CN114639932B - 一种微带差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微带差分带通滤波器，属于射频微波滤波器技术领域，包括依次的PCB板顶层、介质基板和PCB板底层，PCB板顶层和PCB板底层对应设置微带结构，与位于两个微带结构之间的介质基板共同构成微带差分电路；微带差分电路包括依次的第四电容、第一差分变压器、第五电容、第二差分变压器和第六电容；第一差分变压器和第二差分变压器由多个交替位于PCB板顶层和PCB板底层的微带线通过贯穿介质基板的金属化过孔依次串联而成。本发明利用差分变压器，将电感耦合差分带通滤波器转换为结构更加简单、对称的差分带通滤波器，适合在PCB板上通过微带线设计实现，具有便于调试，滤波器频带可调范围大的优势。

Description

一种微带差分带通滤波器

技术领域

本发明属于射频微波滤波器技术领域，具体涉及一种微带差分带通滤波器。

背景技术

滤波器是电子学中的基本器件，也是无线通信收发机中的关键部件之一，滤波器性能的好坏直接影响所处系统的性能优劣。滤波器的主要功能是使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。当提到通信系统时，比起单端电路，差分电路总是能提供更加优良的性能。例如利用差分电路可以达到比利用单端电路更高的信号幅度。在相同电源电压下，差分信号可提供两倍于单端信号的幅度，以及更好的线性度和SNR(信噪比)性能。近年来，随着差分电路的研究，实现了对系统中有害信号的有效抑制。与单端电路相比，差分电路对系统中的环境噪声和电磁干扰具有本征的抑制作用。越来越多的微波器件都采用差分结构的方式来设计，如功率放大器、混频器和低噪声放大器等。其中差分滤波器扮演着举足轻重的角色，它不仅需要在所需的频段具有良好的差模响应和共模抑制，还应具有良好的频率选择性，尽可能在差模通带的两侧都出现传输零点，另外较宽和较好的带外抑制也是必须具备的特性。因此，差分滤波器受到了广泛的重视和研究。

电感耦合差分带通滤波器作为一种常见的差分滤波器，其电路结构如图1所示，包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅、第六电感L₆、第七电感L₇、第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃；其中，第一电感L₁和第二电感L₂串联连接于差分正线路上；第三电感L₃和第四电感L₄串联连接于差分负线路上；第五电感L₅和第一电容C₁构成并联于差分输入端的第一谐振电路；第六电感L₆和第二电容C₂构成第二谐振电路，两端分别连接于第一电感L₁、第二电感L₂之间和第三电感L₃、第四电感L₄之间；第七电感L₇和第三电容C₃构成并联于差分输出端的第三谐振电路。理想状态下上述参数应满足：L₁＝L₂＝L₃＝L₄，L₅＝L₆＝L₇，C₁＝C₃。

近些年来，微带差分滤波器的发展极为迅速。国内外学者研究并提出了多种基于微带的差分滤波器设计方法，有力推动了微波差分滤波器的发展。目前，微带差分滤波器结构主要有基于双面平行带线结构、基于耦合的微带阶梯阻抗线结构、基于十字型谐振器和基于微带-槽线结构。

对于由多个电感和电容构成的电感耦合差分带通滤波器，在PCB(印制电路板)板上采用微带线将其设计成微带差分带通滤波器，具有结构复杂，带宽较窄，以及不易调试等缺点，应用有限。

发明内容

本发明针对上述背景技术中电感耦合差分带通滤波器存在的问题，提出了一种微带差分带通滤波器，相比于基于电感耦合差分带通滤波器的微带电路，具有结构简单、对称，易于实现的优势。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微带差分带通滤波器，其特征在于，包括依次设置的PCB板顶层、介质基板和PCB板底层，PCB板顶层和PCB板底层包括对应设置的两块地板和位于两块地板中间的微带结构，PCB板顶层和PCB板底层的微带结构以及位于之间的介质基板共同构成微带差分电路；

所述微带差分电路为对称结构，包括依次设置的第四电容C₄、第一差分变压器、第五电容C₅、第二差分变压器和第六电容C₆；所述第一差分变压器和第二差分变压器由多个交替位于PCB板顶层和PCB板底层的微带线通过贯穿介质基板的金属化过孔依次串联而成；所述第四电容C₄与差分输入端连接，第六电容C₆与差分输出端连接。

进一步地，所述第四电容C₄和第六电容C₆的电容值相等，等于对应电感耦合差分带通滤波器在理想状态下的第一电容C₁和第三电容C₃的电容值。

进一步地，所述第一差分变压器和第二差分变压器的参数相同，自感L_a、L_b和互感M满足：

其中，Z₁、Z₅和Z₆分别为对应电感耦合差分带通滤波器在理想状态下的第一电感L₁、第五电感L₅和第六电感L₆的阻抗；

由于电感耦合差分带通滤波器在理想状态下满足：Z₅＝Z₆，故

其中，ω为传输信号的角频率，j为虚数单位。

进一步地，在第一差分变压器和第二差分变压器的自感L_a、L_b和互感M，以及第四电容C₄和第六电容C₆的电容值已经确定的情况下，通过仿真优化获得第五电容C₅的电容值。

进一步地，所述第四电容C₄、第一差分变压器与第二差分变压器、第六电容C₆，关于第五电容C₅对称。

进一步地，所述第四电容C₄、第五电容C₅和第六电容C₆均为平板电容，由位于PCB板顶层的微带线、介质基板和位于PCB板底层的微带线构成。

进一步地，PCB板顶层的两块地板均通过贯穿介质基板的金属化过孔，与PCB板底层的对应地板连接。

进一步地，通过控制微带线的线宽、微带线几何形状、金属化过孔的位置和尺寸，调节第一差分变压器和第二差分变压器的自感和互感。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种新型的微带差分带通滤波器，利用差分变压器，将电感耦合差分带通滤波器转换为结构更加简单、对称的差分带通滤波器。该结构适合在PCB板上通过微带线设计实现，具有结构简单对称，便于调试，滤波器频带可调范围大的优势。

附图说明

图1为电感耦合差分带通滤波器的电路结构示意图；

图2为对比例中电感耦合差分带通滤波器的仿真图；

图3为本发明实施例提出的微带差分带通滤波器的电路结构示意图；

图4为本发明实施例提出的微带差分带通滤波器的仿真图；

图5为本发明实施例中第四电容C₄、第五电容C₅和第六电容C₆采用的平板电容示意图；

图6为本发明实施例中第一差分变压器和第二差分变压器的结构示意图；

图7为本发明实施例提出的微带差分带通滤波器的俯视透视结构图；

图8为本发明实施例提出的微带差分带通滤波器的仰视透视结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

对比例

本对比例提出了一种电感耦合差分带通滤波器，结构如图1所示，包括第一电感LL₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅、第六电感L₆、第七电感L₇、第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃；其中，第一电感L₁和第二电感L₂串联连接于差分正线路上；第三电感L₃和第四电感L₄串联连接于差分负线路上；第五电感L₅和第一电容C₁构成并联于差分输入端的第一谐振电路；第六电感L₆和第二电容C₂构成第二谐振电路，两端分别连接于第一电感L₁、第二电感L₂之间和第三电感L₃、第四电感L₄之间；第七电感L₇和第三电容C₃构成并联于差分输出端的第三谐振电路。

所述电感耦合差分带通滤波器在理想状态下各参数取值为：L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝4.034nH，L₅＝L₆＝L₇＝4.216nH，C₁＝C₃＝1.525pF，C₂＝2.048pF。

将本对比例提出的电感耦合差分带通滤波器带入ADS(先进设计系统)软件进行仿真，仿真结果如图2所示，可知其通带范围约为1.8GHz～2.9GHz，带宽约为1.1GHz。

实施例

针对对比例提出的电感耦合差分带通滤波器，本实施例利用差分变压器改进的提出了一种微带差分带通滤波器，结构如图3所示，包括依次设置的PCB板顶层、介质基板和PCB板底层，PCB板顶层和PCB板底层包括对应设置的两块地板和位于两块地板中间的微带结构，两个微带结构和位于之间的介质基板共同构成微带差分电路。

所述PCB板顶层和PCB板底层的地板为大块铜皮制成，PCB板顶层的两块地板均通过贯穿介质基板的金属化过孔，与PCB板底层的对应地板连接。

所述微带差分电路包括依次设置的第四电容C₄、第一差分变压器、第五电容C₅、第二差分变压器和第六电容C₆，第四电容C₄、第一差分变压器与第二差分变压器、第六电容C₆，关于第五电容C₅对称。差分信号从差分输入端输入，依次经第四电容C₄、第一差分变压器、第五电容C₅、第二差分变压器和第六电容C₆后，从差分输出端输出。

所述第四电容C₄、第五电容C₅和第六电容C₆均为平板电容，结构如图5所示，由位于PCB板顶层的微带线、介质基板和位于PCB板底层的微带线构成。其中，介质基板采用FR4材料，介电常数为9.6，介质厚度为0.508mm；本实施例中第四电容C₄和第六电容C₆的电容值相等，等于对比例中电感耦合差分带通滤波器的第一电容C₁和第三电容C₃的电容值1.525pF；平板电容的大小C由微带线的面积和形状决定，计算公式为：

其中，d为平板间距，此处即为介质基板的厚度；ε₀为真空介电常数，其值为8.85×10¹²(F/m)；ε_r为相对介电常数，此处其值为9.6；当电容值为1.525pF时，微带线面积S为：

即边长约为3mm的正方形微带线可以等效为所需平板电容。以上的计算只针对理想电容的情况，实际中需对微带线的形状和尺寸进行调试。

如图6所示，所述第一差分变压器和第二差分变压器由多个交替位于PCB板顶层和PCB板底层的微带线通过贯穿介质基板的金属化过孔依次串联而成。图7为微带差分带通滤波器的俯视透视结构图，即从PCB板顶层看向PCB板底层的结构图；图8为微带差分带通滤波器的仰视透视结构图，即从PCB板底层看向PCB板顶层的结构图。

由于采用金属化过孔，使得可以在PCB板顶层和PCB板底层之间来回走线，从而在PCB板顶层和PCB板底层的微带线之间完成第一差分变压器和第二差分变压器的设计，并通过控制PCB板顶层和PCB板底层的微带线的线宽、走线的几何形状和金属化过孔的位置和尺寸，调节第一差分变压器和第二差分变压器的自感L_a、L_b和互感M。

本实施例中所述第一差分变压器和第二差分变压器的参数相同，自感L_a、L_b和互感M满足：

其中，Z₁、Z₅和Z₆分别为对应电感耦合差分带通滤波器在理想状态下的第一电感L₁、第五电感L₅和第六电感L₆的阻抗；

由于对比例中电感耦合差分带通滤波器在理想状态下满足：L₅＝L₆＝4.216nH，故本实施例中所述第一差分变压器和第二差分变压器的在理想状态下满足：

其中，ω为传输信号的角频率，j为虚数单位。

在第一差分变压器和第二差分变压器的自感L_a、L_b和互感M，以及第四电容C₄和第六电容C₆的电容值已经确定的情况下，将第五电容C₅作为可调变量，通过仿真优化进行微带差分带通滤波器的调试。当第五电容C₅的电容值为2.7902pF时，仿真结果如图4所示，可知其通带范围约为1.875GHz～3.575GHz，带宽约为1.7GHz，与对比例中电感耦合差分带通滤波器的仿真结构相比，带宽有一定增加，同时结构简单对称，便于调试。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种微带差分带通滤波器，其特征在于，包括依次设置的PCB板顶层、介质基板和PCB板底层，PCB板顶层和PCB板底层分别包括对应设置的两块地板和位于两块地板中间的微带结构，两个微带结构和位于之间的介质基板共同构成微带差分电路；

所述微带差分电路为对称结构，包括依次设置的第四电容C₄、第一差分变压器、第五电容C₅、第二差分变压器和第六电容C₆；所述第一差分变压器和第二差分变压器由多个交替位于PCB板顶层和PCB板底层的微带线通过贯穿介质基板的金属化过孔依次串联而成；所述第四电容C₄与差分输入端连接，第六电容C₆与差分输出端连接。

2.根据权利要求1所述微带差分带通滤波器，其特征在于，所述第四电容C₄、第五电容C₅和第六电容C₆均为平板电容，由位于PCB板顶层的微带线、介质基板和位于PCB板底层的微带线构成。

3.根据权利要求1所述微带差分带通滤波器，其特征在于，PCB板顶层的两块地板均通过贯穿介质基板的金属化过孔，与PCB板底层的对应地板连接。

4.根据权利要求1所述微带差分带通滤波器，其特征在于，通过控制微带线的线宽、微带线几何形状、金属化过孔的位置和尺寸，调节第一差分变压器和第二差分变压器的自感和互感。

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