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 穩的通帶，同時限制通帶外所有頻率的波通過，然而在現有技術中，大多數帶通 濾波器都存在諧波響應特性，這將會導致微波系統整體性能的下降。
在現階段，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，產生布喇格反射來抑制二次諧波。(3)在帶通濾波器的介質基板中挖槽來修 正奇偶模的相速使其一致，從而實現二次諧波抑制。(4)通過在帶通濾波器上級 聯多個階躍阻抗諧振器(SIR)來實現諧波抑制，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。

發明內容
針對上述問題，本發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。
為實現上述目的，本發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諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器，所述 左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器為大小相同的矩形環，矩形環均由 微帶線構成，所述微帶線展開后的周長為半工作波長；所述左開環諧振器、中開 環諧振器和右開環諧振器等間距并排設置在介質基板上；所述左開環諧振器上的 輸入端口和右開環諧振器上的輸出端口關于所述中開環諧振器中心對稱；所述開 環縫隙設置在所在邊的中點上。
所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器的設計方法為，首先確定 介質基板的厚度、介質基板的介電常數、帶通濾波器的中心頻率和開環諧振器的 周長；其次利用仿真方法優化得出所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器的微帶線寬、長寬比例、輸入端口和輸出端口的位置和相鄰開環諧振器之間的距離。
當所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器均為長方形時，所述左開環諧振器的開環縫隙設置在右邊中點上，所述中開環諧振器的開環縫隙設置在頂邊中點上，所述右開環諧振器的開環縫隙設置在左邊中點上。
當所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器均為正方形時，將所述中開環諧振器替換為一短路環諧振器，所述左開環諧振器、短路環諧振器和右開環諧振器的開環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諧振器和右開環諧振器上的位置相同。
所述的介質基板的介電常數為4 10。
所述的介質基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明的可抑制二次諧波的帶通濾波器通過選擇適當的耦合區間實現諧波抑制，因此使得電路結構簡單，易于實現。2、本發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，因此不會有電阻產生熱能，在射頻集成電路中有著廣泛的應用前景。3、本發
明由于諧振器結構簡單，因此而對介質板的要求不高，并且一旦諧振器的耦合區間確定，環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。本發明可廣泛應用于射頻微波系統以及射頻集成電路。


圖1是本發明的帶通濾波器當三個開環諧振器均為長方形時結構示意圖
圖2是本發明的帶通濾波器當三個開環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示意4是本發明的耦合區間示意圖
圖5是本發明的耦合區間相鄰兩微帶線上的二次諧波電壓 函數示意6是本發明的介質基板結構示意7是本發明的實施例一的S參數與頻率的曲線示意8是本發明的實施例二的S參數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明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明的可抑制二次諧波的帶通濾波器包括左開環諧振器1、中開環諧振器2和右開環諧振器3。左開環諧振器l、中開環諧振器2和右開環諧振器3大小相同的矩形環，它們等間距地并排刻蝕在帶通濾波器的介質基板上面。三個開環諧振器的矩形環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有的計算軟件根據濾波器的中心頻率計算得到。在三個開環諧振器中，左開環諧振器1和右開環諧振器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。左開環諧振器1、中開環諧振器2和右開環諧振器3上分別設置有寬度相等的左開環縫隙12、中開環縫隙21和右開環縫隙32，且左開環縫隙12、中開環縫隙21和右開環縫隙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量級，開環縫隙的位置在其所在開環諧振器的邊長中點處。
如圖1所示，當左開環諧振器1、中開環諧振器2和右開環諧振器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縫隙12和右開環縫隙32的1/3~1/2周長處，且輸入端口 ll和輸出端口 31關于中開環諧振器2中心對稱。左開環縫隙12位于左開環諧振器1的右邊的中點處，中開環縫隙21位于中開環諧振器2的頂邊中點處，右開環縫隙32位于右開環諧振器3的左邊中點處。左開環縫隙12、中開環縫隙21和右開環縫隙32的寬度一致。
如圖2所示，當三個諧振器均為正方形時，需將中開環諧振器2替換為一開環縫隙處打孔接地的短路環諧振器4。輸入端口 11和輸出端口 31分別設置在距左開環縫隙12和右開環縫隙32的1/3~1/2周長處，且輸入端口 11和輸出端口 31在左開環諧振器1和右開環諧振器3上的位置相同。左開環縫隙12、中開環縫隙21和右開環縫隙32均位于左開環諧振器1、短路環諧振器4和右開環諧振器3的頂邊中點處，且寬度一致。
本發明帶通濾波器的設計中，首先確定介質基板的厚度、介質基板的介電常數、帶通濾波器的中心頻率和開環諧振器的周長。其次，根據這些參數，利用現有的電磁仿真軟件對濾波器進行仿真，優化得出三個諧振器的微帶線寬、矩形環的長寬比例、輸入端口和輸出端口的具體位置和相鄰開環諧振器之間的距離。
如圖3所示，表示半波長微帶諧振器0L，其長度L即為將開環諧振器的矩形環展開后的周長/，作為本發明中開環諧振器的計算模型。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。如圖4所示，由于幵環諧振器的開環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諧振器上的二次諧波電壓波函數在耦合區間Z內是對稱的。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，在本發明中，A的值與耦合區間的選取無關。V1和V2分別是耦合區間Z內的兩微帶線上的二次諧波電壓波函數。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均勻分布的特點，以及開環諧振器的開環縫隙設置在其所在邊的中點處；因此可以使得耦合區間Z —微帶線上的二次諧波電壓波函數關于對稱軸00'呈奇對稱，另一微帶線上的二次諧波電壓波函數關于對稱軸00'呈偶對稱。因此耦合區間Z的耦合強度k經過積分計算之后的積分值為零，即相鄰開環諧振器的耦合區間內，耦合強度k在二次諧波頻率處為零，從而實現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，當左開環諧振器l、中開環諧振器2和右開環諧振器3均為長方形時，左開環諧振器l、中開環諧振器2和右開環諧振器3等間距地刻蝕在介質基板5 —面，介質基板5的另一面是接地板6。介質基板5的介電常數通常在4 10之間。
本實施例的帶通濾波器設計步驟如下
1) 選定介質基板5的介電常數為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，左開環縫隙12、中開環縫隙21和右開環縫隙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，用安捷倫公司的網絡分析儀8753ES對該結構的濾波器進行測試，得到一組優化的帶通濾波器幾何尺寸參數左開環諧振器1、中開環諧振器2和右開環諧振器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，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，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。回波損耗&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諧振器1、短路環諧振 器4和右開環諧振器3，左開環諧振器l、短路環諧振器4和右開環諧振器3為大 小一致的正方形，且等間距地刻蝕在介質基板5—面，短路環諧振器4的開環端 口打孔接地，設置在左開環諧振器1和右開環諧振器3中間。其中，三個諧振器 的開環縫隙全部設置在諧振器頂邊的中心處，且開環縫隙寬度一致。介質基板5 的另一面是接地板6。介質基板5的介電常數通常在4~ 10之間。
本實施例的帶通濾波器設計步驟如下
i) 選定介質基板5的介電常數為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，左開環縫隙12、短路環諧振器4和右開環縫隙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，用安捷倫公司的網絡分析儀8753ES對該結構的濾波器進行測試，得到一組優 化的帶通濾波器的幾何尺寸參數左開環諧振器1、短路環諧振器4和右開環諧振 器3的邊長Z^20mm，相鄰諧振器之間距離g2 =0. 6mm，左開環諧振器1、短路環諧 振器4和右開環諧振器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，僅為發明的一種較佳實施方式，本領域技術人員可依據本實用新 型說明書、權利要求書與附圖進行修改與等效變換，對于各開環諧振器長寬比例 以及短路環諧振器尺寸的修改與變換均應包含在本發明的專利保護范圍之內。
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諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器，所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器為大小相同的矩形環，矩形環均由微帶線構成，所述微帶線展開后的周長為半工作波長；所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器等間距并排設置在介質基板上；所述左開環諧振器上的輸入端口和右開環諧振器上的輸出端口關于所述中開環諧振器中心對稱；所述開環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 述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器的設計方法為，首先確定介質基 板的厚度、介質基板的介電常數、帶通濾波器的中心頻率和開環諧振器的周長； 其次利用仿真方法優化得出所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器的 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 所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器均為長方形時，所述左開環諧 振器的開環縫隙設置在右邊中點上，所述中開環諧振器的開環縫隙設置在頂邊中 點上，所述右開環諧振器的開環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 所述左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器均為長方形時，所述左開環諧 振器的開環縫隙設置在右邊中點上，所述中開環諧振器的開環縫隙設置在頂邊中 點上，所述右開環諧振器的開環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諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器均為正方形時， 將所述中開環諧振器替換為一短路環諧振器，所述左開環諧振器、短路環諧振器 和右開環諧振器的開環縫隙均設置在頂邊中點上，所述輸入端口和輸出端口在所 述左開環諧振器和右開環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基板的介電常數為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 述的介質基板的介電常數為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: 所述的介質基輸入、輸出端口的微帶線寬度為50歐姆。
全文摘要
本發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諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器，左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器為大小相同的矩形環，矩形環均由微帶線構成，微帶線展開后的周長為半工作波長；左開環諧振器、中開環諧振器和右開環諧振器等間距并排設置在介質基板上；左開環諧振器上的輸入端口和右開環諧振器上的輸出端口關于中開環諧振器中心對稱，其微帶傳輸線的寬度均為50歐姆；開環縫隙設置在所在邊的中點上。本發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，對介質板的要求不高，且不包含任何集中元件，因此不會有電阻產生熱能，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 優先權日2009年7月9日
發明者夏明耀, 戴高樂 申請人:北京大學