CN100492755C

CN100492755C - 利用左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器

Info

Publication number: CN100492755C
Application number: CNB200710022597XA
Authority: CN
Inventors: 朱旗; 佘元峰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2007-05-19
Filing date: 2007-05-19
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-05-19
Also published as: CN101102002A

Abstract

本发明属于微波技术领域，具体涉及到左右手混合传输线结构以及利用该左右手混合传输线设计的宽带/超宽带微带滤波器。它至少包括一个在PCB板上的混合左右手微带传输线结构单元，每个微带传输线结构单元是由输入端、输出端，耦合电容及两个接地电感构成；其中两个接地电感和传输线的对地电容构成并联的电感和电容，耦合电容和传输线由于电流通过而产生的电感效应构成串联的电感和电容，两组电感和电容组成一个π型三阶谐振电路。本发明结构紧凑，整体尺寸比较小，能满足小型化的需要；同时可根据不同的使用要求，选择不同结构的耦合电容的传输线结构单元组合成整体，实现不同的滤波器带宽和频带范围要求，并且多个单元级联后不会造成能量损耗，级联后滤波性能将更好。

Description

利用左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器

技术领域：

本发明属于微波技术领域，具体涉及到左右手混合传输线结构以及利用该左右手混合传输线设计的宽带/超宽带微带滤波器。

背景技术：

超宽带技术(UWB：Ultra-Wideband)作为一种新型无线传输技术，以其高速率、低功耗、低复杂度和低功率谱密度等独特优点，是未来无线通信发展的重要方向之一。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1GHz～10.6GHz的频段开放为自由室内无线短距离通信频段。超宽带滤波器是超宽带通信应用平台的主要组件。

微波滤波器是通信系统中必不可缺的器件，它在蜂窝电话、卫星通信以及雷达中得到了广泛的应用。有关微波滤波器的设计理论，很多出版物中有详细介绍。例如，阿泰克□豪斯(Artech House)1980年出版的《微波滤波器，阻抗匹配网络和耦合结构》(Microwave Filters，Impedance-Matching Network，and Coupling Structures)。2006年7月，麦格罗□希尔国际出版公司(McGraw-Hill Press)出版了由亚瑟威廉姆斯(Arthur Williams)和泰勒(Fred J.Taylor)合著的第四版《电子滤波器设计手册》(Electronic Filter Design Handbook，Fourth Edition)。书中给出了基于传统理论，相关各种电子滤波器的电路设计方法，其实现方法如：分布式元件，微带线，波导，带状线等，其中涉及微带线结构的常见结构如下：耦合线微带滤波器，梳状线微带滤波器，发卡型滤波器等。

2006年亚太微波会议(2006 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings)上发表了上海大学Wei Liu等人的“一种使用双环谐振新型微带UWB滤波器”(A Novel UWBFilter Using A New Type of Microstrip Double-Ring Resonators)论文，该文中通过奇偶模技术和信号传输线理论设计了相对带宽80％的超宽带滤波器，不过这个带宽仍然没有完全覆盖FCC(Federal Communications Commission)的开放频段，该滤波器其由两个约2厘米×4厘米的单元级联而成，整体主体尺寸(不计馈线长度)大于4厘米×4厘米，不能满足小型化的需要。

2006年，约翰.威利父子出版社(John Wiley & Sons Press)出版了由美国加州大学洛杉机分校(University of California at Los Angeles)的大竹伊藤(Tatsuo Itoh)和加拿大蒙特利尔工学院(Ecole Polytechnique de Montreal)的克里斯多夫.卡罗兹(Christophe Caloz)合作撰写的关于《电磁超材料异向介质》(ElectromagneticMetamaterials)的书。作为右手传输线的对偶，该书第三章对左手传输线理论及应用作了系统的理论介绍，给出了理想左右手混合传输线的等效电路和传输线方程和传输矩阵。此书从理论上证明了左手传输线因为较传统右手传输线具有更短的物理长度，使得它在减小元件尺寸和降低传输损耗上有其优越性。目前已有利用左手或混合左右手传输线研制天线、窄带滤波器、延时线以及功分器的报道。

2007年，中国科学院电子学研究所C.Li等人在《应用物理学报》(第87卷)(ApplyPhysic A：Materials Science & Processing，Volume 87，Number 2/May，2007)上发表了“混合左右手共面波导电容耦合零阶谐振带通滤波器”(Compositeright/left-handed coplanar waveguide band-pass filter using capacitively-coupled zeroth-order resonators)。该滤波器采用简单的CPW结构，该结构的缺点在于并联的传输线的电容效应很小，这就造成整个电路很难满足谐振条件，并且耦合度不够高，因此只能应用于窄带范围内(相对带宽为11％)。2006年浙江大学J.Li在《微波与光波技术快报》(第48卷)(Microwave and Optical Technology Letters vol.48/No.10 2006)上报道了一种“基于左右手混合传输线的新型滤波器”(Novel Filter UsingComposite Right/Left-Handed Transition Line)。这种滤波器没有用微带线实现，而且传输线结构单元仅是一个二阶谐振电路，使得其结构不紧凑，难以实现强耦合，所以也只能应用于窄带范围内。如果需实现一个三阶电路时，则需要两个单元级联，这必然就增大了器件的尺寸和损耗(相对带宽小于2％)。

至今未见有左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器的设计方法的报道。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种利用左右手混合传输线结构设计的的宽带/超宽带微带滤波器，其结构紧凑，能够克服现有微波宽带带通滤波器普遍存在的体积大、损耗大等缺点。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的利用左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，至少包括一个在PCB板上的混合左右手微带传输线结构单元，其特征在于，所述每个微带传输线结构单元是由输入端、输出端，耦合电容及两个接地电感构成，其中两个接地电感分别由位于左右手微带传输线单元的耦合电容两边的金属微带线接地实现；所述两个接地电感与传输线的对地电容构成并联的电感和电容，耦合电容与传输线由于电流通过而产生的电感效应构成串联的电感和电容，整个结构单元组成一个π型三阶谐振电路；其中的耦合电容是交指耦合电容，或者是双螺旋耦合电容，或者是交指耦合电容与共面波导(CPW)结合的混合电容，或者是双层金属板电容。

通常情况下，每个传输线单元在耦合电容两边通过过孔技术(打孔后灌填金属)形成接地电感，接地位置在两条微带的末端。

在实际使用中，确定了通带和中心频率等技术指标后，根据输入阻抗(通常为50或75欧姆)计算馈线宽度，相应的特定阻抗微带线宽度计算公式可见美国约翰.威利父子公司出版的《微波工程》。选择合适的PCB(Printed Circuit Board)板。单元主体长度小于1/4波长，介质板的介电常数可在1.07～13.6范围内选择。

根据经验，30％～50％带宽选用交指耦合电容接地结构的混合左右手滤波单元，其具体带宽与接地微带线和交指微带线的长宽度有关，接地微带线越长，带宽越宽，指宽越宽带宽越窄；50％～80％带宽选用双螺旋耦合电容接地结构的混合左右手滤波单元，其具体带宽与螺旋数和双螺旋间距有关，螺旋数越多，带宽越窄，间距越小，带宽越宽；80％～110％带宽选用交指耦合电容与共面波导混合接地结构的混合左右手滤波单元，其具体带宽也与接地微带线和交指微带线的长宽度有关，接地微带线越长，带宽越宽，指宽越宽带宽越窄；110％以上带宽选用金属板耦合电容接地结构的混合左右手滤波单元，其具体带宽与接地微带线和两块金属板间距、面积有关，接地微带线越长，带宽越宽，金属板面积越大、间距越窄，带宽越宽。

本发明的利用左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，可根据不同的使用要求，在所述的四种不同的高耦合π型结构单元中，选择不同结构的耦合电容的传输线结构单元组合成整体，实现不同的滤波器带宽和频带范围要求。由于每个左右手混合传输线滤波单元是一个对称结构，两端输入阻抗相同，因此，直接多个单元级联后不会出现阻抗不匹配而造成的能量损耗，级联后滤波性能将更好。同时，由于上述每个微带传输线结构单元是π型三阶电路，结构紧凑，使整体尺寸比较小，能够满足小型化的需要。

下面通过实施例和附图做进一步描述。

附图说明

图1是本发明所述的具有交指耦合电容的左右手混合传输线结构单元的一种实施例示意图。

图2为图1侧视图。

图3是图1所述实施例对应的等效电路图。

图4是对图1所述实施例的ku波段滤波器单元进行ie3d散射参数模拟测试结果图。

图5是本发明所述的具有双螺旋耦合电容左右手混合传输线结构单元的一种实施例示意图。

图6是图5所述实施例的C波段滤波器单元的ie3d散射参数模拟结果图。

图7是本发明所述的具有交指耦合电容接地与共面波导(CPW)结合的混合电容左右手混合传输线结构单元的一种实施例示意图。

图8是图7所述实施例的UWB滤波器单元的ie3d散射参数模拟结果。

图9是本发明所述的具有双层金属板电容的左右手混合传输线结构单元的一种实施例示意图。

图10是图9所述实施例的超宽带带宽滤波器单元的ie3d散射参数模拟结果。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，1为方形单层PCB板，单层PCB板由上下两层金属与中间层的介质板组成。第一、三层为导体铜，由第三层的金属构成传输线的地，中间层为介质板；2为设在第一层上的金属交指结构，形成金属微带串联电感和串联电容；该金属微带交指结构还和第三层金属地之间形成并联电容。3为两个接地电感，即采用过孔技术，在PCB板上加工直径为0.1～0.8mm的通孔，将该金属交趾结构和PCB板第三层金属地相联构成并联接地电感；4、5分别为电路的输入、输出端点，用于与其它传输线结构单元或外部电路的连接。这样，串联电感、电容以及并联电感、电容构成了一个混合左右手传输线单元结构，其对应的等效电路见图3。

在图3中，等效电路由6个分布电元件组成；两个L₁、C₁分别对应于两个接地电感和传输线的对地电容构成的并联电感和电容，C₂、L₂分别对应于耦合电容和传输线由于电流通过而产生的电感效应构成的串联电容和电感，图中的Z₀为输入阻抗，可以由馈线宽度决定(50欧姆或者75欧姆)，整个单元构成了一个π型三阶谐振电路。

本实例要实现的是一个可以覆盖整个ku波段的带通滤波器，通过估算波长

λ = \frac{c}{f},

其中c为真空光速，f为中心频率，整个单元长度在5mm左右(约为15GHz电磁波波长的四分之一)，以保证中心频率为15GHz左右。输入阻抗为50欧姆，选取中间层介电常数为2.2的Rogers公司生产的Rogers RT/duroid 5880介质基板，中间层介质板厚度为0.254mm。通过特性阻抗50欧姆的微带传输线的宽度计算公式，计算得馈线宽度为0.77mm。PCB板的第一、三层导体铜的厚度为0.004mm；面积为8mm×6mm的。在介质基板正中央制作交指电容，取交指对数4对，指宽宽度0.1mm，交指间距0.1mm，最外边指接地，为满足工程可行接地外边指为0.3mm。通过软件模拟对其它边指与接地微带进行微调得其具体参数如下：交指长度4.1mm，第二边指宽度0.6mm，用宽0.3mm长4.6mm的交指微带最外边指通过过孔技术垂直穿过于介质层与最下层底板相连，过孔直径0.3mm，高度0.254mm，过孔短路钉的位置在外边带末端，短路钉在上层金属面投影为圆形。输入、输出端口馈线分别位于交指单元两端的馈线上。

对本实施例的具有交指耦合电容的混合左右手传输线结构滤波单元进行ie3d软件模拟测试，其结果见图4。图中，横坐标代表频率(单位：GHz)，纵坐标代表散射参数(单位：dB)。图中空心圆线所表示的S₁₁是网络的回波损耗，表示输入端口接收到的反射能量与输入总能量的比；实心圆线所表示的S₂₁是网络的插入损耗，表示接收端口收到的能量与输入总能量的比，由图可看出，通带(S₂₁>-3dB)覆盖了几乎整个ku波段。该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率15GHz，相对带宽大于40％(12～18GH)。单元主体尺寸：4.8mm×2.5mm。

实施例2

所用PCB板同实施例1，参见图5，1为方形PCB板，6为设在在第一层上的双螺旋结构，形成金属微带串联电感和串联电容；在金属微带和第三层金属地之间形成并联电容。3为两个接地电感，即采用过孔技术，用导体金属丝将该金属交趾结构和PCB板的第三层金属地相联构成并联接地电感，过孔的直径为0.1～0.8mm；4、5分别为电路的输入、输出端点，用于与其它单元或外部电路的连接。这样，串联电感、电容以及并联电感、电容构成了一个混合左右手传输线单元结构，整个单元构成一个π型三阶谐振电路。

本实例要实现的是一个可以覆盖整个C波段的带通滤波器，通过估算整个单元尺寸在3毫米×3毫米左右(约为6GHz电磁波四分之一波长的1/4)。通过计算与微调得具体尺寸为：PCB板的第一、三层为导体铜，厚度为0.004mm，中间层介电常数10.2，厚度为0.635mm；面积为8mm×6mm(Rogers RT/duroid 5880介质基板)。在介质基板正中央制作双螺旋电容，螺旋电感宽度0.1mm，螺旋数1，间距0.1mm。每个螺旋电感端接地，接地端宽0.3mm，输入、输出端口馈线分别位于双螺旋单元两端，馈线宽度0.23mm(输入阻抗50欧姆)。接地端通过过孔技术与最下层底板相连，2个过孔接地短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形，过孔直径0.3mm，高度0.635mm，过孔位置分别在单元中部的两条螺旋微带末端。

对本实施例的具有双螺旋耦合电容的混合左右手传输线结构滤波单元进行ie3d软件模拟测试，其结果见图6。图中，横纵坐标代表如例1，由图可看出，通带(S₂₁>-3dB)覆盖了几乎整个C波段。该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率6GHz，相对带宽大于50％(4～8GHz)。单元主体尺寸：2.5mm×2.5mm。

实施例3

所用PCB板同实施例1，参见图7，1为方形的PCB板，2为设在在第一层上的交指电容结构，形成金属微带串联电感和串联电容；在金属微带和第三层地之间形成并联电容。3为两个接地电感，即采用过孔技术，用导体金属丝将该金属交趾结构和PCB板第三层金属地相联构成并联接地电感，过孔的直径为0.1～0.8mm；4、5分别为电路的输入、输出端点，用于与其它单元或外部电路的连接。7为在第三层的地上开的矩形环槽(宽0.1～0.8mm)用来增强串联的电容效应，这样，串联电感、电容以及并联电感、电容构成了一个混合左右手传输线单元结构，整个单元构成一个π型三阶谐振电路。

本实例要实现的是一个可以覆盖整个UWB(3.1GHz～10.6GHz)波段的带通滤波器，通过估算整个单元长度在4mm左右(约为6.3GHz电磁波波长的1/12)。本实施例的具体尺寸为：PCB板的第一、三层导体铜的厚度为0.004mm，中间层为介电常数2.17的介质板，厚度为0.508mm；面积为8mm×6mm的Rogers RT/duroid 5880介质基板。在介质基板正中央制作交指电容，交指对数4对，指宽度0.3mm，交指长度2.8mm，交指间距0.1mm。每副交指一端连有边带，边带宽0.3mm，边带长3.9mm后直角拐弯延长0.2mm后直角拐弯又延长2.2mm(总长度约为约为6.3GHz电磁波的1/4波长)后，通过过孔短路钉(过孔直径0.3mm，高度0.508mm)与最下层底板相连。2个过孔短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形，圆心位置在边带端。输入、输出端口馈线分别位于交指单元两端，馈线宽度1.7mm。2个过孔接地短路钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形。底板沿着上层金属投影，开长方形槽，槽宽0.2mm。

对本实施例的具有交指耦合电容与共面波导结合的混合左右手传输线结构滤波单元进行ie3d软件模拟测试，其结果见图8。图中，横纵坐标代表如例1，由图可看出，通带(S₂₁>-3dB)覆盖了几乎整个UWB波段。该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率6.3GHz，相对带宽约100％(3.1～10.6GHz)。单元主体尺寸：4.2毫米×6毫米。

实施例4

参见图9，8为方形的多层PCB板，多层PCB板由多层金属与多层介质板相间组成。本实例采用双层PCB板即三层金属夹两层介质板。该PCB板的第一、三、五层为导体铜，由第五层的金属构成传输线的地，中间层为介电常数(1.07～13.6)的介质板；9、10分别为设在在第一层和第三层的上的金属板，构成双层金属板电容，形成金属微带串联电感和串联电容；在金属微带和第五层地之间形成并联电容。3为两个接地电感，即采用过孔技术，用导体金属丝将该金属板层的一端和PCB板第五层金属地相联构成并联接地电感，过孔的直径为0.1～0.8mm；4、5分别为电路的输入、输出端点，用于与其它单元或外部电路的连接。这样，串联电感、电容以及并联电感、电容构成了一个混合左右手传输线单元结构，整个单元构成一个π型三阶谐振电路。

本实例要实现的是一个可以中心频率为8GHz的超带通滤波器，通过估算整个单元长度在5mm左右(约为7.5GHz电磁波波长的1/8)。本实施例的具体尺寸为：PCB板的第一、三、五层导体铜厚度为0.004mm，第二层与第四为介电常数2.2的介质板，第二层厚度0.127mm，第四层厚度为0.635mm；面积为8mm×6mm的Rogers RT/duroid 5880介质基板。在介质基板正中央制作金属板，形成电容，平面金属板尺寸4.7mm×2.4mm。每块金属板旁有金属微带指端接地，接地端宽0.3mm，接地微带与金属板距离任意，一般在1mm以内。输入、输出端口馈线分别位于单元两端，第一层馈线宽度1.2mm，第三层馈线宽度1mm。接地端通过孔技术(实心圆柱形金属铜，直径0.3mm，高度分别为0.635mm和0.762mm)与最下层底板相连。2个过孔短路接地钉均垂直穿过于介质层，短路钉在上层金属面投影为圆形。

对本实施例的具有双层金属板电容的混合左右手传输线结构滤波单元进行ie3d软件模拟测试，其结果见图10。图中，横纵坐标代表如例1，由图可看出，通带(S₂₁>-3dB)涵盖了L，S，C，X，Ku五个波段。该具体实施所能实现的电气性能为：中心频率7.5GHz，相对带宽大约180％(1.1～15.7GHz)。单元主体尺寸：5.1mm×4.8mm。

Claims

1.一种利用左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，至少包括一个在PCB板上的混合左右手微带传输线结构单元，其特征在于，所述每个微带传输线结构单元是由输入端、输出端，耦合电容及两个接地电感构成，其中两个接地电感分别由位于左右手微带传输线结构单元的耦合电容两边的金属微带线接地实现；所述两个接地电感与微带传输线结构单元的对地电容构成并联的电感和电容，耦合电容与传输线由于电流通过而产生的电感效应构成串联的电感和电容，整个结构单元组成一个π型三阶谐振电路。

2.如权利要求1所述的左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，其特征在于，所述耦合电容是交指耦合电容。

3.如权利要求1所述的左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，其特征在于，所述耦合电容是双螺旋耦合电容。

4.如权利要求1所述的左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，其特征在于，所述耦合电容是交指耦合电容接地与共面波导结合的混合电容。

5.如权利要求1所述的左右手混合传输线结构的宽带/超宽带微带滤波器，其特征在于，所述耦合电容是双层金属板电容。