一种紧凑双端吸收带通滤波器

1.本发明涉及滤波技术领域，更具体的说是涉及一种紧凑双端吸收带通滤波器。


背景技术：

2.滤波器几乎是所有现代射频/微波系统的基本组成部分，多功能、高性能带通滤波器(bpf)在雷达系统和下一代无线通信系统中有很高的需求。传统的微波滤波器通过提供无功阻抗把阻带中的不需要的信号反射回到源，即滤波器在阻带中有反射。在实践中，这些滤波器的反射特性可能会在连接到非线性电路(如功率放大器和混频器)时出现系统级问题，在许多情况下，这些非线性电路的性能对带外阻抗是敏感的，特别是那些谐波。因此，使用反射滤波器可能会导致不可预测的系统性能下降，例如效率损失、过多的杂散信号电平和动态范围损失。采用传统的带通滤波器，在射频前端通常需要加隔离器，以避免阻带回波对电路性能的影响，这使得系统体积增大。
3.近年来，吸收型或无反射型射频bpf已成为射频前端链中防止不需要的射频信号功率反射带来的块间信号干扰和提高相邻射频有源电路稳定性的热门器件。与传统的反射滤波器不同，非传输rf输入信号能量在其阻带内被电路吸收，而不是将其反射回源，避免了相邻级工作状态的恶化。因其能吸收反射回到源的带外干扰信号，所以可以有效地减少射频信号功率回波在整个射频前端级联的有害影响，从而提高其运行鲁棒性。
4.传统解决方案包括使用衰减器或非互易组件，如隔离器和循环器，以减少杂散信号的反射，但它以显著的信号损失、成本、尺寸和系统重量为代价；基于互补双工器的新型全吸收自适应射频滤波器，它们只在输入端(即，不是在两个端口)具有无反射行为；分布式准吸收带通滤波器，采用电阻负载有耗谐振腔作为第一谐振腔，也只吸收一侧的反射；基于对称电路，其偶模和奇模电路在所有频率上具有相同的振幅反射系数，符号相反的集总元件对称双端口吸收滤波器；使用带通部分(反射型耦合线滤波器)和吸收部分(一个匹配的电阻串联一个短路stub)实现了更高阶和对称的全带准吸收bpf，结构复杂尺寸大。
5.因此，如何提供一种具有小型化的电路尺寸，而不会降低带内回波损失性能的紧凑双端吸收带通滤波器是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种紧凑双端吸收带通滤波器，以解决背景技术中提及的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种紧凑双端吸收带通滤波器，包括：带通部和吸收部；所述带通部为两条平行的微带线组成；所述微带线分别作为输入端和输出端；所述微带线两端连接吸收部；所述吸收部包括：电阻和四分之一波长传输线；所述微带线每一端依次连接电阻、四分之一波长传输线的一端；所述四分之一波长传输线的另一端接地。
9.优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，所述输出端连接匹配负载。
10.优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，所述输入端和所述输出端阻抗矩阵为：
[0011][0012]
其中：z
1,1,z1,2,z2,1,z2,2,
分别表示端口阻抗。
[0013]
优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，端口阻抗表达式如下：
[0014][0015][0016]
在(2a)和(2b)中，n1，n2，n3，n4为
[0017][0018][0019][0020][0021]
其中z
0e
和z
0o
分别为传输线的偶模和奇模特征阻抗；θ为对应的电气长度；za为吸收结构的输入阻抗。
[0022]
优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，吸收部的输入阻抗：
[0023]
za＝r+jzatanθaꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0024]
za为吸收结构的特征阻抗，θa为其对应的电长；r是吸收电阻。
[0025]
优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，输出端口接匹配负载，得到输入端口的输入阻抗：
[0026][0027]
其中，
[0028]
zb＝za//z0ꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0029][0030]zin1
为参数z
0e
、z
0o
、za、θa和r的频率函数。
[0031]
优选的，在上述的一种紧凑双端吸收带通滤波器中，当za→
∞，即θa→
π/2，在中心频率处z
in
表示为
[0032][0033]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种紧凑的双端口吸收微带耦合线带通滤波器，四个不匹配的吸收部与电阻的组合被用来产生双端口吸收，所提出滤波器结构带通响应由平行耦合线部分实现，类似于传统的耦合线滤波器；吸收部由一个电阻和一个接地四分之一波长传输线组成。为了实现所有频率的双端口吸收，耦合线开路端口串联接入吸收支路，而输入输出端口则是并联端接吸收支路。在距离中心频率一定范围内，这些端表现为开路(oc)特性，使得该结构表现为耦合线滤波特性。在通带之外，吸收支路则表现为接地的匹配负载，有助于吸收带外信号。该带通部分仅由一个四分之一波长耦合线组成，具有小型化的电路尺寸，而不会降低带内回波损失性能。所提出的吸收型bpf具有尺寸小、全频率平坦、群延迟低、带外吸收比高、带内对称无反射性能好等特点，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明提供的结构示意图；
[0036]
图2(a)为本发明吸收部的输入阻抗曲线；
[0037]
图2(b)为本发明未设置吸收部的耦合线滤波器的s参数曲线；
[0038]
图3(a)为本发明实物布局图；
[0039]
图3(b)本发明群延迟特性曲线；
[0040]
图3(c)本发明吸收性bpf的s参数曲线；
[0041]
图3(d)本发明吸收比曲线。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
本发明实施例公开了一种紧凑双端吸收带通滤波器，如图1所示，包括：带通部和吸收部；所述带通部为两条平行的微带线组成；所述微带线分别作为输入端和输出端；所述微带线两端连接吸收部；所述吸收部包括：电阻和四分之一波长传输线；所述微带线每一端依次连接电阻、四分之一波长传输线的一端；所述四分之一波长传输线的另一端接地。
[0044]
基于传统四端口平行耦合线结构的阻抗矩阵，其1'和2'端口电压和电流的矩阵可表示为
[0045]
[0046]
其中：
[0047][0048][0049]
在(2a)和(2b)中，n1，n2，n3，n4为
[0050][0051][0052][0053][0054]
其中z
0e
和z
0o
分别为耦合传输线的偶模和奇模特征阻抗。θ为对应的电气长度。za为吸收结构的输入阻抗，如图1所示，表示为
[0055]
za＝r+jzatanθaꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0056]
za为吸收结构的特征阻抗，θa为其对应的电长。r是吸收电阻。
[0057]
当输出端口接阻抗z0时，在这里中设置为50ω，从图1中可得到1，端口的输入阻抗的z参数为：
[0058][0059]
这里：
[0060]
zb＝za//z0ꢀꢀꢀꢀ
(6)；
[0061][0062]
由上式可知，z
in1
为参数z
0e
、z
0o
、za、θa和r的频率相关函数。其中包含的参数太多，无法用于直接设计。
[0063]
当za→
∞，即θa→
π/2，在中心频率处z
in
可表示为:
[0064][0065]
由(8)可知，图1中的结构在中心频率时与常规耦合线电路相同。在实际应用中，za在距离中心一定频率范围内可以保持足够大的，如图2(a)所示，保证了耦合线滤波器的带通特性。|za|随不同za和r的变化如图2(a)所示。值得注意的是，过小的高阻抗频率范围限制了这种结构的带宽。
[0066]
为了保证带通段的良好特性，在端部负载为z0＝50ω，且没有四个吸收根时，基于(8)式设计的z
0e
和z
0o
分别为157.66ω和57.1ω，则耦合线滤波器的s-参数如图2(b)所示。
[0067]
设计、制造及仿真和测试结果：
[0068]
基于图1中的吸收型bpf模型，设计了输入输出阻抗为50ω、中心频率为2.4ghz的双端口吸收型微带耦合线带通滤波器。使用厚度为0.762mm的rogers ro3003衬底的滤波器布局如图3(a)所示。
[0069]
吸收滤波器的物理尺寸如图3(a)所示，是通过ansys hfss进行仿真和优化得到的。在给定规格下，吸收滤波器的最佳电路参数为:z
0e
＝157.66ω，z
0e
＝157.66ω，za＝50.59ω,r＝100ω。
[0070]
为了演示所提出的吸收带通滤波器的性能，在微带上实现并制作了电路。图3(b)为制备的0.27λ*0.28λ电路尺寸的吸收性bpf的照片，图3(b)-(c)为采用agilent矢量网络分析仪测量的散射参数和gds。此外，功率吸收比为
[0071]
ar＝(1-|s
11
|
2-|s
21
|2)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀ
(9)；
[0072]
用matlab计算并绘制如图3(d)所示。实验结果表明，所制备的吸收性bpf的测量结果与模拟结果非常吻合。
[0073]
从测量结果来看，群时延在0.5-4ghz小于0.74ns，在f0＝2.4ghz时最大，并呈平缓趋势，如图3(b)所示。如图3(c)所示，所制滤波器的实测3-db fbw(
△
s21-3db)为28.1％，在f0＝2.4ghz处的插入损耗(il)为0.22db，在f0＝2.4ghz处的实验输入和输出回波损耗分别为22.75db和22.77db。同时，通带内和通带外的实测回波损耗分别大于19.2db和20.5db。此外，如图3(d)所示，从0到4ghz(即不考虑通带范围)，最小阻带功率吸收比为98.5％，最小通带吸收比为2.58％。
[0074]
综上所述，本实施例公开了一种紧凑的双端口吸收微带耦合线带通滤波器。利用四个不匹配的吸收部的组合来产生双端口吸收。带通部分仅由1/4波长耦合线组成，避免了电路尺寸的增加，并且没有减少带内回波损失。所提出的吸收型bpf具有结构紧凑、全频平坦、gd低、带外吸收比高、全带无反射性能好等特点，在雷达和5g通信系统中具有广阔的应用前景。
[0075]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0076]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，包括：带通部分和吸收部；所述带通部为两条平行的微带线组成；所述微带线分别作为输入端和输出端；所述微带线两端连接吸收部；所述吸收部包括：电阻和四分之一波长传输线；所述微带线每一端依次连接电阻、四分之一波长传输线的一端；所述四分之一波长传输线的另一端接地。2.根据权利要求1所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，所述输出端连接匹配负载。3.根据权利要求1所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，所述输入端和所述输出端阻抗矩阵为：其中：z
1,1
,z
1,2
,z
2,1
,z
2,2
,分别表示端口阻抗。4.根据权利要求3所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，端口阻抗表达式如下：如下：在(2a)和(2b)中，n1，n2，n3，n4为为为为其中z
0e
和z
0o
分别为传输线的偶模和奇模特征阻抗；θ为对应的电气长度；z
a
为吸收结构的输入阻抗。5.根据权利要求4所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，吸收部的输入阻抗：z
a
＝r+jz
a
tanθ
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；z
a
为吸收结构的特征阻抗，θ
a
为其对应的电长；r是吸收电阻。6.根据权利要求5所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，输出端口接匹配负载，得到输入端口的输入阻抗：
其中，z
b
＝z
a
//z0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)；z
in1
为参数z
0e
、z
0o
、z
a
、θ
a
和r的频率函数。7.根据权利要求6所述的一种紧凑双端吸收带通滤波器，其特征在于，当z
a
→
∞，即θ
a
→
π/2，在中心频率处z
in
表示为：

技术总结
本发明公开了一种紧凑双端吸收带通滤波器，应用于滤波技术领域，包括：带通部和吸收部；所述带通部为两条平行的微带线组成；所述微带线分别作为输入端和输出端；所述微带线两端连接吸收部；所述吸收部包括：电阻和四分之一波长传输线；所述微带线每一端依次连接电阻、四分之一波长传输线的一端；所述四分之一波长传输线的另一端接地。本发明所提出的吸收型BPF具有尺寸小、全频率平坦、群延迟低、带外吸收比高、带内对称无反射性能好等特点，具有广泛的应用前景。广泛的应用前景。广泛的应用前景。


技术研发人员：李磊
受保护的技术使用者：淮阴师范学院
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/20