本發(fā)明屬于通信技術領域，具體涉及一種基于混合耦合的微帶波器設計方法。

背景技術：

濾波器是雷達、通信及測量系統(tǒng)中的關鍵器件之一，其功能在于允許某一部分頻率的信號順利的通過，而讓另外一部分頻率的信號受到較大的抑制，其性能對于整個系統(tǒng)性能具有重要的影響。濾波器的技術指標包括通帶帶寬、插入損耗、通帶波動、通帶內(nèi)回波損耗、帶外抑制、帶內(nèi)相位線性度及群時延等。按照頻率響應的類型來劃分，可以分為橢圓濾波器、巴特沃斯濾波器、高斯濾波器、廣義切比雪夫濾波器和逆廣義切比雪夫濾波器等。對于模擬濾波器而言，分為集總參數(shù)模擬濾波器和分布參數(shù)模擬濾波器。在射頻/微波/光頻等較高頻段內(nèi)，主要使用微帶線、帶狀線、槽線、鰭線、共面波導、同軸線、波導等多種傳輸線結構。這些傳輸線具有分布參數(shù)效應，其電氣特性與結構尺寸緊密相關。在這些頻段內(nèi)，通常使用波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器及微帶濾波器等傳輸線濾波器。

技術實現(xiàn)要素：

到目前為止，人們已經(jīng)研究出多種多樣的傳輸線濾波器結構。然而，傳輸線濾波器具有分布參數(shù)效應，其設計遠比集總參數(shù)濾波器的設計復雜得多。每一個傳輸線濾波器都可能具有不同的物理機制，需要具體進行分析。只有深入了解傳輸線濾波器的物理機制，才有可能更好得用它們來實現(xiàn)所期望的頻率響應。本發(fā)明敘述了一種微帶濾波器的設計方法。微帶線的結構如圖1所示，主要包括三層。第I層是金屬上覆層，第II層是介質(zhì)基片，第III層是金屬下覆層。本發(fā)明所述的微帶濾波器結構如圖2所示。在微帶線的金屬上覆層(I)中刻蝕如下金屬圖案：輸入饋線(1)、第一平行耦合線節(jié)(2)、第二平行耦合線節(jié)(3)、第三平行耦合線節(jié)(4)和輸出饋線(5)。其特征在于：輸入饋線(1)的右端連接到第一平行耦合線節(jié)(2)左側的一端，在第一平行耦合線節(jié)(2)右側的一端連接了第二平行耦合線節(jié)(3)下側的一端，同時第二平行耦合線節(jié)(3)下側的另一端連接到第三平行耦合線節(jié)(4)左側的一端，第三平行耦合線節(jié)(4)右側的一端連接到輸出饋線(5)的左端。濾波器結構關于中心平面對稱的。微帶濾波器的電氣參數(shù)為：輸入饋線(1)和輸出饋線(5)的特征阻抗同為R_S；第一平行耦合線節(jié)(2)和第三平行耦合線節(jié)(4)的偶模阻抗同為Z_1e，奇模阻抗同為Z_1o，電長度同為θ₁；第二平行耦合線節(jié)(3)的偶模阻抗為Z_2e，奇模阻抗為Z_2o，電長度為θ₂。如圖3所示，微帶濾波器的結構參數(shù)為：輸入饋線(1)和輸出饋線(5)的線寬用w₀表示；第一平行耦合線節(jié)(2)和第三平行耦合線節(jié)(4)的線寬為w₁，縫隙寬度為s₁，長度為l₁；第二平行耦合線節(jié)(3)的線寬為w₂，縫隙寬度為s₂，長度為l₂。

在實際應用中，需要根據(jù)用戶給出的技術指標來設計這個濾波器。換句話說，就是需要快速準確得確定濾波器的各個結構參數(shù)。首先，導出圖2中的微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡。圖2中的微帶濾波器可以看作是幾個基本微帶結構的組合，分別導出它們的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡，再按照它們的連接關系連接起來，就能得到微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡。例如，一個平行耦合線節(jié)的結構示意圖如圖4所示，電氣參數(shù)為：偶模阻抗為Z_2e，奇模阻抗為Z_2o，電長度為θ₂。這個平行耦合線節(jié)可以用如圖5所示的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡來等效，其中L″和L₁₂為電感，X″和X₁₂為與頻率無關的感抗，j是復數(shù)單位。平行耦合線節(jié)的電氣參數(shù)與其集總參數(shù)等效網(wǎng)絡的各個元件之間的等效關系為：

其中，諧振頻率

最終，圖2所示的微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡如圖6所示。其中，V_S是激勵源；源阻抗和負載阻抗同為R_S；L和L₁₂為電感；X和X₁₂為與頻率無關的感抗；j是復數(shù)單位；K為阻抗倒置器。諧振頻率ω_i＝-X_i/L_i(其中i＝1或2)。其特征在于：源阻抗R_S與第一個阻抗倒置器K級聯(lián)，與電感L與感抗jX組成的串聯(lián)諧振器進行串聯(lián)，與電感L₁₂與感抗jX₁₂組成的串聯(lián)諧振器進行并聯(lián)，接著與電感L與感抗jX組成的串聯(lián)諧振器進行串聯(lián)，再通過第二個阻抗倒置器K進行級聯(lián)，最終與負載阻抗R_S進行并聯(lián)。集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中的各個元件與微帶濾波器的電氣參數(shù)之間的等效關系式如下：

在得到微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡之后，就能夠深入了解濾波器的物理機制，有利于實現(xiàn)所需要的頻率響應。從微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡看到，兩個串聯(lián)諧振器之間通過一個并聯(lián)的串聯(lián)諧振器連接，即這兩個串聯(lián)諧振器之間的耦合方式為混合耦合。這表明，微帶濾波器是一個基于混合耦合的二階濾波器，可以實現(xiàn)一個二階帶通頻率響應，且一個傳輸零點可以位于有限頻率處。在這里，這個微帶濾波器被稱為基于混合耦合的微帶濾波器。

本發(fā)明所述微帶濾波器設計方法，簡稱為本發(fā)明所述設計方法，其內(nèi)容包括如下：根據(jù)微帶濾波器的技術指標，利用集總參數(shù)濾波器的設計方法，確定微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中的各個元件值；由集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中的各個元件與微帶濾波器的電氣參數(shù)之間的等效關系式，計算出微帶濾波器的電氣參數(shù)；由所選用的微帶參數(shù)，確定微帶濾波器的結構參數(shù)；對微帶濾波器的結構參數(shù)進行調(diào)整，優(yōu)化微帶濾波器的性能以滿足技術指標要求。

本發(fā)明所述設計方法的有益效果是：它能揭示該微帶濾波器的物理機制，從而可以更好得控制其性能；它能通過計算快速得到結構參數(shù)值，縮短研制周期。

附圖說明

圖1：微帶線結構示意圖；

圖2：微帶濾波器示意圖；

圖3：微帶濾波器的結構參數(shù)標注示意圖；

圖4：平行耦合線節(jié)示意圖；

圖5：平行耦合線節(jié)的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡示意圖；

圖6：微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡示意圖；

圖7：具有一個位于通帶左側的傳輸零點的理想二階帶通頻率響應圖；

圖8：使用計算結構參數(shù)值進行仿真所得到的頻率響應圖；

圖9：優(yōu)化之后的頻率響應仿真結果和測試結果圖；

圖10：具有一個位于通帶右側的傳輸零點的理想二階帶通頻率響應圖；

圖11：使用計算結構參數(shù)值進行仿真所得到的頻率響應圖；

圖12：優(yōu)化之后的頻率響應仿真結果和測試結果圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。圖6所示的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡揭示了圖2中的微帶濾波器的物理機制。該微帶濾波器可以用于實現(xiàn)一個二階帶通頻率響應，并且具有一個位于有限頻率處的傳輸零點以改善頻率選擇性。作為例證，不失一般性，實施例一用此微帶濾波器來實現(xiàn)一個二階帶通頻率響應，技術指標為：通帶位于[1.94,2.06]GHz，一個傳輸零點位于1.5GHz。理想的二階帶通頻率響應如圖7所示，它所對應的濾波多項式為：

其中，是傳輸多項式，是反射多項式，是共有多項式。復數(shù)頻率變量s＝jω，ω是角頻率變量。為歸一化復數(shù)頻率變量，ω_c＝2π·10⁹rad/s為選定的某一特征角頻率用于簡化表達式。

使用這些濾波多項式，可以很容易得導出相應的導納矩陣、阻抗矩陣、散射矩陣、級聯(lián)矩陣等網(wǎng)絡矩陣。從而能夠確定圖6所示集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中各個元件值。如果選取R_S＝50Ω，則其它元件值為：

K＝27Ω

L＝2.1323·10^-8H，X＝-280.9212Ω,

L₁₂＝5.2606·10^-9H，X₁₂＝-49.5792Ω

再利用前面導出的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中的各個元件與微帶濾波器的電氣參數(shù)之間的等效關系式，可以計算得到微帶濾波器的電氣參數(shù)為：

Z_1e＝133.8363Ω，Z_1o＝79.8434Ω，θ₁＝π/2(相對于諧振頻率ω₁＝1.8·10¹⁰rad/s)

Z_2e＝135.1272Ω，Z_2o＝72Ω，θ₂＝π/2(相對于諧振頻率ω₂＝9.4246·10⁹rad/s)

如果微帶線的信息確定后，即可由上述電氣參數(shù)來確定微帶濾波器的結構參數(shù)。作為例證，不失一般性，這里選用一常用微帶線來實現(xiàn)此濾波器，其介電常數(shù)為3.66，基片厚度為0.508mm。則可以計算得到微帶濾波器的結構參數(shù)值為

w₀＝1.11mm

w₁＝0.22mm,s₁＝0.30mm,l₁＝16.10mm

w₂＝0.23mm,s₂＝0.22mm,l₂＝30.87mm

這些由計算得到的結構參數(shù)值，稱為計算結構參數(shù)值。

基于這些計算結構參數(shù)值對微帶濾波器建模，并進行電磁仿真，仿真結果如圖8所示?？梢姡抡娼Y果大體上接近于如圖7所示的理想頻率響應。由于微帶濾波器的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡只考慮了最主要的物理機制，并沒有包括所有的不連續(xù)性效應。圖8所示的頻率響應還不能滿足技術指標要求。借助于電磁仿真對微帶濾波器的性能進行優(yōu)化，在前面的計算結構參數(shù)值的基礎之上，進行細微調(diào)整，最終確定微帶濾波器的結構參數(shù)為：

w₀＝1.11mm

w₁＝0.12mm,s₁＝0.12mm,l₁＝15.30mm

w₂＝0.23mm,s₂＝0.26mm,l₂＝30.47mm

這些經(jīng)過優(yōu)化之后得到的結構參數(shù)值，稱之為優(yōu)化結構參數(shù)值。這些優(yōu)化結構參數(shù)值位于前面所得到的計算結構參數(shù)值的附近，說明計算結構參數(shù)值可以作為好初值，從而極大得減少優(yōu)化時間。優(yōu)化后的微帶濾波器的性能能夠滿足技術指標，如圖9所示。根據(jù)這些優(yōu)化結構參數(shù)值，對此微帶濾波器進行了加工測試，測試結果如圖9所示。測試結果與仿真結果相當吻合。從中可以看到，|S₁₁|在通帶內(nèi)呈現(xiàn)兩個反射零點，因此頻率響應是一個兩階帶通頻率響應。在通帶左側出現(xiàn)了所期望的傳輸零點，用于改善通帶的頻率選擇性。

本發(fā)明所述微帶濾波器的設計方法的優(yōu)越性在于深刻揭示了微帶濾波器的物理機制，因此可以更好得控制其性能。例如，可以將該微帶濾波器位于有限頻率處的傳輸零點進行移動，從而使其性能更加靈活。作為例證，在實施例二中將傳輸零點放置于通帶的右側。實施例二的技術指標為：通帶位于[1.94,2.06]GHz，一個傳輸零點位于2.8GHz。理想的二階帶通頻率響應如圖10所示。仿照實施例一的設計過程，首先根據(jù)技術指標確定圖6所示集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中各個元件值。如果選取R_S＝50Ω，則其它元件值為：

K＝27Ω

L＝2.2855·10^-8H，X＝-273.1235Ω,

L₁₂＝3.2391·10^-9H，X₁₂＝-56.9843Ω

再利用前面導出的集總參數(shù)等效網(wǎng)絡中的各個元件與微帶濾波器的電氣參數(shù)之間的等效關系式，可以計算得到微帶濾波器的電氣參數(shù)為：

Z_1e＝128.8758，Z_1o＝74.8758Ω，θ₁＝π/2(相對于諧振頻率ω₁＝9.7420·10⁹rad/s)

Z_2e＝144.5558Ω，Z_2o＝72Ω，θ₂＝π/2(相對于諧振頻率ω₂＝1.7593·10¹⁰rad/s)

如果仍然選用實施例一所選用的微帶線來實現(xiàn)此濾波器，則可以計算得到微帶濾波器的結構參數(shù)值為

w₀＝1.11mm

w₁＝0.25mm,s₁＝0.28mm,l₁＝29.83mm

w₂＝0.20mm,s₂＝0.19mm,l₂＝16.49mm

基于這些計算結構參數(shù)值建模，并進行電磁仿真，仿真結果如圖11所示。可見，仿真結果大體上接近于如圖10所示的理想頻率響應。借助于電磁仿真對微帶濾波器的性能進行優(yōu)化，在前面的計算結構參數(shù)值的基礎之上，進行細微調(diào)整，最終確定微帶濾波器的結構參數(shù)為：

w₀＝1.11mm

w₁＝0.29mm,s₁＝0.14mm,l₁＝33.83mm

w₂＝0.20mm,s₂＝0.13mm,l₂＝16.70mm

基于這些優(yōu)化結構參數(shù)值對微帶濾波器進行仿真，如圖12所示，優(yōu)化后的微帶濾波器的性能能夠滿足技術指標。對此微帶濾波器進行了加工測試，測試結果如圖12所示。測試結果與仿真結果相當吻合。從中可以看到，|S₁₁|在通帶內(nèi)呈現(xiàn)兩個反射零點，因此頻率響應是一個兩階帶通頻率響應。在通帶右側出現(xiàn)了所期望的傳輸零點，說明了本發(fā)明所述設計方法的準確性。

以上所列舉的實施例充分說明，本發(fā)明所述設計方法能夠深入得揭示微帶濾波器的物理機制，縮短其研制周期。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。