基于混合耦合的微带滤波器设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于混合耦合的微带滤波器设计方法。导出了微带滤波器的集总参数等效网络，其中一个平行耦合线节可以实现混合耦合的作用。该微带滤波器可以实现一个二阶带通频率响应，并具有一个位于有限频率处的传输零点。这个传输零点可以灵活移动，有效得改善了频率选择性。微带滤波器的集总参数等效网络深刻揭示了微带滤波器的物理机制，可以极大缩短其设计时间。

【技术实现步骤摘要】
基于混合耦合的微带滤波器设计方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种基于混合耦合的微带波器设计方法。
技术介绍
滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、通带内回波损耗、带外抑制、带内相位线性度及群时延等。按照频率响应的类型来划分，可以分为椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器、高斯滤波器、广义切比雪夫滤波器和逆广义切比雪夫滤波器等。对于模拟滤波器而言，分为集总参数模拟滤波器和分布参数模拟滤波器。在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。在这些频段内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带滤波器等传输线滤波器。
技术实现思路
到目前为止，人们已经研究出多种多样的传输线滤波器结构。然而，传输线滤波器具有分布参数效应，其设计远比集总参数滤波器的设计复杂得多。每一个传输线滤波器都可能具有不同的物理机制，需要具体进行分析。只有深入了解传输线滤波器的物理机制，才有可能更好得用它们来实现所期望的频率响应。本专利技术叙述了一种微带滤波器的设计方法。微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本专利技术所述的微带滤波器结构如图2所示。在微带线的金属上覆层(I)中刻蚀如下金属图案：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、第二平行耦合线节(3)、第三平行耦合线节(4)和输出馈线(5)。其特征在于：输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了第二平行耦合线节(3)下侧的一端，同时第二平行耦合线节(3)下侧的另一端连接到第三平行耦合线节(4)左侧的一端，第三平行耦合线节(4)右侧的一端连接到输出馈线(5)的左端。滤波器结构关于中心平面对称的。微带滤波器的电气参数为：输入馈线(1)和输出馈线(5)的特征阻抗同为RS；第一平行耦合线节(2)和第三平行耦合线节(4)的偶模阻抗同为Z1e，奇模阻抗同为Z1o，电长度同为θ1；第二平行耦合线节(3)的偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2。如图3所示，微带滤波器的结构参数为：输入馈线(1)和输出馈线(5)的线宽用w0表示；第一平行耦合线节(2)和第三平行耦合线节(4)的线宽为w1，缝隙宽度为s1，长度为l1；第二平行耦合线节(3)的线宽为w2，缝隙宽度为s2，长度为l2。在实际应用中，需要根据用户给出的技术指标来设计这个滤波器。换句话说，就是需要快速准确得确定滤波器的各个结构参数。首先，导出图2中的微带滤波器的集总参数等效网络。图2中的微带滤波器可以看作是几个基本微带结构的组合，分别导出它们的集总参数等效网络，再按照它们的连接关系连接起来，就能得到微带滤波器的集总参数等效网络。例如，一个平行耦合线节的结构示意图如图4所示，电气参数为：偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2。这个平行耦合线节可以用如图5所示的集总参数等效网络来等效，其中L″和L12为电感，X″和X12为与频率无关的感抗，j是复数单位。平行耦合线节的电气参数与其集总参数等效网络的各个元件之间的等效关系为：其中，谐振频率最终，图2所示的微带滤波器的集总参数等效网络如图6所示。其中，VS是激励源；源阻抗和负载阻抗同为RS；L和L12为电感；X和X12为与频率无关的感抗；j是复数单位；K为阻抗倒置器。谐振频率ωi＝-Xi/Li(其中i＝1或2)。其特征在于：源阻抗RS与第一个阻抗倒置器K级联，与电感L与感抗jX组成的串联谐振器进行串联，与电感L12与感抗jX12组成的串联谐振器进行并联，接着与电感L与感抗jX组成的串联谐振器进行串联，再通过第二个阻抗倒置器K进行级联，最终与负载阻抗RS进行并联。集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式如下：在得到微带滤波器的集总参数等效网络之后，就能够深入了解滤波器的物理机制，有利于实现所需要的频率响应。从微带滤波器的集总参数等效网络看到，两个串联谐振器之间通过一个并联的串联谐振器连接，即这两个串联谐振器之间的耦合方式为混合耦合。这表明，微带滤波器是一个基于混合耦合的二阶滤波器，可以实现一个二阶带通频率响应，且一个传输零点可以位于有限频率处。在这里，这个微带滤波器被称为基于混合耦合的微带滤波器。本专利技术所述微带滤波器设计方法，简称为本专利技术所述设计方法，其内容包括如下：根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器的设计方法，确定微带滤波器的集总参数等效网络中的各个元件值；由集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，计算出微带滤波器的电气参数；由所选用的微带参数，确定微带滤波器的结构参数；对微带滤波器的结构参数进行调整，优化微带滤波器的性能以满足技术指标要求。本专利技术所述设计方法的有益效果是：它能揭示该微带滤波器的物理机制，从而可以更好得控制其性能；它能通过计算快速得到结构参数值，缩短研制周期。附图说明图1：微带线结构示意图；图2：微带滤波器示意图；图3：微带滤波器的结构参数标注示意图；图4：平行耦合线节示意图；图5：平行耦合线节的集总参数等效网络示意图；图6：微带滤波器的集总参数等效网络示意图；图7：具有一个位于通带左侧的传输零点的理想二阶带通频率响应图；图8：使用计算结构参数值进行仿真所得到的频率响应图；图9：优化之后的频率响应仿真结果和测试结果图；图10：具有一个位于通带右侧的传输零点的理想二阶带通频率响应图；图11：使用计算结构参数值进行仿真所得到的频率响应图；图12：优化之后的频率响应仿真结果和测试结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。图6所示的集总参数等效网络揭示了图2中的微带滤波器的物理机制。该微带滤波器可以用于实现一个二阶带通频率响应，并且具有一个位于有限频率处的传输零点以改善频率选择性。作为例证，不失一般性，实施例一用此微带滤波器来实现一个二阶带通频率响应，技术指标为：通带位于[1.94,2.06]GHz，一个传输零点位于1.5GHz。理想的二阶带通频率响应如图7所示，它所对应的滤波多项式为：其中，是传输多项式，是反射多项式，是共有多项式。复数频率变量s＝jω，ω是角频率变量。为归一化复数频率变量，ωc＝2π·109rad/s为选定的某一特征角频率用于简化表达式。使用这些滤波多项式，可以很容易得导出相应的导纳矩阵、阻抗矩阵、散射矩阵、级联矩阵等网络矩阵。从而能够确定图6所示集总参数等效网络中各个元件值。如果选取RS＝50Ω，则其它元件值为：K＝27ΩL＝2.1323·10-8H，X＝-280.9212Ω,L12＝5.2606·10-9H，X12＝-49.5792Ω再利用前面导出的集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式，可以计算得到微带滤波器的电气参数为：Z1e＝133.8363Ω，Z1o＝79.8434Ω，θ1＝π/2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微带滤波器，在微带线的金属上覆层(I)中包括：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、第二平行耦合线节(3)、第三平行耦合线节(4)和输出馈线(5)；其中，输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了第二平行耦合线节(3)下侧的一端，同时第二平行耦合线节(3)下侧的另一端连接到第三平行耦合线节(4)左侧的一端，第三平行耦合线节(4)右侧的一端连接到输出馈线(5)的左端。微带滤波器的电气参数为：输入馈线(1)和输出馈线(5)的特征阻抗同为R

【技术特征摘要】
1.一种微带滤波器，在微带线的金属上覆层(I)中包括：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、第二平行耦合线节(3)、第三平行耦合线节(4)和输出馈线(5)；其中，输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)左侧的一端，在第一平行耦合线节(2)右侧的一端连接了第二平行耦合线节(3)下侧的一端，同时第二平行耦合线节(3)下侧的另一端连接到第三平行耦合线节(4)左侧的一端，第三平行耦合线节(4)右侧的一端连接到输出馈线(5)的左端。微带滤波器的电气参数为：输入馈线(1)和输出馈线(5)的特征阻抗同为RS；第一平行耦合线节(2)和第三平行耦合线节(4)的偶模阻抗同为Z1e，奇模阻抗同为Z1o，电长度同为θ1；第二平行耦合线节(3)的偶模阻抗为Z2e，奇模阻抗为Z2o，电长度为θ2。微带滤波器可以用一集总参数等效网络来等效，集总参数等效网络的特征在于：源阻抗RS与第一个阻抗倒置器K级联，与电感L与感抗jX组成的串联谐振器进行串联，与电感L12与感抗jX12组成的串联谐振器进行并联，接着与电感L与感抗jX组成的串联谐振器进行串联，再通过第二个阻抗倒置器K进行级联，最终与负载阻抗RS进行并联。集总参数等效网络中的各个元件与微带滤波器的电气参数之间的等效关系式如下：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖飞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51