專利名稱：一種微帶線諧振器及其微波濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微帶線諧振器及其微波濾波器，屬于微波通訊設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波濾波器的設(shè)計。
背景技術(shù)：
濾波器是一種十分重要的微波元件，它的主要功能是用來分隔頻率，即通過一定頻率的信號而阻斷另一些頻率的信號。理想的濾波器特性應當是通帶無衰減，而在截止區(qū)域內(nèi)衰減無窮大，通帶與截止區(qū)域的跳變要盡可能地陡峭。要達到帶邊陡峭的特性，一般可以通過增加濾波器的節(jié)數(shù)來加以改善。節(jié)數(shù)的增加將顯著的引入損耗，使通帶衰減變大，濾波器性能惡化。這使得普通微帶線濾波器的損耗一般較大，對要求較高的領(lǐng)域，例如衛(wèi)星應用，就達不到所要求的指標，一般這時就只能用波導器件來實現(xiàn)。
近幾年來，隨著高溫超導材料的制備工藝，包括單晶樣品和薄膜等的發(fā)展，使得超導濾波器的實用化成為可能。超導濾波器損耗小，抗鄰頻干擾能力強，諧振器Q值高(在幾千MHz范圍內(nèi)，其Q值可達40000-100000)。利用超導微帶線的這一特點，可以用超導微帶線濾波器來代替波導濾波器。從已有的實驗結(jié)果來看，超導微帶線濾波器可以有陡峭的帶邊，極低的插入損耗和通帶平坦特性，在性能上更接近于理想濾波器。因此高溫超導微帶線濾波器不僅具有可與波導器件相比的性能，而又同時兼具微帶線體積小，重量輕的優(yōu)點。
濾波器的結(jié)構(gòu)對濾波器的特性起了決定性作用。目前，設(shè)計的目標是在濾波器整體尺寸盡可能小的前提下，使濾波器的帶內(nèi)插入損耗更低，帶邊更陡。
圖1公開了一種由本申請人提出的名稱為“微波單折疊濾波器”的專利申請，申請?zhí)枮?2156889.8，這種濾波器由多個諧振器組成，每個諧振器由一根微帶線折疊形成一個開口端和一個封閉端而成，具有結(jié)構(gòu)簡捷、尺寸小等優(yōu)點。但是，對于低頻濾波器，對應的單折疊諧振器尺寸將很長，會降低超導薄膜的有效使用面積，造成浪費，也不適合設(shè)計高節(jié)數(shù)濾波器，無法進一步提高濾波器的選頻性能。
此外，由于磁場主要沿微帶線分布，過長的微帶線必然造成諧振器之間的耦合很強，而窄帶濾波器需要實現(xiàn)諧振器之間較弱的耦合。因此對于低頻窄帶濾波器，單折疊諧振器之間的間距必然很大，造成整個濾波器尺寸過大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種微帶線諧振器及其微波濾波器，以縮小器件的尺寸，并提高使用性能。
本發(fā)明提出的微帶線諧振器，由第一、第二、第三環(huán)帶組成，第一環(huán)帶的第一側(cè)微帶線或第三環(huán)帶的第二側(cè)微帶線上設(shè)有缺口；每個環(huán)帶的第一側(cè)微帶線和第二側(cè)微帶線在環(huán)帶的上、下端形成封閉端，第一環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第二環(huán)帶的第一側(cè)微帶線以及第二環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第三環(huán)帶的第一側(cè)微帶線在諧振器內(nèi)部空隙處各形成封閉端。
上述諧振器中，第一、第二、第三環(huán)帶的上、下端高度，可以相同，也可以不同。
上述諧振器的第一、第二、第三環(huán)帶中，最外側(cè)兩個環(huán)帶可以為相同高度，中間環(huán)帶高度小于兩側(cè)環(huán)帶高度，以便引入交叉耦合。
本發(fā)明提出的微波濾波器，包括依次平行排列的多個微帶線諧振器陣，濾波器的輸入、輸出饋線分別與第一和最后一個諧振器相連接。
上述微波濾波器中，多個微帶線諧振器依次按其缺口與第一環(huán)帶的缺口相對、相背的順序排列。各微帶線諧振器的缺口位置相同。相鄰兩個微帶線諧振器的缺口位置在環(huán)帶的同一側(cè)或上、下兩側(cè)。
本發(fā)明提出的微帶線諧振器，其特點是，由三個環(huán)帶組成，其中一個環(huán)帶包含一個缺口，每個環(huán)帶的中間部分互相連接，在兩側(cè)形成開口端，在諧振器內(nèi)部形成一個較大的空隙。在諧振器整體尺寸保持不變的情況下，改變空隙的大小，可以在一定范圍內(nèi)對諧振器諧振頻率進行調(diào)節(jié)，改變空隙的上下位置，可以在不同位置引入饋線，實現(xiàn)外部Q值的匹配。此外，由于第二環(huán)帶不直接與其它諧振器耦合，因此諧振器之間的耦合相對較弱。特別適合低頻窄帶微波濾波器的設(shè)計。
本發(fā)明的微帶線諧振器，在上、下開口端處最外側(cè)兩個環(huán)帶的高度相同，而中間環(huán)帶高度可以小于兩側(cè)環(huán)帶高度，形成一個凹陷部，以便插入耦合線，在非相鄰諧振器之間引入交叉耦合。
本發(fā)明提出的微帶線諧振器及其微波濾波器，具有插入損耗小、帶外抑制大、過渡帶陡峭，組構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)簡捷，整體尺寸小等優(yōu)點。在諧振器數(shù)目相等的條件下，微波濾波器的帶內(nèi)插入損耗、帶外衰減、帶邊陡峭度等性能，均達到國外同類超導濾波器的性能指標，而且尺寸小于已有的超導濾波器，因此降低了成本。
圖1是已有的單折疊諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的微帶線諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)表示缺口設(shè)置在第一環(huán)帶，(b)表示缺口設(shè)置在第三環(huán)帶，(c)表示中間環(huán)帶高度低于兩個外側(cè)環(huán)帶。
圖3是由本發(fā)明微帶線諧振器構(gòu)成的微波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3所示的微波濾波器的頻率響應曲線圖。
圖5和圖6是本發(fā)明微波濾波器的實施例結(jié)構(gòu)示意圖，以說明諧振器的不同排列方式。
圖1～圖6中，1、2、3、4、5、6分別是諧振器各環(huán)帶上、下端的封閉端；a、b、c、d分別是諧振器內(nèi)部空隙處的封閉端；21、22、23分別為諧振器的第一、第二、第三環(huán)帶；211、211’、212、214、215、221、222、223、224、231、232、233、233’、234分別為組成諧振器各環(huán)帶的微帶線；213、235為諧振器設(shè)置的缺口；24為諧振器內(nèi)部空隙；25為諧振器的凹陷部；30、37分別為濾波器輸入、輸出饋線；31、32、33、34、35、36為組成濾波器的諧振器；L1、L2、L3、L4、L5分別為諧振器之間的距離；41為傳輸損耗S21曲線；42為反射損耗S11曲線；43為一對傳輸零點；51、52、53、54、55、56、61、62、63、64、65、66分別為本發(fā)明提出的超導濾波器中各諧振器，以說明諧振器陣的排列方式；G1、G2、G3、G4、G5、G6分別為組成濾波器的各諧振器上的缺口。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的微帶線諧振器，一個實施例的結(jié)構(gòu)布局如圖2a所示，由三個環(huán)帶21、22、23連接組成。圖中21為第一環(huán)帶，第一側(cè)微帶線由兩段微帶線211、212構(gòu)成，并設(shè)置了一個缺口213，該兩段微帶線211、212長度可以相等或不等；其第二側(cè)微帶線分為兩部分214、215；22為第二環(huán)帶，由四段微帶線221、222、223、224組成，分別與兩側(cè)環(huán)帶21、23在中部相連形成封閉端a、b、c、d，并在諧振器內(nèi)部形成空隙24；23為第三環(huán)帶，由第一側(cè)微帶線231、232和第二側(cè)微帶線233相連接構(gòu)成。每個環(huán)帶21、22、23的第一側(cè)微帶線和第二側(cè)微帶線在上下兩端連接形成封閉端1、2、3、4、5、6。各環(huán)帶的長度和環(huán)帶兩側(cè)微帶線之間的距離以及每個環(huán)帶之間的距離，可根據(jù)濾波器的具體設(shè)計要求確定。微帶線諧振器的總長度約為濾波器中心頻率對應波長的一半。
缺口235也可以設(shè)置在諧振器的第三環(huán)帶23上，如圖2b所示。此時第一環(huán)帶的第一側(cè)由微帶線211’構(gòu)成，第三環(huán)帶23的第二側(cè)微帶線分為兩段微帶線233’、234，并形成缺口235。微帶線233’、234的長度可以相等或不等。其余結(jié)構(gòu)與圖2a完全相同。
上述諧振器中，第一、第二、第三環(huán)帶21、22、23的上、下端高度，可以相同，也可以不同。
上述諧振器的第一、第二、第三環(huán)帶21、22、23中，最外側(cè)兩個環(huán)帶21、23的高度相同，而中間環(huán)帶22的高度小于兩側(cè)環(huán)帶21、23的高度，形成凹陷部25，如圖2c所示，以便引入交叉耦合。
本發(fā)明提出的高溫超導濾波器，一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，包括依次平行排列的6個微帶線諧振器陣31、32、33、34、35、36，濾波器的輸入、輸出饋線30、37分別與第一和最后一個諧振器31、36相連接。6個微帶線諧振器32、33、34、35、36依次按其缺口G2、G3、G4、G5、G6與第一個諧振器31的缺口G1相對、相背的順序排列。各微帶線諧振器的缺口G1、G2、G3、G4、G5、G6位置相同。
圖3所示的微波濾波器的中心頻率為680MHz，相對帶寬為0.7％。圖3中白色部分為MgO基片，尺寸為33.9mm*25.0mm，厚度為0.50mm，介電常數(shù)為9.8。斜線填充部分為超導微帶線，居中放置在MgO基片上。輸入輸出饋線30、37的寬度為0.5mm，對應輸入輸出阻抗為50歐姆。饋線30、37的長度為3.4mm，距基片底部的距離為14.2mm，分別和與其相接觸的諧振器31和36耦合。31到36為6個尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的微帶線諧振器，兩兩缺口相對平行排列，距基片底部的距離為3.0mm。以第三個諧振器33為例來說明諧振器的尺寸，整個諧振器33的各部分微帶線寬度皆為0.3mm，每條微帶線之間的橫向間距也皆為0.3mm。第一環(huán)帶331第一側(cè)的兩段微帶線3311、3312長度各為2.8mm和16.2mm，缺口3313的寬度為0.3mm，第一環(huán)帶331的第二側(cè)兩段微帶線3314、3315的長度各為6.3mm和10.2mm；第二環(huán)帶332的上側(cè)(上下相對圖5而言)兩條微帶線3322、3324的長度皆為6.3mm，下側(cè)兩條微帶線3321、3323的長度皆為10.2mm；第三環(huán)帶333的第二側(cè)微帶線3333的長度為19.3mm，第一側(cè)的兩條微帶線3331、3332的長度各為10.2mm和6.3mm；諧振器內(nèi)部空隙334的尺寸為2.7mm*2.8mm，整個微帶線的總長度約為濾波器中心頻率在此MgO基片上對應波長的一半。各微帶線諧振器之間的距離L1、L2、L3、L4、L5依次為1.00mm、2.04mm、1.22mm、2.04mm、1.00mm，根據(jù)濾波器設(shè)計目標，由諧振器之間最佳耦合強度匹配關(guān)系確定。
圖4為圖3所示微波濾波器實施例的頻率響應曲線，圖4中，實線41為傳輸損耗S21曲線，虛線42為反射損耗S11曲線，43為一對傳輸零點。傳輸零點43的出現(xiàn)將使濾波器過渡帶更加陡峭，能夠有效提高濾波器選頻能力。通帶反射系數(shù)達到了-24.7dB，帶外抑制達到70dB以上，帶邊陡峭度兩邊都超過了10dB/MHz。如果繼續(xù)增加濾波器節(jié)數(shù)，帶邊會更加陡峭，帶外抑制更好。
圖5及圖6為本發(fā)明提出的超導濾波器中，諧振器排列的另外兩種方式。圖5中每對諧振器(51和52；53和54；55和56)的缺口(G1和G2；G3和G4；G5和G6)分別位于基片上、下兩側(cè)，圖6中每對諧振器(61和62；63和64；65和66)的缺口(G1和G2；G3和G4；G5和G6)位于基片同側(cè)。通過這種變形，在諧振器之間距離不變的情況下，能夠改變諧振器之間的耦合強度。
雖然在上述實施例的基礎(chǔ)上對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明并不局限于此，具有相關(guān)領(lǐng)域背景知識的人可以在此基礎(chǔ)上進行多種變形。例如，本發(fā)明采用的諧振器由三個環(huán)帶結(jié)構(gòu)，但如果設(shè)計頻帶更低，也可以增加環(huán)帶數(shù)目(例如4個)。此外，上述實施例設(shè)計了一個6節(jié)高溫超導濾波器，但是本發(fā)明還可以很容易用此結(jié)構(gòu)設(shè)計出節(jié)數(shù)更高的濾波器，而且各諧振器平行但上下不一定對齊。此外，上述實施例中雖然選用了MgO基片，但是根據(jù)需要完全可以使用LaAlO3、Sapphire等其它材料的基片。這些變形也應屬于本發(fā)明的同一設(shè)計構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.一種微帶線諧振器，其特征在于該諧振器由第一、第二、第三環(huán)帶組成，第一環(huán)帶的第一側(cè)微帶線或第三環(huán)帶的第二側(cè)微帶線上設(shè)有缺口；每個環(huán)帶的第一側(cè)微帶線和第二側(cè)微帶線在環(huán)帶的上、下端形成封閉端，第一環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第二環(huán)帶的第一側(cè)微帶線以及第二環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第三環(huán)帶的第一側(cè)微帶線在諧振器內(nèi)部空隙處各形成封閉端。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于其中所述的第一、第二、第三環(huán)帶的上、下端高度相同或不同。
3.如權(quán)利要求2所述的諧振器，其特征在于，其中所述的第一、第二、第三環(huán)帶中，最外側(cè)兩個環(huán)帶為相同高度，中間環(huán)帶高度小于兩側(cè)環(huán)帶高度，形成凹陷部，以便引入交叉耦合。
4.一種微波濾波器，其特征在于，包括依次平行排列的多個微帶線諧振器陣，濾波器的輸入、輸出饋線分別與第一和最后一個諧振器相連接；所述的諧振器由第一、第二、第三環(huán)帶組成，第一環(huán)帶的第一側(cè)微帶線或第三環(huán)帶的第二側(cè)微帶線上設(shè)有缺口；每個環(huán)帶的第一側(cè)微帶線和第二側(cè)微帶線在環(huán)帶的上、下端形成封閉端，第一環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第二環(huán)帶的第一側(cè)微帶線以及第二環(huán)帶的第二側(cè)微帶線與第三環(huán)帶的第一側(cè)微帶線在諧振器內(nèi)部空隙處各形成封閉端。
5.如權(quán)利要求4所述的微波濾波器，其特征在于所述的多個微帶線諧振器依次按其缺口與第一個諧振器的缺口相對、相背的順序排列。
6.如權(quán)利要求4所述的微波濾波器，其特征在于各微帶線諧振器的缺口位置相同。
7.如權(quán)利要求6所述的微波濾波器，其特征在于相鄰兩個微帶線諧振器的缺口位置在環(huán)帶的同一側(cè)或上、下兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微帶線諧振器及其微波濾波器，屬于微波通訊設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。其中的微帶線諧振器，由三個環(huán)帶組成，其中一個環(huán)帶包含一個缺口，每個環(huán)帶的中間部分互相連接，在兩側(cè)形成開口端，在諧振器內(nèi)部形成一個較大的空隙。本發(fā)明的微波濾波器，包括依次平行排列的多個微帶線諧振器陣，濾波器的輸入、輸出饋線分別與第一和最后一個諧振器相連接。本發(fā)明提出的微帶線諧振器及其微波濾波器，具有插入損耗小、帶外抑制大、過渡帶陡峭，組構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)簡捷，整體尺寸小等優(yōu)點。
文檔編號H01P1/20GK1787278SQ20051013208
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者曹必松, 樸云龍, 魏斌, 張曉平 申請人:清華大學