專利名稱：多頻帶帶阻濾波器及多頻帶帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多頻帶帶阻濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及基于
該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多頻帶帶通濾波器。
背景技術(shù)：
多頻帶帶阻濾波器(以下簡稱多阻帶)是用來濾除通信信道內(nèi)不需要的一些頻帶 信號的設(shè)備，而多頻帶帶通濾波器(以下簡稱多通帶)則是用來篩選出通信信道內(nèi)需要的 一些頻帶信號的設(shè)備。 雙頻帶帶阻濾波器(以下簡稱雙阻帶)比較典型的是cul-de-sac結(jié)構(gòu)，如圖l所 示。其基于交叉耦合的原理。其中，l腔和8腔之間間距l(xiāng)/4波長的奇數(shù)倍。1、8腔耦合到 主通道上，其余各腔以特定的方式耦合在其它諧振腔上。 在窄帶情況下，cul-de-sac結(jié)構(gòu)的各個諧振腔是相當(dāng)敏感的，尤其是圖1中所示 的諧振腔1和8，由于溫漂所產(chǎn)生的效應(yīng)非常明顯。并且這種耦合結(jié)構(gòu)基于交叉耦合，因而 主要局限于雙阻帶的設(shè)計。并且，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很難擴展到3頻帶、4頻帶帶阻濾波器(以 下簡稱3阻帶、4阻帶)的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種易于設(shè)計、性能優(yōu)良 的多阻帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是多頻帶帶阻濾波器，包括N個諧振腔組，N為頻帶的個 數(shù)，2《N《4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應(yīng)；每個諧振腔組均由 一字排列的n個諧振腔構(gòu)成，3《n《5，屬于同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4 波長的奇數(shù)倍，矩形波導(dǎo)為3/4倍波導(dǎo)波長，所述波長對應(yīng)的頻率為多頻帶帶阻濾波器的 中心頻率；N個諧振腔組共用一個主通道并與主通道平行，當(dāng)N = 2時，2個諧振腔組相對于 主通道對稱布置，兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和f2， f工< f2，且諧振頻率f2位于諧振 頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；當(dāng)N = 3時，主通道一側(cè)布置1個諧振腔組，諧振腔組 的諧振頻率為fi或f2，主通道另一側(cè)布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率 為f2或fp遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3， fi < f2 < f3，且諧振頻率f3位于諧振 頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；當(dāng)N = 4時，4個諧振腔組相對于主通道對稱布置，其 中一側(cè)的兩個諧振腔組的諧振頻率為^和&，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別 為^和f2， f4，且諧振頻率f4位于諧振頻率為^的諧振腔組的帶阻頻帶外；
靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，主通道同側(cè)遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組與臨近主通 道的諧振腔組之間進(jìn)行耦合。 所述的諧振腔組具有切比雪夫函數(shù)響應(yīng)。 基于多頻帶帶阻濾波器的多頻帶帶通濾波器，由多頻帶帶阻濾波器和單頻帶帶通 濾波器構(gòu)成，滿足下述關(guān)系式
3
單頻帶帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器=N+l頻帶帶通濾波器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于 (1)本發(fā)明每個諧振腔后面最多再耦合一個諧振腔，因而，極大的降低了諧振腔的 敏感度，從而降低了其對工藝和溫度等方面的要求。其次，其基于多個帶阻濾波器阻帶級聯(lián) 從而實現(xiàn)多阻帶響應(yīng)的原理，因而不僅僅局限于窄帶多阻帶的設(shè)計。再次，本發(fā)明中的濾波 器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則可以較為方便的實現(xiàn)3阻帶和4阻帶響應(yīng)。最后，通過和單頻帶帶通濾波器 結(jié)合，實現(xiàn)了較為理想的多通帶響應(yīng)。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)雙通帶、3通帶、4通帶、5通帶， 特別是4通帶、5通帶，應(yīng)用一般的多通帶耦合結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)； (2)本發(fā)明N組諧振腔，每一組形成一個帶阻帶，具有切比雪夫濾波器響應(yīng)。每一 個阻帶由n個諧振腔構(gòu)成。每個諧振腔組的初值可由對應(yīng)的切比雪夫濾波器給定，降低了 綜合的難度。


圖1為傳統(tǒng)cul-de-sac結(jié)構(gòu)雙阻帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 圖2為本發(fā)明的雙阻帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(兩組諧振腔分列主通道兩側(cè))； 圖3為圖2低段帶阻濾波器拓?fù)洌?圖4為圖3濾波器響應(yīng)； 圖5為圖2高段帶阻濾波器拓?fù)洌?圖6為圖5濾波器響應(yīng)； 圖7為由圖3和圖5構(gòu)成的圖2所示雙阻帶的響應(yīng)； 圖8為兩組諧振腔在主通道同側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 圖9為圖8所示的兩組諧振腔組在主通道同側(cè)的響應(yīng)； 圖10為本發(fā)明的3阻帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 圖11為圖10低頻段帶阻濾波器拓?fù)洌?圖12為圖11濾波器響應(yīng)； 圖13為圖10中頻段帶阻濾波器拓?fù)洌?圖14為圖13濾波器響應(yīng)； 圖15為圖10高頻段帶阻濾波器拓?fù)洌?圖16為圖15濾波器響應(yīng)； 圖17為由圖11、圖13和圖15構(gòu)成的圖10所示的3阻帶響應(yīng)； 圖18為本發(fā)明的4阻帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 圖19為圖18所示4阻帶響應(yīng)； 圖20為由圖18所示4阻帶+8階帶通濾波器得到的5通帶濾波器響應(yīng)； 圖21為本發(fā)明的10階矩形波導(dǎo)雙阻帶濾波器模型； 圖22為圖21雙阻帶濾波器仿真結(jié)果； 圖23為應(yīng)用SIW導(dǎo)波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的兩組諧振腔處于主通道同一側(cè)的模型； 圖24為圖23雙阻帶濾波器Sll仿真及測試結(jié)果； 圖25為圖23雙阻帶濾波器S21仿真及測試結(jié)果； 圖26為本發(fā)明基于SIW的16階4阻帶(N = 4， n = 4)模型。
具體實施例方式
本發(fā)明的設(shè)計思路是應(yīng)用一種較簡單的近似方法來設(shè)計多阻帶。由低到高依次設(shè) 計單頻帶的帶阻濾波器，隨后通過這些濾波器的參數(shù)得到多阻帶的初值，最后對其進(jìn)行調(diào) 整優(yōu)化，則可以得到需要的多阻帶響應(yīng)。 本發(fā)明多頻帶帶阻濾波器包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數(shù)，2《N《4， N個諧 振腔組通過重疊排列來獲取多頻帶帶阻濾波器響應(yīng)；每個諧振腔組均由一字排列的n個諧 振腔構(gòu)成，一般3《n《5則可滿足指標(biāo)要求，每個諧振腔組具有切比雪夫帶阻響應(yīng)。屬于 同一個諧振器組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數(shù)倍，矩形波導(dǎo)一般取3/4倍波導(dǎo) 波長，所述波長對應(yīng)的頻率為整個多頻帶帶阻濾波器的中心頻率。N個諧振腔組共用一個主 通道并與主通道平行，所有諧振腔組通過重疊排列，或者處于主通道一側(cè)，或者處于主通道 兩側(cè)。但是每側(cè)的諧振腔組不超過兩組。當(dāng)N二2時，2個諧振腔組相對于主通道對稱布 置。兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和且諧振頻率f2位于諧振頻率為^的 諧振腔組的帶阻頻帶外。當(dāng)N = 3時，主通道一側(cè)布置1個諧振腔組，諧振腔組的諧振頻率 為^或f2，主通道另一側(cè)布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率為f2或4， 遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3， fi < f2 < f3，且諧振頻率f3位于諧振頻率為^的 諧振腔組的帶阻頻帶外；當(dāng)N = 4時，4個諧振腔組相對于主通道對稱布置，其中一側(cè)的兩 個諧振腔組的諧振頻率為^和&，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別為^和f2， 并且有頻率關(guān)系f4，且諧振頻率f4位于諧振頻率為^的諧振腔組的帶阻頻 帶外；靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組與臨近主通道的 諧振腔之間進(jìn)行耦合。 首先，介紹一個10階的雙阻帶，即N二2， n二5，如圖2所示。其含有10個諧振 腔(NXn)，其中1、2、3、4、5腔諧振頻率為^ = 12. 25GHz，濾波器拓?fù)淙鐖D3，組成低端的帶 阻響應(yīng)，如圖4所示。而6、7、8、9、10腔諧振在f2 = 13. 25GHz上，濾波器拓?fù)淙鐖D5，實現(xiàn) 高端的帶阻響應(yīng)，理想響應(yīng)如圖6所示。對兩組諧振腔按照圖2所示排列，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu) 化，則能實現(xiàn)如圖7所示的雙阻帶響應(yīng)。每一個對應(yīng)頻率的帶阻濾波器都基于傳統(tǒng)的切比 雪夫函數(shù)，其中，1到2腔、2到3腔，3到4腔，4到5腔之間都間隔四分之一波長的奇數(shù)倍。 矩形波導(dǎo)一般取3/4倍波導(dǎo)波長。需要注意的是，6、7、8、9、10腔的諧振頻率&應(yīng)該在1、 2、3、4、5腔形成的帶阻濾波器的帶通帶內(nèi)(也即帶阻帶外)，即應(yīng)該避免f2處于1、2、3、4、 5腔的高次模上。而在一般的阻帶帶寬下，這個條件都能滿足。 為了擴展到多頻帶，需要在主通道一側(cè)排列兩組諧振腔?，F(xiàn)驗證通過兩組諧振腔 的重疊排列，可以實現(xiàn)需要的雙阻帶響應(yīng)。取N二2，n二3，腔體排列如圖8所示。同上，l、 2、3腔諧振頻率為^ = 11. 65GHz，而4、5、6腔諧振在f2 = 12. 7GHz上，實現(xiàn)了雙阻帶的設(shè) 計，理想響應(yīng)如圖9所示。同樣，每一個對應(yīng)頻率的諧振腔組都基于傳統(tǒng)的切比雪夫函數(shù)。
通過在圖2所示的雙阻帶結(jié)構(gòu)上，在其主通道任一側(cè)按照圖8所示的方式再加一 組耦合腔，通過精細(xì)的優(yōu)化，則可以實現(xiàn)3阻帶。如圖10所示，N二3，n二4。其含有12 個諧振腔，1、2腔，2、3腔，3、4腔之間都間隔四分之一波長的奇數(shù)倍。矩形波導(dǎo)一般取3/4 倍波導(dǎo)波長。每一個對應(yīng)頻率的帶阻濾波器都基于傳統(tǒng)的切比雪夫函數(shù)。其中1、2、3、4 腔諧振頻率為^ = 11. 2GHz，構(gòu)成如圖11所示第一組諧振腔組，響應(yīng)如圖12所示，阻帶為
511. lGHz-11. 3GHz，對應(yīng)3頻帶低頻段阻帶。5、6、7、8腔諧振在f2 = 12. 2GHz上，構(gòu)成如圖 13所示的第二組諧振腔組，響應(yīng)如圖14所示，阻帶為12. lGHz-12. 3GHz，對應(yīng)3頻帶中頻段 阻帶。第三組諧振腔組由9、10、11、12腔如圖15所示排列組成。腔體諧振在f3 = 13. 2GHz 上，響應(yīng)如圖16所示，阻帶為13. lGHz-13. 3GHz，對應(yīng)3頻帶高頻段阻帶。把3組諧振腔如 圖10所示排列，經(jīng)過細(xì)致的優(yōu)化，則可以得到圖17所示的3阻帶響應(yīng)。 3阻帶可進(jìn)一步推廣為4阻帶。圖18給出了 16階4阻帶的拓?fù)?，?yōu)化后的響應(yīng) 如圖19所示。其阻帶為11.05GHz-11. 15GHz， 11. 55GHz-11. 65GHz， 12. 05GHz-12. 15GHz，
12. 55GHz-12. 65GHz。可以看到，各個阻帶的抑制特性以及各阻帶之間的通帶特性都很好。 因而應(yīng)用這種多阻帶結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計多通帶。其設(shè)計思路為帶通濾波器+N阻帶=N+l通 帶。對圖18的4阻帶加上一個帶通濾波器，可以得到圖20所示的5通帶響應(yīng)。通帶為 10. 7GHz-llGHz，11. 2GHz-11. 5GHz，11. 7GHz-12GHz，12. 2GHz-12. 5GHz，12. 7GHz-13GHz。應(yīng) 用同樣的方法，還可以設(shè)計雙通帶、3通帶、4通帶濾波器。 以上這些拓?fù)?，波?dǎo)、微帶、同軸、SIW諧振腔都可實現(xiàn)。其中，微帶或同軸諧振腔 在主通道間隔1/4倍波長，而波導(dǎo)和SIW諧振腔則需要主通道間隔3/4倍波導(dǎo)波長。
實施例 以上詳細(xì)的給出了本發(fā)明的設(shè)計思路。其主要基于兩種雙阻帶結(jié)構(gòu)第一個如圖 2所示，兩組諧振腔分列主通道兩側(cè)，是用來設(shè)計雙阻帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；第二個如圖8所示，兩 組諧振腔處于主通道同一側(cè)(圖8)，是用來把雙阻帶拓展成為3阻帶、4阻帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 接下來將分別通過矩形波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)兩種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而證 明本發(fā)明提出的多阻帶結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)性。最后給出基于SIW的4阻帶模型示意圖。
如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計一個基于矩形波導(dǎo)的雙阻帶。如圖21所示。每個諧 振腔組有5個諧振腔，也即N = 2，n = 5。兩組諧振腔分列主通道兩側(cè)。諧振腔和主通道 之間的耦合為寬邊耦合。仿真結(jié)果如圖22所示。其中1、2、3、4、5腔諧振在12.25GHz，6、 7、8、9、10腔諧振在13.25GHz。諧振腔由矩形波導(dǎo)諧振腔實現(xiàn)，主通道也由矩形波導(dǎo)實現(xiàn)。 每個諧振腔組的5個諧振腔在主通道一側(cè)一字排列，間距為3/4倍波導(dǎo)波長，中心頻率選取 12. 75GHz。各個諧振腔之間通過金屬膜片形成耦合窗實現(xiàn)耦合。
基于矩形波導(dǎo)的雙阻帶主要指標(biāo)如下 中心頻率f。 = 12. 75GHz，阻帶帶寬:A f丄=200MHz， A f2 = 200MHz，低端阻帶: 12. lGHz-12. 4GHz，高端阻帶13. lGHz-13. 4GHz，阻帶抑制^ 30dB。 通過仿真設(shè)計，可以看到，仿真結(jié)果優(yōu)良，其阻帶的抑制特性、阻帶之間通帶的傳 輸特性都非常好。 應(yīng)用SIW導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩組諧振腔分布在主通道同側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖23所示， 其N = 2，n = 3。諧振腔和主通道以及諧振腔之間通過窄邊進(jìn)行耦合。介質(zhì)板選用Rogers 5880，介電常數(shù)為2. 2。其包含6個諧振腔(NXn)。其中1、2、3腔諧振在11. 65GHz，4、5、6 腔諧振在12. 7GHz。諧振腔由SIW諧振腔實現(xiàn)，主通道也由SIW導(dǎo)波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。鄰近主通道 的各個腔(1、2、3腔)依次間距3/4倍波導(dǎo)波長，中心頻率選取12. 2GHz。各個腔之間通過 金屬通孔形成的耦合窗實現(xiàn)耦合?；刹▽?dǎo)和微帶的連接通過微帶漸變線實現(xiàn)。通過 精細(xì)的仿真和優(yōu)化，得到其參數(shù)如圖23所示。仿真和測試結(jié)果如圖24和圖25所示。可以 看到，仿真和實測結(jié)果吻合很好。其阻帶的抑制特性、阻帶之間通帶的傳輸特性都非常好，
6能很方便的與平面電路集成，不需要后期調(diào)試，適用于批量生產(chǎn)，并且能保持較高的Q值。
基于SIW導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的兩組諧振腔處于主通道同一側(cè)的濾波器，其主要指標(biāo)如下
中心頻率f。 = 12GHz，阻帶帶寬A f: = 300MHz， A f2 = 200MHz，低端阻帶 11. 5GHz-ll. 8GHz，高端阻帶12. 6GHz_12. 8GHz，阻帶抑制^ 20dB。 圖26為SIW諧振腔構(gòu)成的16階4阻帶模型示意。諧振腔用SIW諧振腔實現(xiàn)，主 通道用SIW導(dǎo)波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，諧振腔間耦合以及諧振腔和主通道之間耦合通過金屬通孔形成 的耦合窗實現(xiàn)。輸入輸出用微帶線實現(xiàn)。微帶和SIW之間通過微帶漸變線實現(xiàn)寬帶過渡。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
多頻帶帶阻濾波器，其特征在于包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數(shù)，2≤N≤4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應(yīng)；每個諧振腔組均由一字排列的n個諧振腔構(gòu)成，3≤n≤5，屬于同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數(shù)倍，矩形波導(dǎo)為3/4倍波導(dǎo)波長，所述波長對應(yīng)的頻率為多頻帶帶阻濾波器的中心頻率；N個諧振腔組共用一個主通道并與主通道平行，當(dāng)N＝2時，2個諧振腔組相對于主通道對稱布置，兩個諧振腔組的諧振頻率分別為f1和f2，f1＜f2，且諧振頻率f2位于諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；當(dāng)N＝3時，主通道一側(cè)布置1個諧振腔組，諧振腔組的諧振頻率為f1或f2，主通道另一側(cè)布置2個諧振腔組，靠近主通道的諧振腔組的諧振頻率為f2或f1，遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組的諧振頻率為f3，f1＜f2＜f3，且諧振頻率f3位于諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；當(dāng)N＝4時，4個諧振腔組相對于主通道對稱布置，其中一側(cè)的兩個諧振腔組的諧振頻率為f1和f3，靠近主通道的兩個諧振腔組的諧振頻率分別為f1和f2，f1＜f2＜f3＜f4，且諧振頻率f4位于諧振頻率為f1的諧振腔組的帶阻頻帶外；靠近主通道的諧振腔組與主通道直接耦合，主通道同側(cè)遠(yuǎn)離主通道的諧振腔組與臨近主通道的諧振腔組之間進(jìn)行耦合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻帶帶阻濾波器，其特征在于所述的諧振腔組具有切比雪夫函數(shù)響應(yīng)。
3. 多頻帶帶通濾波器，其特征在于由權(quán)利要求1所述的多頻帶帶阻濾波器，以及單頻 帶帶通濾波器構(gòu)成，滿足下述關(guān)系式單頻帶帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器=N+l頻帶帶通濾波器。
全文摘要
多頻帶帶阻濾波器，包括N個諧振腔組，N為頻帶的個數(shù)，2≤N≤4，N個諧振腔組通過重疊排列獲取多頻帶帶阻濾波器響應(yīng)。每個諧振腔組均由一字排列的n個諧振腔構(gòu)成，3≤n≤5，屬于同一個諧振腔組的n個諧振腔之間間距為1/4波長的奇數(shù)倍，矩形波導(dǎo)為3/4倍波導(dǎo)波長，N個諧振腔組共用一個主通道并與主通道平行。所有諧振腔組通過重疊排列，或者處于主通道一側(cè)，或者處于主通道兩側(cè)。但是每側(cè)的諧振腔組不超過兩組。本發(fā)明多頻帶帶阻濾波器各個阻帶的抑制特性以及各阻帶之間的通帶特性都很好。因而應(yīng)用這種多頻帶帶阻濾波器結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計多通帶濾波器，其設(shè)計思路基于帶通濾波器+N頻帶帶阻濾波器＝N+1通帶帶通濾波器。
文檔編號H01P1/209GK101719579SQ20091024328
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者于洪喜, 吳須大, 周穎, 楊毅民, 楊飛 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所