微帶平面螺旋濾波器及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波濾波器技術領域，尤其涉及一種微帶平面螺旋濾波器及其設計方 法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有微波濾波器有很多種，其中空氣腔體式濾波器和波導式濾波器體積大、成本 高、而且笨重；微機械硅腔濾波器工藝復雜、成本高；微帶結(jié)構(gòu)的交指型濾波器占據(jù)面積較 大；梳狀濾波器雖然面積小，但其加載電容不容易實現(xiàn)；聲表面波濾波器的通帶頻率不高； 其它結(jié)構(gòu)或形狀的微波濾波器都有體積大或面積大或帶寬太窄或難于實現(xiàn)等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種微帶平面螺旋濾波器，體積小，面積小，重量 輕，通帶范圍較廣，采用印刷電路板工藝或薄膜工藝即可實現(xiàn)，成本低，且適用于幾乎所有 微波頻段。
[0004] 為解決上述技術問題，本發(fā)明涉及一種微帶平面螺旋濾波器，所述濾波器包括任 意個(個數(shù)取為N，N為正整數(shù)）分布于同一微帶電路板上的諧振腔，諧振腔由微帶平面螺旋 諧振器構(gòu)成；所述微帶電路板包括微帶基片、底層地和頂層微帶電路，其中，微帶基片形成 于底層地之上，是支撐地和微帶線的絕緣介質(zhì)，頂層微帶電路形成于微帶基片之上，所述頂 層微帶電路由微帶平面螺旋諧振器構(gòu)成；N階耦合諧振腔濾波器采用N個微帶平面螺旋諧 振器相互耦合實現(xiàn)；相鄰兩諧振器之間直接耦合的耦合強度由兩者間距確定，非相鄰諧振 器之間的容性耦合通過插入微帶線來調(diào)節(jié)耦合強度，所述微帶線的形狀為形或H形。
[0005] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微帶平面螺旋諧振器是一種微帶結(jié)構(gòu)的任意匝 數(shù)的螺旋線圈，其一端短路接地，另一端保持開路，所述線圈由接地端至開路端的纏繞方向 為順時針或逆時針。
[0006] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述螺旋線圈為正方形或長方形或圓形，所述接地 方式為金屬化過孔式或金屬化包邊式。
[0007] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，三個諧振器按品字形排列可以構(gòu)成一個耦合諧振腔 級聯(lián)三角元件；四個諧振器按方形排列可以構(gòu)成一個耦合諧振腔級聯(lián)四角元件。級聯(lián)三角 元件和級聯(lián)四角元件分別可以作為更高腔數(shù)微帶平面螺旋濾波器的構(gòu)成元件。
[0008] 本發(fā)明同時提供上述微帶平面螺旋濾波器設計方法，根據(jù)所需濾波器的特性調(diào)整 各微帶平面螺旋諧振器的諧振頻率、諧振器之間的耦合強度以及輸入輸出諧振器的有載Q 值；在微帶電路板上，適當布局N個微帶平面螺旋諧振器的位置，利用三維電磁場求解軟件 計算并反復調(diào)整諧振器的尺寸、間距、錯位距離、抽頭接入位置可使微帶平面螺旋濾波器的 參數(shù)與綜合的濾波器參數(shù)相一致，從而設計出符合要求的微帶平面螺旋濾波器。
[0009] 微帶平面螺旋諧振器的等效電路為一電阻、一電容和一電感對地并聯(lián)諧振電路， 電感L的值由線圈匝數(shù)、線寬、匝間距、內(nèi)徑、微帶基片厚度、線圈金屬厚度決定。電容C的 值由線圈的金屬所占面積、微帶基片厚度、微帶基片的介電常數(shù)、線圈金屬厚度決定。電阻R的值由諧振器的總損耗決定，與上述參數(shù)及微帶基片介質(zhì)的損耗角正切和金屬電導率有 關。根據(jù)平面螺旋諧振器的這些參數(shù)，利用三維電磁場求解軟件可以算出其諧振頻率、品質(zhì) 因數(shù)(即Q值)、等效電感、等效電容、等效電阻以及其它有用參數(shù)的值。
[0010] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述微帶平面螺旋諧振器相鄰的螺旋線段距離接地 點越近，耦合越強；所述兩耦合諧振器的形狀、尺寸、方位一定時，耦合強度隨著兩諧振器的 間距減小而增加。由于微帶結(jié)構(gòu)的兩平面螺旋諧振器在同一平面內(nèi)，且金屬厚度很薄，故耦 合以感性為主，容性耦合很弱。只有當兩個諧振器靠得很近時，容性耦合才會明顯增加。當 兩個平面螺旋諧振器的自電流均從開路端向短路端流過時，如果自磁通相互加強，則耦合 系數(shù)為正值；如果自磁通相互抵消，則耦合系數(shù)為負值。在形狀、尺寸、方位一定的情況下， 平面螺旋諧振器之間的耦合系數(shù)的絕對值由兩諧振器的間距決定，并隨間距減小而增加。 耦合系數(shù)與螺旋諧振器相對方位有關：兩螺旋諧振器相鄰的螺旋線段離接地點越近時，耦 合越強；反之，越弱。
[0011] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，兩個平面螺旋諧振器之間的耦合強度還與兩諧振器 的相對位置有關。比如兩個方形平面螺旋諧振器，如果線圈的相鄰邊緣相互平行且居中對 齊，則耦合最強，耦合系數(shù)的絕對值最大；如果線圈的相鄰邊緣相互平行但相互位于對方的 對角線上或位于對角線附近，則耦合最弱。其它條件相同的情況下，對角線上兩諧振器耦合 系數(shù)的絕對值約為居中對齊時的i°/d〇%。因此通過調(diào)整兩諧振器的間距和"錯位"程度，可 以調(diào)整耦合系數(shù)的值。利用方形諧振器"對角線上兩線圈耦合最弱"的特點，可以使不希望 的交叉耦合降到最小。
[0012] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，負載的接入方式有微帶間隙電容耦合和微帶抽頭耦 合兩種。間隙電容耦合所獲得的有載Q值很高，適合于帶寬極窄(如小于1%)的濾波器；抽頭 耦合所獲得的有載Q值較低，適合于較寬帶寬(如1%~20%)的濾波器。調(diào)整負載耦合線與螺 旋諧振器的間隙，或者調(diào)整抽頭離螺旋線圈接地端的距離，可以獲得濾波器所需要的有載Q 值。
[0013] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在兩微帶平面螺旋諧振器之間插入微帶線，通過改 變微帶線的長寬及其與兩諧振器的間隙，來調(diào)節(jié)兩諧振器之間容性耦合的強度。
[0014] 本發(fā)明的有益效果為：通過上述方法調(diào)整各微帶平面螺旋諧振器的諧振頻率、諧 振器之間的耦合強度以及輸入輸出諧振器的有載Q值，設計的微帶平面螺旋濾波器，體積 小，面積小，重量輕，通帶范圍較廣，采用印刷電路板工藝或薄膜工藝即可實現(xiàn)，成本低，且 適用于幾乎所有微波頻段；可應用于移動通信手機、移動通信基站、寬帶無線接入設備、短 距離無線通信、電視、雷達、衛(wèi)星通信、電子對抗等設備上。
【附圖說明】
[0015] 圖1為四個金屬化過孔接地的微帶平面螺旋諧振器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為五個接地帶外側(cè)包邊接地的微帶平面螺旋諧振器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為微帶平面螺旋諧振器的等效電路圖； 圖4為兩個互耦微帶平面螺旋諧振器的等效電路圖； 圖5為任意腔微帶平面螺旋濾波器的電路原理圖； 圖6為抽頭接入式、過孔接地四腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為通過間隙電容接入負載的兩腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8通過抽頭接入負載的兩腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9為抽頭接入式、接地帶包邊接地五腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10為抽頭接入式、過孔接地三腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11為抽頭接入式、過孔接地六腔微帶平面螺旋濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]附圖標記說明 1、2、3、4-微帶平面螺旋諧振器，5-31形微帶線，6、7-抽頭微帶線，8、9、10、11-過孔， 12、13、14、15_調(diào)諧塊，16、17、18、19_負載接入微帶線，20-抽頭微帶線，21、22、23、24、 25-微帶平面螺旋諧振器，26-抽頭微帶線，27-H形微帶線，28、29、30-接地帶，31、32、33、 34、35-調(diào)諧塊。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。需要說明的是，附圖僅為示例性說明，并未按照嚴格比例繪 制，而且其中可能有為描述便利而進行的局部放大、縮小，對于公知部分結(jié)構(gòu)亦可能有一定 缺省；下面描述中使用的詞語"前"、"后"、"左"、"右"、"上"和"下"指的是附圖中的方向，詞 語"內(nèi)"和"外"分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
[0018]本發(fā)明涉及一種微帶平面螺旋濾波器，包括N個分布于同一微帶電路板上的諧振 腔，其中N為正整數(shù)，諧振腔由微帶平面螺旋諧振器構(gòu)成；微帶電路板包括微帶基片、底層 地和頂層微帶電路，其中微帶基片形成于底層地之上，頂層微帶電路形成于微帶基片之上， 所述頂層微帶電路由微帶平面螺旋諧振器構(gòu)成；N階耦合諧振腔濾波器采用N個微帶平面 螺旋諧振器相互耦合實現(xiàn)。
[0019]本發(fā)明同時提供上述微帶平面螺旋濾波器設計方法，根據(jù)所需濾波器的特性調(diào)整 各微帶平面螺旋諧振器的諧振頻率、諧振器之間的耦合強度以及輸入輸出諧振器的有載Q 值；在微帶電路板上，適當布局N個微帶平面螺旋諧振器的位置，利用三維電磁場求解軟件 計算并反復調(diào)整諧振器的尺寸、間距、錯位距離、抽頭接入位置可使微帶平面螺旋濾波器的 參數(shù)與綜合的濾波器參數(shù)相一致，從而設計出符合要求的微帶平面螺旋濾波器。
[0020] 參見圖1、2,平面螺旋諧振器是一種微帶結(jié)構(gòu)的任意匝數(shù)的螺旋線圈，其一端短路 接地，另一端保持開路。螺旋線圈可以是正方形的，也可以是長方形的，還可以是圓形的；由 接地端到開路端的旋向可以是順時針的，也可以是反時針的。接地方式可以采用金屬化過