一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器及其设计方法

文档序号：1129969 发布日期：2020-10-02 浏览：13次 >En<

阅读说明：本技术 一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器及其设计方法 (Broadband band-stop filter based on transmission line parallel multi-section open circuit stub line and design method thereof ) 是由王小龙陈泓宇卢革宇于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器及其设计方法,所述的滤波器包括：两个源端阻抗单元；N节第一传输线,其串联在所述两个源端阻抗单元之间；其中,所述源端阻抗与其相邻的所述第一传输线之间形成第一连接区域,相邻的两节所述第一传输线之间形成第二连接区域；两组第一开路截线,其与所述第一连接区域一一对应设置,并且所述第一开路截线的一端连接在所述第一连接区域上；一组或多组第二开路截线,其与所述第二连接区域一一对应设置,并且所述第二开路截线的一端连接在所述第二连接区域上；其中,所述第一开路截线包括M节串联的第二传输线,所述第二开路截线包括P节串联的第三传输线；并且满足：N≥2,M≥1,P≥1,M≥P。(The invention discloses a broadband band-stop filter based on a transmission line parallel multi-section open circuit stub and a design method thereof, wherein the filter comprises: two source end impedance units; n sections of first transmission lines are connected in series between the two source end impedance units; a first connection region is formed between the source end impedance and the adjacent first transmission line, and a second connection region is formed between two adjacent sections of the first transmission lines; two sets of first open-circuit stubs are arranged in one-to-one correspondence to the first connection regions, and one ends of the first open-circuit stubs are connected to the first connection regions; one or more groups of second open-circuit stub lines which are arranged in one-to-one correspondence with the second connection regions, and one ends of the second open-circuit stub lines are connected to the second connection regions; wherein the first open stub comprises M sections of a second transmission line connected in series, and the second open stub comprises P sections of a third transmission line connected in series; and satisfies: n is more than or equal to 2, M is more than or equal to 1, P is more than or equal to 1, and M is more than or equal to P.)

技术领域

本发明涉及射频电路微带线器件制造技术领域，特别涉及一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器及其设计方法。

背景技术

带阻滤波器被广泛用作射频/微波器件的基本构建模块。它的主要作用是使规定的频带内信号无法通过(或受到衰减或抑制)，而在其余频率范围内，信号可以很好地通过。因此，带阻滤波器多用于消除单一干扰频率，在通信技术领域有着广泛应用。随着现代无线通信技术的迅速发展，对带阻滤波器需求飞速增加。同时，对带阻滤波器的性能要求也随着提高。

这使得宽带带阻滤波器(WBSF)成为研究的一个热点问题，优良的宽带带阻滤波器需要具有以下几个优良特征：1、阻带可实现带宽范围大；2、通带损耗小；3、阻带信号抑制效果好；4、选择性好。

目前，设计实现带阻滤波器的方法主要有两种：一种方法基于耦合线结构实现带阻滤波器，另一种则是传统的方法，即在横向传输线之间穿插开路截线来构造带阻滤波器。

第一种方法中利用耦合线构构造的带阻滤波器，优势是可能产生较多的传输零点，但是这一类带阻滤波器通常具有较窄的阻带带宽以及较复杂的电路结构，限制了该类滤波器的性能。第二种传统的设计方法电路结构简单、便于实现，但其中经典的横向传输线之间穿插单节开路截线的基本结构除中心频率外并不能产生新的传输零点，而其他的相似设计方法并没有综合的方法指导来产生定量的传输零点与反射零点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器，其能够定量增加传输零点和反射零点的数量，并且具有较宽的阻带带宽和较好的滚降特性。

本发明的目的之二是提供一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器的设计方法，其根据电路传输函数和约束条件进行计算确定每节传输线的阻抗值，能够保证设计得到的滤波器满足所需的性能要求。

本发明提供的技术方案为：

一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器，包括：

两个源端阻抗单元；

N节第一传输线，其串联在所述两个源端阻抗单元之间；

其中，所述源端阻抗与其相邻的所述第一传输线之间形成第一连接区域，相邻的两节所述第一传输线之间形成第二连接区域；

两组第一开路截线，其与所述第一连接区域一一对应设置，并且所述第一开路截线的一端连接在所述第一连接区域上；

一组或多组第二开路截线，其与所述第二连接区域一一对应设置，并且所述第二开路截线的一端连接在所述第二连接区域上；

其中，所述第一开路截线包括M节串联的第二传输线，所述第二开路截线包括P节串联的第三传输线；

并且满足：N≥2，M≥1，P≥1，M≥P。

一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据实际电路尺寸和性能需求确定滤波器电路中第一传输线的节数N、第二传输线的节数M、第三传输线的节数P、阻带抑制SR及回波损耗RL；

步骤二、计算所述滤波器电路的整体传输矩阵，并且根据所述整体传输矩阵得到所述滤波器电路的传输函数；

步骤三、确定所述传输函数的约束条件，并且根据所述传输函数和所述约束条件确定所述第一传输线、所述第二传输线及所述第三传输线的阻抗值。

优选的是，在所述步骤二中，所述滤波器电路的整体传输矩阵为：

其中，为第一开路截线组的整体传输矩阵，

为第二开路截线组的整体传输矩阵，为N节第一传输线的传输矩阵。

优选的是，在所述步骤二中，通过如下关系式得到所述滤波器电路的传输函数：

其中，S₂₁为滤波器电路的正向传输函数，A_T、B_T、C_T和D_T分别为滤波器电路的整体传输矩阵中的元素。

优选的是，当P＝1时，

其中，θ为传输线的电长度，所有开路支截线和横向传输线具有同一电长度；N为第一传输线的节数；M为第二传输线的节数；W为特征常数函数；

和是因子特征阻抗函数；h_M,N是整体特征阻抗函数。

优选的是，在所述步骤三中，所述传输函数的约束条件为：

其中，D₁、D₂……为滤波器电路S函数的各个极点；……为滤波器电路输入反射函数S₁₁在各个极点处的电长度，

……为滤波器电路的正向传输函数S₂₁在各个极点处的电长度；RL是电路的回波损耗，SR是电路的阻带抑制；ε_RL为S₁₁的波纹高度，ε_SR为S₂₁的波纹高度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器，其能够定量增加传输零点和反射零点的数量，并且具有较宽的阻带带宽和较好的滚降特性。

本发明提供的基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器的设计方法，其根据电路传输函数和约束条件进行计算确定每节传输线的阻抗值，能够保证设计得到的滤波器满足所需的性能要求。

附图说明

图1为本发明所述的基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器的电路模型图。

图2为本发明实施例1中的宽带带阻滤波器的电路模型图。

图3为本发明实施例2中的宽带带阻滤波器的电路模型图。

图4为本发明实施例1电路模型的ADS仿真图。

图5为本发明实施例2电路模型的ADS仿真图。

图6为本发明实施例3中的宽带带阻滤波器的电路模型图。

图7为本发明实施例3电路模型的ADS仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器，所述的滤波器为对称结构，具有多传输零点和多反射零点。如图1所示，所述的基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器包括：两个源端阻抗Z₀(两负载电阻等值)和中间的横向N节传输线(Z₁、Z₂……)以及穿插在横向传输线之间的N+1组开路截线(Z_s11、Z_s12、…Z_s1M，Z_s21、Z_s22、…Z_s2P)；开路截线中传输线的节数需要根据实际工作需要结合本发明中给出的规律进行选择。由于设计的宽带带阻滤波器为对称结构，仅对电路左半部分进行了标注。两个源端阻抗单元阻抗值均为Z₀；N节横向第一传输线的阻抗值分别为：Z₁，Z₂，Z₃，……；第一开路截线组中M节串联的第二传输线阻抗值分别为：Z_s11，Z_s12，Z_s13，……，Z_s1M；第二开路截线组中P节串联的第三传输线阻抗值分别为：Z_s21，Z_s22，Z_s23，……，Z_s2P。

为进一步讨论M，N，P对电路结构以及电路性能的影响，同时为了方便电路的计算和尽量简化电路的结构来阐释最基本的规律，先将除位于最左侧最右侧的开路截线外的其他(N-1)组开路截线组中的传输线节数选定为一节，即P＝1。分析此时M和N变化对电路结构和性能影响，得到传输零点和反射零点增加的规律。

当M固定，N不断增加时，传输零点个数不变，反射零点不断增加，且反射零点个数为2(N+1)，只与N有关，也就是说增加横向传输线的节数可以有规律地增加反射零点，同时电路的横向尺寸增大。

当N固定，M不断增加时，反射零点个数不变，传输零点不断增加，且传输零点个数为(M-W+1)，其中W只与M的值有关，且W＝sgn(MOD(M,2))。也就是说增加纵向传输线的节数可以有规律地增加传输零点，同时电路的纵向尺寸增大。

M，N不变，只增加P时，也可以增加传输零点，且P每增加1，传输零点对称增加2个，反射零点个数不变。

实施例1(M＝4，N＝2，P＝1)

如图2所示，左端的源端阻抗Z₀的一端连接横向传输线最左侧的一节Z₁的一端与最左侧开路截线组的第一节传输线Z_s11的一端，另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最左侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12的一端；传输线Z_s12的另一端接最左侧开路截线组中的第三节传输线Z_s13的一端；传输线Z_s13的另一端接最左侧开路截线组中的第四节传输线Z_s14；第一节横向传输线Z₁的另一端接第二组开路截线Z_s2与第二节横向传输线Z₁的一端(电路左右镜像对称)；第二节横向传输线Z₁的另一端接最右侧开路截线组的第一节传输线Z_s11与右端的源端阻抗Z₀(电路左右镜像对称)的一端；右端的源端阻抗Z₀另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最右侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12的一端；传输线Z_s12的另一端接最右侧开路截线组中的第三节传输线Z_s13的一端；传输线Z_s13的另一端接最左侧开路截线组中的第四节传输线Z_s14(电路左右镜像对称)。

实施例2(M＝2，N＝4，P＝1)

如图3所示，左端的源端阻抗Z₀的一端连接横向传输线最左侧的一节Z₁的一端与最左侧开路截线组的第一节传输线Z_s11的一端，另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最左侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12；第一节横向传输线Z₁的另一端接第二组开路截线Z_s2与第二节横向传输线Z₂的一端；第二节横向传输线Z₂的另一端接第三组开路截线Z_s3与第三节横向传输线Z₂的一端(电路左右镜像对称)；第三节横向传输线Z₂的另一端接第四组开路截线Z_s2与第四节横向传输线Z₁的一端(电路左右镜像对称)；第四节横向传输线Z₁的另一端接最右侧开路截线组的第一节传输线Z_s11的一端与源阻抗Z₀的一端(电路左右镜像对称)；源端阻抗Z₀另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最右侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12(电路左右镜像对称)。

实施例3(M＝3，N＝2，P＝2)

如图6所示，左端的源端阻抗Z₀的一端连接横向传输线最左侧的一节Z₁的一端与最左侧开路截线组的第一节传输线Z_s11的一端，另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最左侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12的一端；传输线Z_s12的另一端接最左侧开路截线组中的第三节传输线Z_s13；第一节横向传输线Z₁的另一端接第二组开路截线的第一节传输线Z_s21的一端与第二节横向传输线Z₁的一端(电路左右镜像对称)；传输线Z_s21的另一端接第二组开路截线中的第二节传输线Z_s22；第二节横向传输线Z₁的另一端接最右侧开路截线组的第一节传输线Z_s11的一端与右端的源阻抗Z₀(电路左右镜像对称)；右端的源端阻抗Z₀另一端接地；传输线Z_s11的另一端接最右侧开路截线组中的第二节传输线Z_s12的一端；传输线Z_s12的另一端接最右侧开路截线组中的第三节传输线Z_s13(电路左右镜像对称)。

本发明还提供了一种基于传输线并联多节开路支截线的宽带带阻滤波器的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据滤波器的工作场合确定滤波器电路所需的工作中心频率F₀、通带和阻带的带宽以及阻带抑制SR和回波损耗RL。

步骤二、根据要求，选择合适的横向传输线节数N，除最两侧的开路截线组外其他开路截线组中传输线节数P和两侧开路截线组中的传输线节数M。其中，由前面给出的规律可以看出，M和P决定了传输零点的个数。当N，P不变时，M每增加2，传输零点对称增加两个；当M，N不变时，P每增加1，传输零点对称增加两个。而N则决定了反射零点的个数，当M，P保持不变时，N每增加1，反射零点对称增加两个。同时，M，N，P改变时，电路结构发生了改变，阻抗个数改变，会有自由度个数的不同，自由度的个数需要满足提出的性能需要。除此之外，还可以结合电路尺寸选择M，N，P来确定具体电路结构。

步骤三、计算电路的ABCD矩阵和传输函数。

滤波器电路结构中第i条横向传输线的ABCD矩阵为：

单节开路截线的ABCD矩阵为：

M节开路截线组的ABCD矩阵为：

整个滤波器电路结构的ABCD矩阵为：

其中，为第一开路截线的传输矩阵，

为第二开路截线的传输矩阵，为N节第一传输线的传输矩阵。i为自然数0，1，……；是只由滤波器的所有归一化特征阻抗组成的多项式，不同的M和i值对应不同的多项式；g_M也是只由滤波器的所有归一化特征阻抗组成的多项式，不同的M对应不同的多项式。

电路结构的传输函数为

其中，S₂₁为电路结构中的正向传输系数，在带阻滤波器中一般指阻带抑制，等波纹的情况下就是S₂₁波纹极值点处的值是SR；S₁₁为电路结构中的输入反射系数，也叫输入回波损耗，等波纹的情况下就是S₁₁波纹极值点处的值是RL；F_circuit为S₁₁与S₂₁的比值函数，借由F_circuit可以简化计算且方便求得S₁₁和S₂₁的零极点。

当P＝1时，可以归纳成统一的表达式，此处给出，可以省去复杂的计算，直接将M和N代入：

其中，i为自然数0，1，……；

b_2i,是只由滤波器的所有归一化特征阻抗组成的多项式，不同的M，N和i值对应不同的多项式；a_M,N,b_M,N和c_M,N也是只由滤波器的所有归一化特征阻抗组成的多项式，不同的M，N对应不同的多项式。

其中，

和h_M,N是由滤波器的所有归一化特征阻抗决定的多项式。

步骤四、使得到的电路传输函数满足约束条件以达到所需的性能要求。若根据给出的理论分析结合步骤三的计算；假定得到电路的正向传输函数S₂₁有2m个等波纹，电路的正向传输函数输入反射函数S₁₁有2n个等波纹(m和n的个数根据M和N的数值确定)，则：

根据步骤三中计算得到的传输函数F_circuit，有：

其中，D₁、D₂……为滤波器电路S函数的各个极点；

……为滤波器电路输入反射函数S₁₁在各个极点处的电长度，……为滤波器电路的正向传输函数S₂₁在各个极点处的电长度；RL是电路的回波损耗，SR是电路的阻带抑制；ε_RL为S₁₁的波纹高度，ε_SR为S₂₁的波纹高度。该等式组给出了控制S₁₁和S₂₁波纹极值点处波纹高度，使其满足回波损耗和阻带抑制要求的方法。

步骤五、根据阻抗约束条件，寻求合适的一组传输线阻抗值，进而得到所需的带阻滤波器。

步骤六、利用电磁场仿真软件计算实际的器件的参数，得到相应的线宽线距与线长，之后利用Sonnet软件进行电磁场仿真，通过调整参数以获得最佳波形。之后根据仿真得到的最佳数据来制作实际器件。

不同的电路性能要求下，重复同样的以上六个步骤可以得到其他几种不同的电路结构和电路性能效果。

选择比较有代表性的三个电路结构举例说明：

在实施例1中(如图2所示)，确定滤波器电路的中心频率为1GHz，阻带抑制SR为25dB，回波损耗RL为20dB。为方便进行带宽计算，定义θ_c为S₁₁和S₂₁在等波纹dB值处频率的电长度，可以用来衡量等波纹带宽，对S₁₁而言，θ_c越大，通带带宽越大；对S₂₁而言，θ_c越小，阻带带宽越大。在实施例1中，为25°，为21.5°，由性能要求选择M＝4，N＝2，P＝1。

将M＝4，N＝2代入P＝1时的统一表达式得到：