一耦合线，112、第二耦合线，121、第三耦合线，122、第四耦合线，131、第一开路线，132、第一传输线，2、吸收枝节，21、第一吸收枝节，22、第二吸收枝节，211、第二传输线，212、第二开路线，213、第一电阻，214、第三开路线，215、第三传输线，221、第四传输线，222、第四开路线，223、第二电阻，224、第五开路线，225、第五传输线，3、50欧姆传输线，31、第一50欧姆传输线，32、第二50欧姆传输线。
具体实施方式
[0040]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0041]
图1为本发明所述一种带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的结构示意图，本实例的无反射带通滤波器可以包括：终谐振器加载终端开路耦合线1、吸收枝节2和50欧姆传输线3；
[0042]
进一步地，所述谐振器加载终端开路耦合线1包括第一段平行耦合线11、第二段平行耦合线12和终端开路并联电路13；所述第一段平行耦合线11包括第一耦合线111和第二耦合线112；所述第二段平行耦合线12包括第三耦合线121和第四耦合线122；所述终端开路并联电路13包括第一传输线132和第一开路线131；所述吸收枝节2包括第一吸收枝节21和第二吸收枝节22；所述第一吸收枝节21包括第二传输线211、第二开路线212、第一电阻213、第三开路线214和第三传输线215；所述第二吸收枝节22包括第四传输线221、第四开路线222、第二电阻223、第五开路线224和第五传输线225；所述50欧姆传输线3包括第一50欧姆传输线31和第二50欧姆传输线32。
[0043]
进一步地，所述第一50欧姆传输线31与第一耦合线111左端相连，第二传输线211与第一50ω传输线31和第一耦合线111并联；所述第二传输线211与第一电阻213相连，第二开路线212与第二传输线211和第一电阻213并联设置；所述第一电阻213与第三传输线215相连，第三开路线214与第一电阻213和第三传输线215并联连接，且第三传输线215与接地端相连；第二耦合线112右端与第三耦合线122左端相连，第一传输线132与第二耦合线112和第四耦合线122并联设置，第一传输线132的下端连接第一开路线131；所述第三耦合线121右端与第二50欧姆传输线32相连接，第四传输线221与第三耦合线121右端与第二50欧姆传输线32并联设置；所述第四传输线221与第二电阻223相连，第四开路线222与第四传输线221和第二电阻223并联设置；所述第二电阻223与第五传输线225相连，第五开路线224与第二电阻223和第五传输线225并联设置；所述第五传输线225另一端接地。
[0044]
进一步地，所述第一段平行耦合线11和第二段平行耦合线12电长度和特性阻抗均
相同，其中电长度为90
°
；第一开路线131、第一传输线132、第二传输线211、第二开路线212、第三开路线214、第三传输线215、第四传输线221、第四开路线222、第五开路线224和第五传输线225的电长度均相同，电长度为90
°
。
[0045]
具体来说，在本实例中，可以实现输入输出两个端口的无反射特性。利用奇偶模分析法对两端口网络进行分析，计算电路参量。
[0046]
奇模激励下，无反射滤波器对称面上电压为零，等效为短路。图2(a)给出了该无反射带通滤波器的奇模等效电路。z
ino
为第一段平行耦合线11)的奇模特性阻抗，z
sub
为第一吸收枝节21的输入特性阻抗，z
in1
为输入端口的特性阻抗，θ为第二传输线211、第二开路线212、第三开路线214、第三传输线215和第一段平行耦合线11电长度。
[0047]
偶模激励下，无反射滤波器对称面上电流为零，等效为开路。图2(b)给出了该无反射带通滤波器的偶模等效电路。zd为终端开路并联电路3的偶模特性阻抗，z
ine
为第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗，z
sub
为第一吸收枝节21的输入特性阻抗，z
in2
为输入端口的特性阻抗，θ为第二传输线211、第二开路线212、第三开路线214、第三传输线215和第一段平行耦合线11的电长度，以及第一传输线132、第一开路线131的偶模情况下的电长度。
[0048]
根据图2和图3的二端口网络，对无反射宽带带通滤波器进行奇偶模电路分析，对相关参数进行求解，可以的得到本发明无反射特性的宽带带通滤波器的设计公式，求解步骤如下：
[0049]
步骤1：根据奇偶模分析法，将无反射带通滤波器分解成奇模和偶模电路进行分析。
[0050]
步骤2：在奇模激励下，对奇模电路各个支点的特性阻抗进行求解，第一段平行耦合线11的奇模特性阻抗z
ino
的求解过程如下：
[0051][0052]
其中i1＝i3＝0,v4＝0，且有：
[0053][0054]
得到第一段平行耦合线11的奇模特性阻抗z
ino
：
[0055][0056]
此外吸收枝节2在奇模和偶模电路的输入特性阻抗z
sub
是相同的，其求解过程如下：
[0057][0058][0059][0060]
进而得到奇模激励情况下端口输入阻抗z
in1
的表达式为：
[0061][0062]
进而得到奇激励时的反射系数γo为：
[0063][0064]
步骤3：在偶模激励下，对偶模电路各个支点的特性阻抗进行求解，终端开路并联电路3的偶模特性阻抗zd表达式为：
[0065][0066]
第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗z
ine
求解过程如下：
[0067][0068]
其中i1＝i3＝0且有
[0069][0070]
得到第一段平行耦合线11的偶模特性阻抗：
[0071][0072]
吸收枝节端口的特性阻抗z
sub
同奇模电路相同，表达式为：
[0073]
进而得到偶模激励情况下端口输入阻抗z
in2
表达式为：
[0074][0075]
进而得到偶模激励时的反射系数γe为：
[0076][0077]
步骤4：根据步骤2和步骤3得到的奇和模电路端口的反射系数可以求得整个无反射宽带带通滤波器的回波损耗(s
11
)和插入损耗(s
21
)的表达式：
[0078][0079][0080]
在本发明的具体实施例中，该带内平坦、频率选择性高的无反射宽带带通滤波器的中心频率为2.0ghz，如图4所示。该滤波器通带平坦度较高，并且在整个测试频段(0～4ghz)范围内均具有无反射特性，即该滤波器的回波损耗小于10db的带宽为0～4ghz。此外，该滤波器带内3-db相对带宽为102％(1.01～3.05ghz)，具有宽带滤波特性。同时，该滤波器还具有较高的频率选择性，其矩形系数k
30db
为1.09。
[0081]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。