專利名稱：一種可抑制二次諧波的帶通濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種帶通濾波器，特別是一種可抑制二次諧波的帶通濾波器。
背景技術：
在微波系統(tǒng)中帶通濾波器是一種非常重要的器件，帶通濾波器是一種允許特 定頻段的波通過的同時，屏蔽其他頻段的設備。 一個理想的帶通濾波器應該有平 穩(wěn)的通帶，同時限制通帶外所有頻率的波通過，然而在現(xiàn)有技術中，大多數(shù)帶通 濾波器都存在諧波響應特性，這將會導致微波系統(tǒng)整體性能的下降。
在現(xiàn)階段，抑制諧波響應的方法大致可以分為四類(1)在帶通濾波器上連 接一個帶阻濾波器，使得后者的阻帶中心頻率與前者的二次諧波頻率重合，此時 帶通濾波器的諧波響應能被有效地抑制。(2)通過擾動和改變諧振器的耦合線寬 度，產(chǎn)生布喇格反射來抑制二次諧波。(3)在帶通濾波器的介質(zhì)基板中挖槽來修 正奇偶模的相速使其一致，從而實現(xiàn)二次諧波抑制。(4)通過在帶通濾波器上級 聯(lián)多個階躍阻抗諧振器(SIR)來實現(xiàn)諧波抑制，令所有的階躍阻抗諧振器的基模 頻率一致，以使其諧波頻率錯開，從而實現(xiàn)諧波抑制。
以上四種方法存在以下缺陷方法(1)和(4)的電路尺寸較大，給應用帶 來不便；方法(2)和(3)電路結構復雜，不利于設計加工。因此，設計一種電 路結構簡單，尺寸較小的抑制諧波響應的濾波器是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、電路尺寸較小、加工制 作容易的可抑制二次諧波的帶通濾波器。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案 一種可抑制二次諧波的帶通濾 波器，其特征在于它包括左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器，所述 左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器為大小相同的矩形環(huán)，矩形環(huán)均由 微帶線構成，所述微帶線展開后的周長為半工作波長；所述左開環(huán)諧振器、中開 環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器等間距并排設置在介質(zhì)基板上；所述左開環(huán)諧振器上的 輸入端口和右開環(huán)諧振器上的輸出端口關于所述中開環(huán)諧振器中心對稱；所述開 環(huán)縫隙設置在所在邊的中點上。
所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器的設計方法為，首先確定 介質(zhì)基板的厚度、介質(zhì)基板的介電常數(shù)、帶通濾波器的中心頻率和開環(huán)諧振器的 周長；其次利用仿真方法優(yōu)化得出所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器的微帶線寬、長寬比例、輸入端口和輸出端口的位置和相鄰開環(huán)諧振器之間的距離。
當所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器均為長方形時，所述左開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在右邊中點上，所述中開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在頂邊中點上，所述右開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在左邊中點上。
當所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器均為正方形時，將所述中開環(huán)諧振器替換為一短路環(huán)諧振器，所述左開環(huán)諧振器、短路環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙均設置在頂邊中點上，所述輸入端口和輸出端口在所述左開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器上的位置相同。
所述的介質(zhì)基板的介電常數(shù)為4 10。
所述的介質(zhì)基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的可抑制二次諧波的帶通濾波器通過選擇適當?shù)鸟詈蠀^(qū)間實現(xiàn)諧波抑制，因此使得電路結構簡單，易于實現(xiàn)。2、本發(fā)明的可抑制二次諧波的帶通濾波器在結構中不包含任何集中元
件，因此不會有電阻產(chǎn)生熱能，在射頻集成電路中有著廣泛的應用前景。3、本發(fā)
明由于諧振器結構簡單，因此而對介質(zhì)板的要求不高，并且一旦諧振器的耦合區(qū)間確定，環(huán)形諧振器的形狀可以靈活變化，因此在射頻集成電路中有著很好的應用前景。本發(fā)明可廣泛應用于射頻微波系統(tǒng)以及射頻集成電路。


圖1是本發(fā)明的帶通濾波器當三個開環(huán)諧振器均為長方形時結構示意圖
圖2是本發(fā)明的帶通濾波器當三個開環(huán)諧振器均為正方形時結構示意3是半波長微帶諧振器以及其上的二次諧波電壓波函數(shù)示意4是本發(fā)明的耦合區(qū)間示意圖
圖5是本發(fā)明的耦合區(qū)間相鄰兩微帶線上的二次諧波電壓 函數(shù)示意6是本發(fā)明的介質(zhì)基板結構示意7是本發(fā)明的實施例一的S參數(shù)與頻率的曲線示意8是本發(fā)明的實施例二的S參數(shù)與頻率的曲線示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發(fā)明的可抑制二次諧波的帶通濾波器包括左開環(huán)諧振器1、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3。左開環(huán)諧振器l、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3大小相同的矩形環(huán)，它們等間距地并排刻蝕在帶通濾波器的介質(zhì)基板上面。三個開環(huán)諧振器的矩形環(huán)均由微帶線按照一定的長、寬比例做成，微帶線展齊后的周長/為半工作波長，且半工作波長可由現(xiàn)有的計算軟件根據(jù)濾波器的中心頻率計算得到。在三個開環(huán)諧振器中，左開環(huán)諧振器1和右開環(huán)諧振器3上分別設置
有輸入端口 11和輸出端口 31，輸入端口 11和輸出端口 31的微帶線寬度均為50歐姆。左開環(huán)諧振器1、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3上分別設置有寬度相等的左開環(huán)縫隙12、中開環(huán)縫隙21和右開環(huán)縫隙32，且左開環(huán)縫隙12、中開環(huán)縫隙21和右開環(huán)縫隙32的寬度與半工作波長相比必須足夠小，為半工作波長的百分之一或者千分之一數(shù)量級，開環(huán)縫隙的位置在其所在開環(huán)諧振器的邊長中點處。
如圖1所示，當左開環(huán)諧振器1、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3均為長方形時，則輸入端口 11和輸出端口 31分別設置在距左開環(huán)縫隙12和右開環(huán)縫隙32的1/3~1/2周長處，且輸入端口 ll和輸出端口 31關于中開環(huán)諧振器2中心對稱。左開環(huán)縫隙12位于左開環(huán)諧振器1的右邊的中點處，中開環(huán)縫隙21位于中開環(huán)諧振器2的頂邊中點處，右開環(huán)縫隙32位于右開環(huán)諧振器3的左邊中點處。左開環(huán)縫隙12、中開環(huán)縫隙21和右開環(huán)縫隙32的寬度一致。
如圖2所示，當三個諧振器均為正方形時，需將中開環(huán)諧振器2替換為一開環(huán)縫隙處打孔接地的短路環(huán)諧振器4。輸入端口 11和輸出端口 31分別設置在距左開環(huán)縫隙12和右開環(huán)縫隙32的1/3~1/2周長處，且輸入端口 11和輸出端口 31在左開環(huán)諧振器1和右開環(huán)諧振器3上的位置相同。左開環(huán)縫隙12、中開環(huán)縫隙21和右開環(huán)縫隙32均位于左開環(huán)諧振器1、短路環(huán)諧振器4和右開環(huán)諧振器3的頂邊中點處，且寬度一致。
本發(fā)明帶通濾波器的設計中，首先確定介質(zhì)基板的厚度、介質(zhì)基板的介電常數(shù)、帶通濾波器的中心頻率和開環(huán)諧振器的周長。其次，根據(jù)這些參數(shù)，利用現(xiàn)有的電磁仿真軟件對濾波器進行仿真，優(yōu)化得出三個諧振器的微帶線寬、矩形環(huán)的長寬比例、輸入端口和輸出端口的具體位置和相鄰開環(huán)諧振器之間的距離。
如圖3所示，表示半波長微帶諧振器0L，其長度L即為將開環(huán)諧振器的矩形環(huán)展開后的周長/，作為本發(fā)明中開環(huán)諧振器的計算模型。半波長微帶諧振器0L上的曲線表示二次諧波的電壓波函數(shù)。如圖4所示，由于幵環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在其所在邊的中點處，而且二次諧波的電壓波函數(shù)的曲線在半波長微帶諧振器0L上是均勻分布的，這樣可以保證相鄰開環(huán)諧振器上的二次諧波電壓波函數(shù)在耦合區(qū)間Z內(nèi)是對稱的。綜上所述，相鄰兩邊的耦合強度k可以表示為其中，A為定值系數(shù)，在本發(fā)明中，A的值與耦合區(qū)間的選取無關。V1和V2分別是耦合區(qū)間Z內(nèi)的兩微帶線上的二次諧波電壓波函數(shù)。如圖5所示，由于半波長微帶諧振器0L具有二次諧波電壓波函數(shù)均勻分布的特點，以及開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在其所在邊的中點處；因此可以使得耦合區(qū)間Z —微帶線上的二次諧波電壓波函數(shù)關于對稱軸00'呈奇對稱，另一微帶線上的二次諧波電壓波函數(shù)關于對稱軸00'呈偶對稱。因此耦合區(qū)間Z的耦合強度k經(jīng)過積分計算之后的積分值為零，即相鄰開環(huán)諧振器的耦合區(qū)間內(nèi)，耦合強度k在二次諧波頻率處為零，從而實現(xiàn)了整個帶通濾波器的二次諧波抑制。
下面通過兩個實施例，對本發(fā)明的裝置作進一步說明
實施例一，如圖l、圖6所示，本實施例的帶通濾波器中，當左開環(huán)諧振器l、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3均為長方形時，左開環(huán)諧振器l、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3等間距地刻蝕在介質(zhì)基板5 —面，介質(zhì)基板5的另一面是接地板6。介質(zhì)基板5的介電常數(shù)通常在4 10之間。
本實施例的帶通濾波器設計步驟如下
1) 選定介質(zhì)基板5的介電常數(shù)為6.03，厚度為32密耳，輸入端口ll和輸出端口 31的微帶線寬『jl.2mm，帶通濾波器的通帶中心頻率f=l. lGHz。利用microwave office電磁仿真軟件確定的帶通濾波器的半波長微帶諧振器0L長度L-70mm，左開環(huán)縫隙12、中開環(huán)縫隙21和右開環(huán)縫隙32的寬度gl=0. 3mm。
2) 利用Ansoft公司的仿真軟件Designer對本實施例的帶通濾波器進行仿真，用安捷倫公司的網(wǎng)絡分析儀8753ES對該結構的濾波器進行測試，得到一組優(yōu)化的帶通濾波器幾何尺寸參數(shù)左開環(huán)諧振器1、中開環(huán)諧振器2和右開環(huán)諧振器3的短邊長度為I^15mm，長邊長度為Z廣20mm，微帶線寬『,lmm，相鄰開環(huán)諧振器之間距離&=0. 2mm，輸入端口 11和輸出端口 31距離邊界d=3mm。
如圖7所示，虛線為仿真曲線，實線為實測曲線。其中回波損耗Su為從輸入端口 11反射出來的能量與輸入能量比值的對數(shù)，回波損耗&若為零，則說明從輸入端口 11進入的能量與從輸入端口 11反射回來的能量相等，即輸入的能量全部在輸入端口 ll被反射回來，沒有通過帶通濾波器。插入損耗521為從輸出端口 31
輸出的能量與進入輸入端口 ll能量的比值的對數(shù)，也就是輸入的能量在帶通濾波器中的傳輸效率。通常情況下，在帶通濾波器中的通帶處插入損耗&,值越大越好，理想的插入損耗521值是OdB 。因此在帶通處的插入損耗521越大，則傳輸效率越高；而在通帶以外的頻率處，插入損耗521的值越小越好。
在參數(shù)模值為-3dB處對應的頻率分別為1.07GHz和1. 13GHz， 二次諧波對應的頻率在2.2GHz附近?；夭〒p耗&在通帶以外的頻率處幾乎為零，說明通帶以外 頻率處能量幾乎全部被反射回來。在二次諧波的頻率處插入損耗521的值為-40dB， 即二次諧波的抑制超過40dB。通帶兩邊分別各有一個傳輸零點，因此，本發(fā)明的 可抑制二次諧波的帶通濾波器的通帶選擇性非常好。
實施例二，如圖2、圖6所示，帶通濾波器包括左開環(huán)諧振器1、短路環(huán)諧振 器4和右開環(huán)諧振器3，左開環(huán)諧振器l、短路環(huán)諧振器4和右開環(huán)諧振器3為大 小一致的正方形，且等間距地刻蝕在介質(zhì)基板5—面，短路環(huán)諧振器4的開環(huán)端 口打孔接地，設置在左開環(huán)諧振器1和右開環(huán)諧振器3中間。其中，三個諧振器 的開環(huán)縫隙全部設置在諧振器頂邊的中心處，且開環(huán)縫隙寬度一致。介質(zhì)基板5 的另一面是接地板6。介質(zhì)基板5的介電常數(shù)通常在4~ 10之間。
本實施例的帶通濾波器設計步驟如下
i) 選定介質(zhì)基板5的介電常數(shù)為6. 03，厚度為32密耳，輸入端口 11和輸出 端口 31的微帶線寬度^=1.2剛，帶通濾波器的通帶中心頻率f=0.96GHz。利用 microwave office電磁仿真軟件來確定的帶通濾波器的半波長微帶諧振器0L長度 L二80ram，左開環(huán)縫隙12、短路環(huán)諧振器4和右開環(huán)縫隙32的寬度&=0. 3mm。
ii) 利用Ansoft公司的仿真軟件Designer對本實施例的帶通濾波器進行仿 真，用安捷倫公司的網(wǎng)絡分析儀8753ES對該結構的濾波器進行測試，得到一組優(yōu) 化的帶通濾波器的幾何尺寸參數(shù)左開環(huán)諧振器1、短路環(huán)諧振器4和右開環(huán)諧振 器3的邊長Z^20mm，相鄰諧振器之間距離g2 =0. 6mm，左開環(huán)諧振器1、短路環(huán)諧 振器4和右開環(huán)諧振器3的微帶線寬度『廣lmm。
如圖8所示，虛線為仿真曲線，實線為實測曲線。本實施例在仿真結果中實 測插入損耗&,僅為1.36dB，在二次諧波的頻率處插入損耗521的值為-37 dB，即 二次諧波處的抑制達到37dB。通帶兩邊分別各有一個傳輸零點，同樣可證明，本 發(fā)明的可抑制二次諧波的帶通濾波器的通帶選擇性非常好。
以上所述，僅為發(fā)明的一種較佳實施方式，本領域技術人員可依據(jù)本實用新 型說明書、權利要求書與附圖進行修改與等效變換，對于各開環(huán)諧振器長寬比例 以及短路環(huán)諧振器尺寸的修改與變換均應包含在本發(fā)明的專利保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1、一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于它包括左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器，所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器為大小相同的矩形環(huán)，矩形環(huán)均由微帶線構成，所述微帶線展開后的周長為半工作波長；所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器等間距并排設置在介質(zhì)基板上；所述左開環(huán)諧振器上的輸入端口和右開環(huán)諧振器上的輸出端口關于所述中開環(huán)諧振器中心對稱；所述開環(huán)縫隙設置在所在邊的中點上。
2、 如權利要求1所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于所 述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器的設計方法為，首先確定介質(zhì)基 板的厚度、介質(zhì)基板的介電常數(shù)、帶通濾波器的中心頻率和開環(huán)諧振器的周長； 其次利用仿真方法優(yōu)化得出所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器的 微帶線寬、長寬比例、輸入端口和輸出端口的位置和相鄰開環(huán)諧振器之間的距離。
3、 如權利要求1所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于當 所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器均為長方形時，所述左開環(huán)諧 振器的開環(huán)縫隙設置在右邊中點上，所述中開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在頂邊中 點上，所述右開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在左邊中點上。
4、 如權利要求2所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于當 所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器均為長方形時，所述左開環(huán)諧 振器的開環(huán)縫隙設置在右邊中點上，所述中開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在頂邊中 點上，所述右開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙設置在左邊中點上。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其 特征在于當所述左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器均為正方形時， 將所述中開環(huán)諧振器替換為一短路環(huán)諧振器，所述左開環(huán)諧振器、短路環(huán)諧振器 和右開環(huán)諧振器的開環(huán)縫隙均設置在頂邊中點上，所述輸入端口和輸出端口在所 述左開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器上的位置相同。
6、 如權利要求1或2或3或4所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其 特征在于所述的介質(zhì)基板的介電常數(shù)為4 10。
7、 如權利要求5所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于所 述的介質(zhì)基板的介電常數(shù)為4 10。
8、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器， 其特征在于所述的介質(zhì)基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
9、 如權利要求5所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于: 所述的介質(zhì)基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
10、 如權利要求6所述的一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于: 所述的介質(zhì)基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可抑制二次諧波的帶通濾波器，其特征在于它包括左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器，左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器為大小相同的矩形環(huán)，矩形環(huán)均由微帶線構成，微帶線展開后的周長為半工作波長；左開環(huán)諧振器、中開環(huán)諧振器和右開環(huán)諧振器等間距并排設置在介質(zhì)基板上；左開環(huán)諧振器上的輸入端口和右開環(huán)諧振器上的輸出端口關于中開環(huán)諧振器中心對稱，其微帶傳輸線的寬度均為50歐姆；開環(huán)縫隙設置在所在邊的中點上。本發(fā)明的可抑制二次諧波的帶通濾波器在電路結構簡單，易于實現(xiàn)，對介質(zhì)板的要求不高，且不包含任何集中元件，因此不會有電阻產(chǎn)生熱能，在射頻集成電路中有著廣泛的應用前景。
文檔編號H01P1/20GK101599568SQ20091008921
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權日2009年7月9日
發(fā)明者夏明耀, 戴高樂 申請人:北京大學