具有陷波特性的四频段微带带通滤波器及其设计方法
阅读说明：本技术 具有陷波特性的四频段微带带通滤波器及其设计方法 (Four-frequency-band microstrip band-pass filter with trapped wave characteristic and design method thereof ) 是由 孔勐 程彬彬 陈明生 杨周瑞 张忠祥 张量 柴豆豆 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有陷波特性的四频段微带带通滤波器及其设计方法,所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器包括含有导体带、介质基片和接地板的电路板,所述电路板上设有短路穿孔；所述导体带包括输入端口、输出端口、馈线、两个第一阶梯阻抗谐振器、两个第二阶梯阻抗谐振器和两个F型开路枝节；所述馈线连接在输入端口和输出端口之间,两个第一阶梯阻抗谐振器连接在所述馈线的上端部,两个第二阶梯阻抗谐振器连接在所述馈线的下端部,两个F型开路枝节连接在所述馈线的上端部,所述第一阶梯阻抗谐振器位于两个F型开路枝节之间。本发明具有陷波特性,能够同时实现四个频段的带通滤波,并且结构简单、体积小、集成度高、性能优异、兼容性强。(The invention discloses a four-frequency-band microstrip band-pass filter with a trap characteristic and a design method thereof, wherein the four-frequency-band microstrip band-pass filter with the trap characteristic comprises a circuit board containing a conductor band, a dielectric substrate and a ground plate, and the circuit board is provided with a short circuit through hole; the conductor strip comprises an input port, an output port, a feeder line, two first stepped impedance resonators, two second stepped impedance resonators and two F-shaped open-circuit branches; the feeder line is connected between the input port and the output port, the two first stepped impedance resonators are connected to the upper end portion of the feeder line, the two second stepped impedance resonators are connected to the lower end portion of the feeder line, the two F-shaped open-circuit branches are connected to the upper end portion of the feeder line, and the first stepped impedance resonators are located between the two F-shaped open-circuit branches. The four-band-pass filter has the trap characteristic, can realize the band-pass filtering of four frequency bands simultaneously, and has the advantages of simple structure, small volume, high integration level, excellent performance and strong compatibility.)
技术领域
本发明涉及一种具有陷波特性的四频段微带带通滤波器及其设计方法。
背景技术
在移动通信系统中，滤波器是用来选择工作频段，滤除带外干扰的射频前端器件。滤波器是一种二端口网络，它具有在通带频率内提供信号传输，并在阻带内提供衰减的特性，用以控制通信系统中的频率响应。随着现代移动通信的快速发展，滤波器逐渐向着小型化、高性能、低成本、多频段的趋势发展，而微带带通滤波器因易于满足上述要求，得到了业界研究者的广泛关注，并被应用到移动通信产业的各个领域。
目前，第五代移动通信（5G）作为全球信息产业最热门的课题之一，掀起了全球移动通信领域新一轮的技术革命。我国在5G技术研发中取得了重要进展，工信部已经正式向***、中国电信、***等三大运营商发放5G移动通信中低频段实验频率，分别为：2515MHz ~2675MHz 、3400MHz ~3500 MHz、3500MHz ~3600MHz、4800MHz ~4900MHz，现有的滤波器无法很好的实现四个频段的带通滤波，也无法在实现四个频段的带通滤波的同时构造相邻窄带间的陷波，因此无法适应5G技术的使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种具有陷波特性的四频段微带带通滤波器，它具有陷波特性，能够同时实现四个频段的带通滤波，并且结构简单、体积小、集成度高、性能优异、兼容性强。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有陷波特性的四频段微带带通滤波器，它包括含有依次设置的导体带、介质基片和接地板的电路板；
所述电路板上设有贯穿所述导体带、介质基片和接地板的短路穿孔，以便所述导体带穿过所述介质基片与所述接地板相连；其中，所述导体带包括：
输入端口和输出端口；
通过阶梯式馈电的方式连接在所述输入端口和所述输出端口之间的馈线，所述短路穿孔穿过所述馈线；
两个连接在所述馈线的上端部，并关于所述电路板的中心线左右对称的第一阶梯阻抗谐振器；
两个连接在所述馈线的下端部，并关于所述电路板的中心线左右对称的第二阶梯阻抗谐振器；
两个连接在所述馈线的上端部，并关于所述电路板的中心线左右对称的F型开路枝节，所述第一阶梯阻抗谐振器位于两个所述F型开路枝节之间。
进一步提供一种所述F型开路枝节的具体构造方案，所述F型开路枝节包括：
连接在所述馈线上的倒L型开路枝节；
连接在所述倒L型开路枝节上并与所述馈线平行的矩形开路枝节。
进一步，所述矩形开路枝节的宽度大于所述倒L型开路枝节的宽度。
进一步提供一种所述第一阶梯阻抗谐振器的具体结构，所述第一阶梯阻抗谐振器包括第一高阻抗分支线和第一低阻抗分支线；其中，
所述第一高阻抗分支线的下端部连接在所述馈线上；
所述第一低阻抗分支线的一端部与所述第一高阻抗分支线的上端部相连；
所述第一低阻抗分支线的另一端部与另一个第一阶梯阻抗谐振器中的第一低阻抗分支线之间形成有耦合间隙。
进一步提供一种所述第二阶梯阻抗谐振器的具体结构，所述第二阶梯阻抗谐振器包括第二高阻抗分支线和第二低阻抗分支线；其中，
所述第二高阻抗分支线的上端部连接在所述馈线上；
所述第二低阻抗分支线的一端部与所述第二高阻抗分支线的下端部相连；
所述第二低阻抗分支线的另一端部与另一个第二阶梯阻抗谐振器中的第二低阻抗分支线相连。
进一步，所述短路穿孔位于所述电路板的中心处，和/或所述短路穿孔的直径为0.5mm。
进一步，所述输入端口和所述输出端口关于所述电路板的中心线对称设置，和/或所述第一阶梯阻抗谐振器和所述第二阶梯阻抗谐振器的长度均为四分之一工作波长。
进一步，所述介质基片的介电常数为2.2；和/或所述介质基片的厚度为0.707mm；和/或所述介质基片的材质为罗杰斯5880；和/或所述介质基片的长度为35.8mm，宽度为30.7mm。
本发明还提供了一种所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的设计方法，方法的步骤中包括：
S1：在输入端口和输出端口均采用阶梯式馈电的连接方式连接在馈线上以及输入端口和输出端口共用短路穿孔的基础上，在介质基片上并联设置一对第一阶梯阻抗谐振器、一对第二阶梯阻抗谐振器和一对F型开路枝节；
S2：调整第一阶梯阻抗谐振器和第二阶梯阻抗谐振器的尺寸和位置，以调节四频段中最高频段和最低频段的工作范围；调整F型开路枝节的尺寸和位置，以调节四频段中另两个频段的工作范围及陷波点频率，以得到符合要求的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器。
进一步，步骤S2的具体步骤如下：
M1：根据四频段中最高频段和最低频段的工作范围，反演出第一阶梯阻抗谐振器和第二阶梯阻抗谐振器的尺寸，根据四频段中另两个频段的工作范围及陷波点频率，反演出F型开路枝节的尺寸；
M2：调整所述第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器和F型开路枝节位置，以减少同一侧的第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器和F型开路枝节之间的耦合干扰，并得到符合要求的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器。
采用了上述技术方案后，所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器结构简单、体积小、集成度高、性能优异，具备了陷波特性，同时实现了四个工作频段的带通滤波，四个工作频段分别为第一通带、第二通带、第三通带和第四通带，通过调节所述第一高阻抗分支线、第一低阻抗分支线、第二高阻抗分支线和第二低阻抗分支线的长度、宽度以及调节其与输入端口、输出端口的距离，能够调节所述第一通带和第四通带的工作范围；通过调节所述倒L型开路枝节和矩形开路枝节的长度、调节倒L型开路枝节与所述输入端口、输出端口之间的距离、调节矩形开路枝节与所述馈线之间的距离，能够调节所述第二通带和第三通带的工作范围以及陷波点频率，以便根据设计需要灵活的调节四个工作频段的频率范围，使其适应5G技术的使用要求， 并且还可以通过添加阶梯阻抗谐振器等适当结构扩展更多个工作频段，设计方法灵活简单，适用性广，兼容性强。
附图说明
图1为本发明所用的电路板的结构示意图；
图2为本发明的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的结构示意图；
图3为本发明的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器中信号的路径图；
图4为本发明的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的***损耗及回波损耗的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1、2所示，一种具有陷波特性的四频段微带带通滤波器，它包括含有依次设置的导体带1、介质基片2和接地板3的电路板，所述电路板可以是印制电路板；
所述电路板上设有贯穿所述导体带1、介质基片2和接地板3的短路穿孔4，以便所述导体带1穿过所述介质基片2与所述接地板3相连；其中，所述导体带1包括：
输入端口5和输出端口6；
通过阶梯式馈电的方式连接在所述输入端口5和所述输出端口6之间的馈线7，所述短路穿孔4穿过所述馈线7；具体的，所述短路穿孔4将所述馈线7分隔为两段；
两个连接在所述馈线7的上端部，并关于所述电路板的中心线8左右对称的第一阶梯阻抗谐振器；
两个连接在所述馈线7的下端部，并关于所述电路板的中心线8左右对称的第二阶梯阻抗谐振器；
两个连接在所述馈线7的上端部，并关于所述电路板的中心线8左右对称的F型开路枝节，所述第一阶梯阻抗谐振器位于两个所述F型开路枝节之间；具体的，所述导体带1与所述接地板3通过位于所述短路穿孔4中的导线相连；阶梯式馈电的方式是指在垂直于所述馈线7的方向上，所述馈线7的上端面和下端面均位于所述输入端口5的上端面和下端面之间，以便在所述输入端口5和所述馈线7的连接处形成阶梯；所述馈线7的上端面和下端面还均位于所述输出端口6的上端面和下端面之间，以便在所述输出端口6和所述馈线7的连接处形成阶梯；所述输入端口5和输出端口6共用一个所述短路穿孔4。
具体的，所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器具有四个工作频段，分别为第一通带、第二通带、第三通带和第四通带，在本实施例中，所述第一通带为2515 MHz ~2675MHz，第二通带为3400 MHz ~3500 MHz，第三通带为3500MHz ~3600MHz，第四通带为4800MHz ~4900MHz，陷波点频率为3.5GHz，通过调节F型开路枝节的位置及尺寸，能够调节所述第二通带和第三通带的工作范围以及陷波点频率。
进一步具体的，所述第一阶梯阻抗谐振器易于和同一侧的的F型开路枝节发生耦合，合理控制两者之间的相对位置可提高两者之间的隔离度；所述输入端口5和输出端口6可以采用常用的SMA接头焊接，采用侧馈的方式，以便接入测试设备或者连接其它器件。所述介质基片2和所述导体带1共同组成微带线，在本实施例中，所述微带线的电阻为50Ω，所述输入端口5和输出端口6位于同一条微带线上。
如图2所示，所述F型开路枝节例如但不限于以下结构，它包括：
连接在所述馈线7上的倒L型开路枝节9；
连接在所述倒L型开路枝节9上并与所述馈线7平行的矩形开路枝节10；所述F型开路枝节能够提高所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的工作频段的稳定性和陷波频率的稳定性。具体的，通过调节所述倒L型开路枝节9和矩形开路枝节10的长度、调节倒L型开路枝节9与所述输入端口5、输出端口6之间的距离、调节矩形开路枝节10与所述馈线7之间的距离，能够调节所述第二通带和第三通带的工作范围以及所述陷波点频率。
如图2所示，所述矩形开路枝节10的宽度大于所述倒L型开路枝节9的宽度。
如图2所示，所述第一阶梯阻抗谐振器例如但不限于以下结构，它包括第一高阻抗分支线11和第一低阻抗分支线12；其中，
所述第一高阻抗分支线11的下端部连接在所述馈线7上；
所述第一低阻抗分支线12的一端部与所述第一高阻抗分支线11的上端部相连；
所述第一低阻抗分支线12的另一端部与另一个第一阶梯阻抗谐振器中的第一低阻抗分支线12之间形成有耦合间隙13；具体的，在第一通带的频率范围内，信号通过两个所述第一低阻抗分支线12之间的耦合进行传输。
如图2所示，所述第二阶梯阻抗谐振器例如但不限于以下结构，它包括第二高阻抗分支线14和第二低阻抗分支线15；其中，
所述第二高阻抗分支线14的上端部连接在所述馈线7上；
所述第二低阻抗分支线15的一端部与所述第二高阻抗分支线14的下端部相连；
所述第二低阻抗分支线15的另一端部与另一个第二阶梯阻抗谐振器中的第二低阻抗分支线15相连；具体的，在第四通带的频率范围内，信号通过两个所述第二低阻抗分支线15的直接相连进行传输；通过调节所述第一高阻抗分支线11、第一低阻抗分支线12、第二高阻抗分支线14和第二低阻抗分支线15的长度、宽度以及调节其与输入端口5、输出端口6的距离，能够调节第一通带和第四通带的工作范围。在本实施例中，通过对所述第一高阻抗分支线11和第二高阻抗分支线14的弯折，有利于实现小型化。
如图1、2所示，所述短路穿孔4可以位于所述电路板的中心处，所述短路穿孔4的直径可以为0.5mm。
如图2所示，所述输入端口5和所述输出端口6可以关于所述电路板的中心线8对称设置，所述第一阶梯阻抗谐振器和所述第二阶梯阻抗谐振器的长度均可以为四分之一工作波长。
在本实施例中，所述介质基片2的介电常数可以为2.2，所述介质基片2的厚度可以为0.707mm，所述介质基片2的材质可以为罗杰斯5880，所述介质基片2的长度可以为35.8mm，宽度可以为30.7mm；所述介质基片2还可以使用属性相同的介质材料。
具体的，去除所述第一阶梯阻抗谐振器和第二阶梯阻抗谐振器，单独将F型开路枝节并联在含有短路穿孔4的馈线7上依然存在陷波效果。
如图3所示，信号通过输入端口5进入后分别沿第一信号路径16和第二信号路径17传播。
图4为本发明的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的***损耗S21及回波损耗S11的曲线图，如图所示，在2515 MHz ~2675MHz，3400MHz ~3500 MHz，3500MHz ~3600MHz，4800MHz ~4900MHz四个频段中，***损耗S21均位于-2.5dB以上，回波损耗S11均位于-12.5dB以下，满足需求。
实施例二
一种如实施例一所述的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的设计方法，方法的步骤中包括：
S1：在输入端口5和输出端口6均采用阶梯式馈电的连接方式连接在馈线7上以及输入端口5和输出端口6共用短路穿孔4的基础上，在介质基片2上并联设置一对第一阶梯阻抗谐振器、一对第二阶梯阻抗谐振器和一对F型开路枝节；
S2：调整第一阶梯阻抗谐振器和第二阶梯阻抗谐振器的尺寸和位置，以调节四频段中最高频段和最低频段的工作范围；调整F型开路枝节的尺寸和位置，以调节四频段中另两个频段的工作范围及陷波点频率，以得到符合要求的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器。
步骤S2的具体步骤如下：
M1：根据四频段中最高频段和最低频段的工作范围，反演出第一阶梯阻抗谐振器和第二阶梯阻抗谐振器的尺寸，根据四频段中另两个频段的工作范围及陷波点频率，反演出F型开路枝节的尺寸；
M2：调整所述第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器和F型开路枝节位置，以减少同一侧的第一阶梯阻抗谐振器、第二阶梯阻抗谐振器和F型开路枝节之间的耦合干扰，并得到符合要求的具有陷波特性的四频段微带带通滤波器。
在本实施例中，所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器的四个工作频段为我国5G移动通信的四个频段，分别为2515 MHz ~2675MHz， 3400 MHz ~3500 MHz， 3500MHz ~3600MHz， 4800MHz ~4900MHz。
本发明的工作原理如下：
所述具有陷波特性的四频段微带带通滤波器结构简单、体积小、集成度高、性能优异，具备陷波特性，同时实现了四个工作频段的带通滤波，四个工作频段分别为第一通带、第二通带、第三通带和第四通带，通过调节所述第一高阻抗分支线11、第一低阻抗分支线12、第二高阻抗分支线14和第二低阻抗分支线15的长度、宽度以及调节其与输入端口5、输出端口6的距离，能够调节所述第一通带和第四通带的工作范围；通过调节所述倒L型开路枝节9和矩形开路枝节10的长度、调节倒L型开路枝节9与所述输入端口5、输出端口6之间的距离、调节矩形开路枝节10与所述馈线7之间的距离，能够调节所述第二通带和第三通带的工作范围以及陷波点频率，以便根据设计需要灵活的调节四个工作频段的频率范围，使其适应5G技术的使用要求， 并且还可以通过添加阶梯阻抗谐振器等适当结构扩展更多个工作频段，设计方法灵活简单，适用性广，兼容性强。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。