独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法及多通带滤波器

摘要

本发明涉及一种独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法，其中包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，通过调节多模谐振器的主体及加载部分的尺寸来改变多通带滤波器的工作频率，并使寄生通带远离所需工作通带，通过调节辅助耦合块的位置与尺寸来改变多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度；本发明还提供一种多通带滤波器，其中多模谐振器将多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，辅助耦合块用于改变多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度。采用了本发明的方法，使得独立调控多通带滤波器的频率与带宽的操作简单化，自由度大，可以实现高性能的高阶数的多通带滤波器，且其相应的多通带滤波器体积更小，其具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法，其特征在于，所述的多通带滤波器包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，所述的多模谐振器包括主体和加载部分，通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的各段尺寸来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处，通过调节所述的辅助耦合块的形式来改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度，其中，所述的主体为阶跃阻抗型谐振器主体，所述的加载部分为加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体上的阶跃阻抗型枝节，通过调节所述的辅助耦合块的形式来改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度，具体为：在所述的多模谐振器之间的需加强或减弱的耦合路径上放置所述的辅助耦合块，所述的辅助耦合块的位置、尺寸、形状和开路或短路的状态由所述的需改变的耦合路径的耦合强度的增加量或减小量决定。

2.根据权利要求1所述的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法，其特征在于，所述的通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的各段尺寸来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处，具体为：通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的高阻抗段和低阻抗段的电长度及阻抗比来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处。

3.根据权利要求2所述的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法，其特征在于，所述的阶跃阻抗型枝节包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，所述的阶跃阻抗型谐振器主体包括高阻抗微带线和低阻抗微带线，所述的高阻抗段包括所述的高阻抗微带线和所述的高阻抗枝节段，所述的低阻抗段包括所述的低阻抗微带线和所述的低阻抗枝节段。

4.根据权利要求1所述的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法，其特征在于，所述的辅助耦合块为能够放置于所述的多模谐振器的耦合路径上的开路或短路微带线。

5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法设计的多通带滤波器，其特征在于，所述的多通带滤波器包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，所述的多模谐振器用以将所述的多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处，所述的辅助耦合块用以改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度。

6.根据权利要求5所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的多模谐振器包括高阻抗段和低阻抗段，所述的多模谐振器的高阻抗段经过折叠。

7.根据权利要求6所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的多模谐振器包括阶跃阻抗型谐振器主体和加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体上的阶跃阻抗型枝节。

8.根据权利要求7所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的阶跃阻抗型枝节包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，所述的阶跃阻抗型谐振器主体包括高阻抗微带线和低阻抗微带线，所述的高阻抗段包括所述的高阻抗微带线和所述的高阻抗枝节段，所述的低阻抗段包括所述的低阻抗微带线和所述的低阻抗枝节段。

9.根据权利要求8所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的阶跃阻抗型枝节加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体的中部。

10.根据权利要求5所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的辅助耦合块放置于所述的多模谐振器的耦合路径上。

11.根据权利要求5所述的多通带滤波器，其特征在于，所述的多模谐振器的整体结构左右对称。

说明书

独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法及多通带滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波技术领域，尤其涉及滤波器技术领域，具体是指一种独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法及多通带滤波器。

背景技术

[0002] 在民用通信领域，无线通信技术的快速发展，对具有多功能射频接收前端提出了更高的要求。支持多频点通信、能够精确选出系统所需多频段信号的双通带/多通带滤波器成了关键器件，在多模式移动通信方面有着广泛的应用前景。在军事上，复杂电磁环境下的高技术战争已经屡见不鲜。隐身与反隐身、干扰与反干扰、压制与反压制都对我们的专用通信系统提出了越来越高的要求。专用无线通信系统在设计时必须考虑到日趋复杂的电磁环境，尽力避免民用电磁信号的干扰。高性能多通带滤波器，有助于通过跳频通信的方式增强通信系统的战场生存能力。

[0003] 尽管民用通信和军用通信都对高性能多通带滤波器有着极其迫切的需求，然而，高性能的多通带滤波器依然匮乏。这是因为，与单通带滤波器类似，常规多通带滤波器要么是体积和重量过大，要么是带内插损过高，都难于满足通信系统严苛的要求。因此，用高温超导薄膜制成的多通带滤波器就有着极为广阔的应用前景。

[0004] 如何巧妙地设计电路结构，使得多个通带能够同时满足严苛的性能指标，就成了多通带滤波器的设计难点。近年来，常用的多通带滤波器主要有以下几种方案：

[0005] (1)子滤波器的并联法。首先设计好每一个独立的单通带滤波器，再将它们的输入输出端进行连接，便构成了多通带滤波器，其缺点是尺寸往往过大，不利于器件小型化与集成化。

[0006] (2)把将带阻滤波器级联或嵌入带通滤波器即可实现多通带滤波器。简单来说，就是利用带阻滤波器在一个较宽的通带内滤去某些特定的频段，进而使之前的一个通带变成多个通带，形成多通带响应。这种方法一般只适用于两个通带相距较近的情形。

[0007] (3)多模谐振器方案。目前用的比较多的两种多模谐振器为阶跃阻抗型谐振器(SIR)及枝节加载型谐振器(SLR)。多模谐振器方案可以明显地减小电路尺寸，这一点对于超导滤波器来说尤为重要。但是现有设计方法自由度小，阶数低，滤波性能不理想。因为多个通带的外部耦合以及谐振器之间的耦合只能用同一套物理参数来进行调节，因此降低了滤波器设计的自由度。多个通带之间彼此关联、影响，使得设计者很难找到一组物理参数，使得各个通带的滤波响应都达到最佳，因此往往需要在各个通带之间进行取舍，以达到整体滤波性能的最佳。

[0008] 因此，实现频率和带宽均可自由独立调控的多通带滤波器，有着迫切的需求，但存在极大的设计难点，要实现满足上述要求的高阶多通带滤波器，则更是难上加难。

发明内容

[0009] 本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种通过调节多模谐振器的电长度及阻抗比和辅助耦合块的位置及尺寸能够实现频率和带宽均可自由调控的独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法及多通带滤波器。

[0010] 为了实现上述目的，本发明的独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法及多通带滤波器具有如下构成：

[0011] 一种独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法，其主要特点是，所述的多模谐振器包括主体和加载部分，通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的各段尺寸来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处，通过调节所述的辅助耦合块的形式来改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度。

[0012] 进一步地，所述的通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的各段尺寸来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处，具体为：

[0013] 通过调节所述的多模谐振器的主体及加载部分的高阻抗段和低阻抗段的电长度及阻抗比来改变所述的多通带滤波器的工作频率，并将所述的多模谐振器的寄生模式频率推至远离所述的多通带滤波器的工作频率处。

[0014] 更进一步地，所述的主体为阶跃阻抗型谐振器主体，所述的加载部分为加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体上的阶跃阻抗型枝节，所述的阶跃阻抗型枝节包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，所述的阶跃阻抗型谐振器主体包括高阻抗微带线和低阻抗微带线，所述的高阻抗段包括所述的高阻抗微带线和所述的高阻抗枝节段，所述的低阻抗段包括所述的低阻抗微带线和所述的低阻抗枝节段。

[0015] 进一步地，通过调节所述的辅助耦合块的形式来改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度，具体为：

[0016] 在所述的多模谐振器的需加强或减弱的耦合路径上放置所述的辅助耦合块，所述的辅助耦合块的位置、尺寸、形状和开路或短路的状态由所述的需改变的耦合路径的耦合强度的增加量或减小量决定。

[0017] 其中，所述的辅助耦合块为能够放置于所述的多模谐振器的耦合路径上的开路或短路微带线。

[0018] 本发明还提供一种基于上述独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法设计的多通带滤波器，其主要特点是，所述的多通带滤波器包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，所述的多模谐振器用以将所述的多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，并将多模谐振器的寄生模式频率推至远离多通带滤波器工作通带的频率处，所述的辅助耦合块用以改变所述的多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度。

[0019] 进一步地，所述的多模谐振器包括高阻抗段和低阻抗段。

[0020] 更进一步地，所述的多模谐振器的高阻抗段经过折叠。

[0021] 其中，所述的多模谐振器包括阶跃阻抗型谐振器主体和加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体上的阶跃阻抗型枝节。所述的阶跃阻抗型枝节包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，所述的阶跃阻抗型谐振器主体包括高阻抗微带线和低阻抗微带线，所述的高阻抗段包括所述的高阻抗微带线和所述的高阻抗枝节段，所述的低阻抗段包括所述的低阻抗微带线和所述的低阻抗枝节段。

[0022] 更进一步地，所述的阶跃阻抗型枝节加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体的中部；所述的辅助耦合块放置于所述的多模谐振器的耦合路径上；所述的多模谐振器的整体结构左右对称。

[0023] 采用了本发明的独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法，通过改变多通带滤波器的多模谐振器的主体及加载部分的尺寸，调整谐振器的高次谐振模式分布，从而影响高寄生谐振频率；通过改变多模谐振器之间的距离和辅助耦合块的位置与尺寸，可以改变多模谐振器两个耦合路径的耦合强度，从而灵活调控带宽，采用了本发明的多通带滤波器，多模谐振器的高阻抗段和低阻抗段的电长度及阻抗比能够使多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，并将寄生杂模推至远离工作通带频段，辅助耦合块改变多模谐振器的耦合路径的耦合强度，多模谐振器的高阻抗段部分进行折叠，减小了滤波器的体积，该独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法操作简单，自由度大，可以实现高性能的高阶数的多通带滤波器，且其相应的多通带滤波器体积更小，其具有广阔的应用前景。

附图说明

[0024] 图1为本发明的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法的流程图。

[0025] 图2为本发明的多通带滤波器所使用的一种多模谐振器的示意图。

[0026] 图3为本发明的优化后的多模谐振器的频率响应图。

[0027] 图4为本发明的双通带滤波器输入输出端的馈线结构图。

[0028] 图5为本发明的6阶双通带超导滤波器的主线路图。

[0029] 图6为本发明的6阶双通带超导滤波器的频率响应图。

[0030] 图7为本发明的含有寄生通带的6阶双通带超导滤波器的宽频响应图。

具体实施方式

[0031] 为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

[0032] 如图1所示，为本发明的独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法的流程图。多通带滤波器包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，通过调节多模谐振器的主体及加载部分的尺寸参数，主要包括高阻抗段和低阻抗段的电长度及阻抗比，来改变多通带滤波器的工作频率，并将多模谐振器的寄生模式频率推至远离多通带滤波器工作通带的频率处，通过调节所述的辅助耦合块的形式来改变多模谐振器的耦合路径的耦合强度。

[0033] 多模谐振器的主体为阶跃阻抗型谐振器主体，加载部分为加载于所述的阶跃阻抗型谐振器主体上的阶跃阻抗型枝节，阶跃阻抗型枝节包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，阶跃阻抗型谐振器主体包括高阻抗微带线和低阻抗微带线，高阻抗段包括高阻抗微带线和高阻抗枝节段，低阻抗段包括低阻抗微带线和低阻抗枝节段。

[0034] 通过调节辅助耦合块的形式来改变多模谐振器之间的耦合路径的耦合强度，具体为：

[0035] 在多模谐振器之间的需加强或减弱的耦合路径上放置辅助耦合块，辅助耦合块的位置、尺寸、形状和开路或短路的状态由需改变的耦合路径的增加量或减小量决定。

[0036] 其中，所述的辅助耦合块为能够放置于所述的多模谐振器的耦合路径上的微带线。

[0037] 本发明还提供一种基于上述独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法设计的多通带滤波器，多通带滤波器包括一个或数个多模谐振器和一个或数个辅助耦合块，多模谐振器用以将多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，并将多模谐振器的寄生模式频率推至远离多通带滤波器工作通带的频率处，尤其是将二次以上的寄生杂模推至远离工作通带的频率处，辅助耦合块用以改变多模谐振器的耦合路径的耦合强度。

[0038] 单通带滤波器设计流程大致分为四大步骤：1.谐振器单元设计；2.谐振器间耦合设计；3.首末节谐振器与输入输出馈线的外部耦合设计；4.整体优化。对于多通带滤波器，就是每一个通带都要同时考虑这些要求。现以双通带滤波器为例，介绍本发明的多通带滤波器的构成。

[0039] 一个双通带滤波器应包括由介质基片、位于介质基片上表面的主线路和位于介质基片下表面的金属地板构成的微带电路和封装盒，主线路应包括谐振器和输入输出馈线，微带电路优选超导材料。

[0040] 图2为本发明的多通带滤波器所使用的一种多模谐振器的示意图，该多模谐振器由半波长谐振器主体1和中部加载的枝节2构成，其中，半波长谐振器主体1和中部加载的枝节2都为阶跃阻抗型结构，目的是推高寄生模式，枝节2包括高阻抗枝节段和低阻抗枝节段，半波长谐振器主体1包括高阻抗微带线和低阻抗微带线。高阻抗段包括半波长谐振器主体1的高阻抗微带线和枝节2的高阻抗枝节段，低阻抗段包括半波长谐振器主体1的低阻抗微带线和枝节2的低阻抗枝节段。将半波长谐振器主体1的高阻抗段进一步折叠，高阻抗段可以是半波长谐振器主体1的高阻抗段，也可以是枝节2的高阻抗段，以缩减尺寸。优化后的多模谐振器的结构在水平面上左右对称，可以应用奇偶模分析方法进行分析得到合适的阻抗比和电长度。

[0041] 如图3所示，为该优化后的多模谐振器的频率响应图，其中F1和F2分别为奇模和偶模的基频频率，F1、F2需分别调节到第一通带和第二通带的中心频率，是形成两个通带的基础。F3和F4分别是与F1、F2相应的二次谐振模式。阻抗比主要由高阻抗段和低阻抗段的宽度比决定，电长度是微带线的物理长度与所传输电磁波波长之比，高低阻抗段阻抗比和电长度比影响着谐振器的高次谐振模式分布。增大多模谐振器的阻抗比，可以推高寄生谐振频率，因此调节多模谐振器的阻抗比和相应的电长度，可以将F3和F4推移至远离F2的高频率处，避免干扰到通带，影响滤波性能。单独一个多模谐振器可以形成低阶双通带滤波器，但是只能保证两个中心频率可调节，假如需要带宽可调，则要改变耦合系数，那就意味着需要改变多模谐振器的耦合距离，但是两个通带共享一个耦合距离，一个距离难于保证两个带宽同时达到所需强度，局限性较大，因此增加辅助耦合块，通过调节所述的辅助耦合块的形式来灵活调控各谐振器间在两个通带频率处的耦合强度。辅助耦合块的形式包括但不限于辅助耦合块的形状、位置、尺寸和开路或短路的状态等。

[0042] 在双通带滤波器的设计中，除了谐振器单元设计与谐振器间耦合的设计，还需要设计首末节谐振器与输入输出馈线的外部耦合。

[0043] 如图4所示，为双通带滤波器输入输出端的馈线结构图，双通带滤波器外部耦合通过采用双馈线结构来实现，双馈线结构由输入输出端口的连接SMA接头的50Ω公共微带和与两个分支馈线构成。分支馈线L1搭接到多模谐振器的合适位置以提供第一通带所需的外部耦合，分支馈线L2则采用与首末多模谐振器耦合方式，与加载枝节段耦合，与L1一起协同提供第二通带所需要的外部耦合。分支馈线L1的构形对第一通带和第二通带都有影响，而分支馈线L2主要影响第二通带，因此，先根据第一通带的外部耦合要求设计好分支馈线L1的尺寸和搭接位置，然后保持该尺寸和位置不变，调节分支馈线L2的几何尺寸，以达到第二通带外部耦合的要求。

[0044] 如图5所示，为根据上述方法设计的通带为3300-3600MHz和4800-5000MHz的6阶双通带超导滤波器的主线路图。该双通带超导滤波包括6个多模谐振器3和6个可以改变多模谐振器的耦合强度的辅助耦合块4。滤波器所用材料为YBCO/MgO高温超导基片，基片介电常数为9.78，厚度为0.5mm，多模谐振器上高低阻抗段的电长度及阻抗比则根据两个通带的频率通过软件仿真或是理论计算得出。CP1表示耦合路径一，CP2表示耦合路径二。通带1所需谐振器内部耦合主要由CP1上的耦合强度决定，而通带2所需的谐振器内部耦合主要由CP1和CP2上的耦合强度共同决定。多模谐振器的距离由两个通带所需的耦合强度中较弱者决定，为了使另一个通带满足较强耦合强度的需求，在多模谐振器3的所需改变的通带耦合路径上放置辅助耦合块4，多模谐振器3和辅助耦合块4并无直接接触，辅助耦合块4的位置和尺寸由所需耦合强度的增加或减少的量决定，改变多模谐振器3之间的距离和辅助耦合块4的位置与尺寸，可以改变多模谐振器的两个耦合路径的耦合强度。在决定辅助耦合块4位置和尺寸时，可以借助全波仿真软件SONNET进行。辅助耦合块4可以是辅助调节谐振器耦合强度的开路或短路微带线，尺寸很小，对滤波器主体的谐振频率影响甚微，而且这种影响在滤波器整体优化时纳入考虑，如图6为6阶双通带超导滤波器的频率响应图，由图可知，两个通带的中心频率和带宽均达到了预定的设计指标，证明了本方法所提出的频率和带宽均可自由独立调控的可行性。

[0045] 如图7所示，为含有寄生通带的6阶双通带超导滤波器的频率响应图，采用了上述方法设计的双通带超导滤波器，带外寄生通带被推到远离所需双通带的位置，本例中为13GHz以外。如果不用上述优化的阶跃阻抗型谐振器的话，寄生通带的位置会比较接近所需的两个有用通带，会影响滤波器性能。

[0046] 采用了本发明的独立调控多通带滤波器频率与带宽的方法，通过改变多通带滤波器的多模谐振器的主体及加载部分的尺寸，调整谐振器的高次谐振模式分布，从而影响高寄生谐振频率；通过改变多模谐振器之间的距离和辅助耦合块的位置与尺寸，可以改变多模谐振器两个耦合路径的耦合强度，从而灵活调控带宽，采用了本发明的多通带滤波器，多模谐振器的高阻抗段和低阻抗段的电长度及阻抗比能够使多通带滤波器的工作频率调节至相应频率，并使寄生通带远离工作通带，辅助耦合块改变多模谐振器的耦合路径的耦合强度，多模谐振器的高阻抗段部分进行折叠，减小了滤波器的体积，该独立调控多通带滤波器的频率与带宽的方法操作简单，自由度大，阶数高，提高了滤波性能，且其相应的多通带滤波器体积更小，输出更稳定，滤波性能更好，其具有广阔的应用前景。

[0047] 在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。