高选择性紧凑型带通滤波器及其设计方法技术

本发明专利技术公开一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法及通过该方法获得的滤波器，其采用低通原型滤波器的设计方法计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，得到谐振频率与间距点的对应关系及拟合曲线，计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；在拟合曲线上选取与低通原型滤波器设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，并将对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，从而确定最终物理结构。该目标滤波器通过引入交叉耦合产生一对传输极点，明显改善了滤波器的选择性。

High selective compact bandpass filter and its design method

The invention discloses a design method of a highly selective compact microstrip filter and a filter obtained by the method. The design method of a low pass prototype filter is used to calculate the coupling coefficient and external quality factor of the target filter, and the basic dimensions of the unit resonator are designed, and then the unit harmonic in the basic coupling structure is designed. The distance between the vibrators is simulated, the corresponding relationship between the resonant frequency and the distance point and the fitting curve are obtained, and the coupling coefficient and the external quality factor corresponding to each point are calculated, and a group of the coupling coefficient and the external quality factor which is closest to the low pass prototype filter design method is selected on the fitting curve. The coupling coefficient and external quality factor of the target filter are used as the distance between the unit resonators in the target filter to determine the final physical structure. The target filter produces a pair of transmission poles by introducing cross coupling, which significantly improves the selectivity of the filter.

【技术实现步骤摘要】
高选择性紧凑型带通滤波器及其设计方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种高选择性紧凑型带通滤波器的设计方法及通过该方法获得的高选择性紧凑型带通滤波器。
技术介绍
随着移动通信和计算机技术的迅猛发展，为了节约频带资源，提高抗干扰能力，各种电路系统对滤波器性能的要求越来越高。交叉形式滤波器、平行耦合线滤波器是微带滤波器中的两种常用的形式。但是到目前为止，这两种形式的滤波器最多只能实现Chebyshev(切比雪夫)特性，即获得幅频特性较为平坦，但带外抑制性较差。为了改善这个问题，一般往往靠增加滤波器的阶数，但增加阶数会引入更大的插损和体积，无法从根源去缓解问题，并且这种做法增加了滤波器的设计难度。对于普通的微带交叉滤波器而言，由于有接地的要求，增加了一定的工艺难度和不确定因素。而传统的切比雪夫和椭圆函数等类型的滤波器由于自身的诸多缺点已经逐渐无法满足实际的工程需求，特别是近几年高温超导技术(HTS)和单片微波集成电路(MMIC)技术的发展，使得研制出尺寸小、重量轻、性能稳定、制造成本低的新型滤波器成为必要。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种基于开环耦合谐振微带结构的高选择性紧凑型带通滤波器的设计方法及通过该方法设计得到的高选择性紧凑型带通滤波器，通过引入交叉耦合产生一对传输极点，以明显改善滤波器的选择性。本专利技术公开一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法，包括以下步骤：采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J，根据求得的低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；在预设的中心频率点上设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对由两个单元谐振器组成的基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，并得到基本耦合结构中单元谐振器之间的谐振频率与间距点的对应关系以及谐振频率随间距变化的拟合曲线，根据谐振频率计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；将拟合曲线上各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数与采用低通原型滤波器的设计方法计算得到的目标滤波器的耦合系数和外部品质因数进行比对，在拟合曲线上各间距点所对应的多组耦合系数和外部品质因数中选取与低通原型滤波器的设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组耦合系数和外部品质因数作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，将该耦合系数和外部品质因数对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，并结合预设的目标滤波器阶数和传输极点Ωa的位置，以及单元谐振器的中心频率和基本尺寸，从而确定目标滤波器的最终物理结构。进一步的，通过求得低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe的计算公式如下：Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBWn＝1到N/2-1Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2式中，N为滤波器的阶数，FBW为滤波器的相对带宽，m、n为级数。进一步的，采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值具体包括：设定目标滤波器的阶数N以及传输极点Ωa的位置；根据预设的滤波器阶数、截止频率和波纹系数拟合得到的经验公式计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J。进一步的，6阶滤波器各元件值的拟合公式(1.2≤Ωa≤1.6)为：进一步的，还可以根据多点仿真结构得到馈线位置和外部品质因数的关系以及外部品质因数随着馈线位置的拟合曲线，根据选取的间距值对应选取作为目标滤波器的馈线位置。进一步的，由两个单元谐振器组成的基本耦合结构包括电耦合、磁耦合、两种电磁混合耦合；所述谐振频率包括电场耦合频率fe和磁场耦合频率fm得出耦合系数Mi,j，计算耦合系数和外部品质因数的公式如下：式中，f0为单元谐振器的谐振频率，δf3dB为单端激励时谐振器的输入或者输出3dB带宽。本专利技术还公开一种高选择性紧凑型带通滤波器，采用上述方法设计获得。进一步的，通过该方法设计一种带通滤波器，中心频率为540Mhz，相对带宽为12％，通带内回波损耗为-20dB，阶数为6阶，传输极点值为1.5，耦合系数M1,2＝M5,6＝0.0998，M2,3＝M4,5＝0.07021，M2,5＝-0.01586，M3,4＝0.0824，外部品质因数Qei＝Qeo＝10.0795。有益效果：本专利技术所设计的高选择性紧凑型带通滤波器通过引入交叉耦合产生一对传输极点，明显改善滤波器的选择性，使其频率响应具有准椭圆函数特征；该滤波器的线性度、矩形系数等指标较切比雪夫滤波器有较大的提升；并可以根据实际情况选择滤波器的阶数和极点位置，达成有指向性、高选择性的效果。使其频率响应具有准椭圆函数特征本专利技术所提出的高选择性紧凑型带通滤波器基于开环耦合谐振微带结构设计，具有较高的带外抑制特性和选择性，同时尺寸较小、易于制造的特点也使得小型化的结构和其它器件连接时更加方便。本专利技术所提出的高选择性紧凑型带通滤波器适合于移动通信系统、电子测量设备等通信系统，可广泛应用于各种印刷电路板中的滤波电路。附图说明图1为具有一对传输极点的带通滤波器的耦合拓扑结构示意图；图2为低通原型滤波器的结构示意图；图3为四种基本耦合结构；图4为具有一对传输极点的6阶带通滤波器的耦合拓扑结构示意图；图5为6阶低通原型滤波器的结构示意图；图6为6阶带通滤波器的结构示意图；图7为实施例中全波仿真得到的滤波器传输特性图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术所述的方法进一步说明。本专利技术为实现一款具有一对传输极点的带通滤波器(简称该目标滤波器)，采用低通原型滤波器的设计方法，并利用标准切比雪夫滤波器中不相邻谐振器间的交叉耦合来实现传输函数的极点Ωa的引入。如图1所示，具有一对传输极点的带通滤波器的耦合拓扑结构中，每一个节点表示一个单元谐振器，实线表示主耦合，正中间的虚线表示辅耦合(即交叉耦合)。耦合系数Mi,j(即第i个单元谐振器和相邻的第j个单元谐振器之间的耦合系数)和外部品质因数Qei、Qeo可由低通原型滤波器的等效电路参数(元件值)决定。如图2所示，为了得到这些等效电路参数，对于低选择性滤波器(Ωa≥2.4)可以使用R.Levy提出的近似设计法，而对于实施例中所要求设计的高选择性微带滤波器(Ωa≤2.4)，前述误差较大，已经不再适用。此时，可以根据预设的目标滤波器的阶数、截止频率和波纹系数拟合得到的经验公式计算出低通原型滤波器的各元件值，包括相应的集成电容值和转换器的特性导纳J。求得低通原型滤波器的元件值以后，通过公式(1)～(4)即可求得到该目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe(其包括输入端外部品质因数Qei和输出端外部品质因数Qeo)。Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBW(1)Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2(3)Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2(4)式中，N为滤波器的阶数，FBW为滤波器的相对带宽，m、n为级数。基于以上计算得到的原型滤波器的耦合系数和外部品质因数，再通过目标滤波器中这些参数与滤波器物理结构之间的关系，以确定该滤波器的具体尺寸，具体设计方法如下：设计该目标滤波器的结构时我们通常会使用如图3所示的四种基本的耦合结构，即电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J，根据求得的低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；在预设的中心频率点上设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对由两个单元谐振器组成的基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，并得到基本耦合结构中单元谐振器之间的谐振频率与间距点的对应关系以及谐振频率随间距变化的拟合曲线，根据谐振频率计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；将拟合曲线上各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数与采用低通原型滤波器的设计方法计算得到的目标滤波器的耦合系数和外部品质因数进行比对，在拟合曲线上各间距点所对应的多组耦合系数和外部品质因数中选取与低通原型滤波器的设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组耦合系数和外部品质因数作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，将该耦合系数和外部品质因数对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，并结合预设的目标滤波器阶数和传输极点Ωa的位置以及单元谐振器的中心频率和基本尺寸确定目标滤波器的最终物理结构。...

【技术特征摘要】
1.一种高选择性紧凑型微带滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：采用低通原型滤波器的设计方法计算低通原型滤波器的元件值，包括集成电容值C和转换器的特性导纳J，根据求得的低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数和外部品质因数；在预设的中心频率点上设计单元谐振器的基本尺寸，然后针对由两个单元谐振器组成的基本耦合结构中单元谐振器之间的间距进行多点仿真，并得到基本耦合结构中单元谐振器之间的谐振频率与间距点的对应关系以及谐振频率随间距变化的拟合曲线，根据谐振频率计算各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数；将拟合曲线上各间距点所对应的耦合系数和外部品质因数与采用低通原型滤波器的设计方法计算得到的目标滤波器的耦合系数和外部品质因数进行比对，在拟合曲线上各间距点所对应的多组耦合系数和外部品质因数中选取与低通原型滤波器的设计方法得到的耦合系数和外部品质因数最接近的一组耦合系数和外部品质因数作为目标滤波器的耦合系数和外部品质因数，将该耦合系数和外部品质因数对应的间距值作为目标滤波器中单元谐振器之间的间距，并结合预设的目标滤波器阶数和传输极点Ωa的位置以及单元谐振器的中心频率和基本尺寸确定目标滤波器的最终物理结构。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过求得低通原型滤波器的元件值计算目标滤波器的耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe的计算公式如下：Qe＝Qei＝Qeo＝C1/FBW(1)Mm,m+1＝FBW·Jm/Cm，m＝N/2(3)Mm-1,m+2＝FBW·Jm-1/Cm-1，m＝N/2(4)式中，N为滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚兴强，
申请(专利权)人：南京熊猫电子股份有限公司，南京熊猫通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32