CN101740842A - 采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器，具有抑制WLAN干扰信号功能。该超宽带滤波器的第一馈电网络和第二馈电网络结构相同，关于它们之间的缝隙对称布置，该缝隙两端分别插入第一传输线和第四传输线；金属化过孔单元、第一传输线和第二传输线组成短路T型谐振器；第三传输线和第四传输线组成开路T型谐振器；短路T型谐振器的谐振频率在3.1GHz～10.6GHz频率范围的低端，开路T型谐振器谐振在3.1GHz～10.6GHz频率范围的高端。该超宽带滤波器不仅能把通带频率范围内的信号耦合到谐振器，还可用于在指定的频率点处产生阻带。该滤波器具有尺寸小，频率选择性好，加工容易，成本低的特点。

Description

采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器

技术领域

本发明涉及到一种通信技术领域的滤波器，具体是一种具有无线局域网(WLAN)干扰信号抑制功能的紧凑型平面超宽带滤波器。

背景技术

随着高速无线数据接入技术的发展，要求未来的无线通信系统比现有系统具有更大的数据吞吐量。目前主要使用的无线接入技术有蓝牙，红外和超宽带等。蓝牙和红外技术由于受到传输速率低，带宽小等缺点的约束，其应用受到限制。超宽带(UWB)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术，同时能够穿透墙壁等障碍物。因此，作为一种有效的短距离无线接入技术，超宽带技术日益得到重视。针对IEEE 802.15.3a标准提出分配3.1～10.6GHz频段给超宽带通信使用的需要，超宽带滤波器作为无线通信系统中的关键无源器件之一，成为研究热点。对于UWB滤波器要求工作在3.1～10.6GHz这样一个非常宽的频带内，同时要求该滤波器必须具有比较小尺寸，以便能和其他电路集成，而传统的均匀传输线平行耦合微带线的设计方法无法设计出这么宽频带的滤波器。另一方面，无线局域网(WLAN)的标准IEEE 802.11a将5.725～5.825GHz这个频段都作为其工作频段之一，在两种系统都存在的情况下，可能会对超宽带系统形成干扰，因此有必要设计一种能够抑制WLAN信号干扰的超宽带滤波器。

但是，目前设计这种滤波器主要遇到三方面的问题：

1)带宽的控制

比较普遍的方法是使用多模谐振器设计这样的滤波器。如用一个谐振器，通过调整谐振频率来定位通带的带宽。由于只使用了一个谐振器，在各个不同的工作频率上都需要紧耦合。对于平面配置，需要有很窄的间距，加工精度要求严格，难以实现。

2)通带的滚降特性

另一种方法是Z.Ma等人在2008年的IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.(微波理论与技术会议文摘)发表的“A novel compact ultra-wideband bandpass filter using microstripstub-loaded dual-mode resonator doublets，”(一种新型的使用端加载的微带双模谐振器对组成的紧凑型的超宽带带通滤波器)中提到的使用在配置上并行的两个谐振器来实现，但是该滤波器的两个谐振器的谐振频率是一样的，在3.1-10.6频率范围内的信号全都通过这两个谐振器传输。由于缺少传输零点，该滤波器的通带低端的滚降不够快。

3)带阻特性

带阻特性的设置能避免来自其他系统的干扰。很多技术都用于引入阻带。H.Shaman等人于2007年3月在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.(微波和无线器件快报)，17卷第三期发表的“Ultra-wideband(UWB)bandpas filter with embedded band notch structures，”(内置阻带的超宽带带通滤波器)和G.-M.Yang等人于2008年3月在IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.(微波和无线器件快报)，18卷第三期发表的“Small ultra-wideband(UWB)bandpass filter with notched band，”(带有阻带的小型超宽带带通滤波器)文中都提到用内嵌的四分之一开路线来产生阻带，在S.W.Wong等人于2008年1月在IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.(微波和无线器件快报)，18卷第一期发表的的“Implementation of compactUWB bandpass filter with a notch-band，”(一种带有阻带的紧凑型超宽带滤波器的实现)文中提到也提到用信号抵消的方法来产生阻带。这些设计通过引入额外的电路来实现阻带，而这些额外的电路将会增大电路设计的面积并产生额外的插入损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面紧凑型的具有抑制WLAN信号功能的超宽带滤波器，以解决现有微带滤波器频带窄、尺寸较大、通带边缘的滚降不够快。本发明的滤波器能工作在3.1～10.6GHz这样一个比较宽的频带范围，并能在5.8GHz处产生一阻带，抑制WLAN的IEEE802.11a标准频段的信号对IEEE 802.15.3a标准的频段干扰。

实现本发明的具体技术方案是：

一种采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器，包括上层微带结构、中层介质基板和底层金属地板，上层微带结构和底层金属地板附着在介质基板上，所述上层微带结构包括第一输入\输出端口、第二输入\输出端口、第一馈电网络、第二馈电网络、开路T型谐振器和短路T型谐振器；第一馈电线、第二馈电线和第三馈电线组成第一馈电网络；第一馈电线、第二馈电线和第三馈电线等长，等间隔平行设置，一端分别与第一输入\输出端口相连；第四馈电线、第五馈电线和第六馈电线组成第二馈电网络，第四馈电线、第五馈电线和第六馈电线等长，等间隔平行设置，一端分别与第二输入\输出端口相连；第一馈电网络和第二馈电网络结构相同，关于它们之间的缝隙对称布置，该缝隙两端分别插入第一传输线和第四传输线；在第一馈电线与第二馈电线以及第四馈电线与第五馈电线的间隔中设有第二传输线，第一传输线一端与金属化过孔单元连接，另一端与第二传输线连接；金属化过孔单元是上层微带结构和底层金属地板上之间的通孔；金属化过孔单元、第一传输线和第二传输线组成短路T型谐振器；在第二馈电线与第三馈电线以及第五馈电线与第六馈电线的间隔中设有第三传输线，第三传输线与第四传输线连接；第三传输线和第四传输线组成开路T型谐振器；短路T型谐振器的谐振频率在3.1GHz～10.6GHz频率范围的低端，开路T型谐振器谐振在3.1GHz～10.6GHz频率范围的高端；第一、二馈电网络分别通带频率范围内的信号耦合到短路和开路T谐振器，并用于在5.8GHz处产生阻带，以抑制WLAN的干扰信号。

短路T型谐振器的奇偶模谐振频率通过调整第一传输线和第二传输线的长度控制；开路T型谐振器的奇偶模谐振频率通过调整第三传输线和第四传输线的长度控制。

第一馈电网络的耦合线的长度在5.8GHz上为四分之一波长，产生抑制5.8GHz干扰信号的阻带。

本发明相对现有技术具有如下特点：

(1)使用一对并联的谐振器，其中一个谐振器谐振在3.1～10.6GHz频率范围的低端，另外一个谐振器谐振在3.1～10.6GHz频率范围的高端，从而简化了谐振器的设计和分析，同时也使谐振器和馈电网络之间的耦合结构的设计变得简单。

(2)输入输出耦合网络具有双重功能，一是在端口和谐振器之间进行信号传输，二是耦合线的长度L5在5.8GHz上为四分之一波长，从而产生抑制5.8GHz的干扰信号。该电路不需要单独的结构来产生阻带以抑制WLAN的干扰信号，具有尺寸小的特点。

(3)在通带的上下两侧各产生两个传输零点，并且可以单独控制，简化了设计步骤。

(4)该电路为平面结构，容易加工。接地结构是完整的，可以有效的防止信号泄露，易于和其他电路集成。

(5)通过使用两个并联的中央加载的谐振器来方便地控制谐振频率，阻带通过耦合结构实现，无需增加额外电路。两个可控制的在通带附近的传输零点，可以产生很高的边缘选择性。由于有高选择性和紧凑型的结构，该滤波器在超宽带系统中有很高的实用性。

附图说明

图1为本发明的超宽带滤波器的结构示意图；

图2a为短路T型谐振器的示意图；

图2b为开路T型谐振器的示意图；

图3a为本发明的超宽带滤波器的频率特性示意图；

图3b为本发明的超宽带滤波器的频率与延时性特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做详细说明，但本发明要求的保护范围不限于下述的实施方式。

如图1所示，采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器采用微带电路的形式来实现，整个电路结构分为三层：上层微带结构、中层介质基板和底层金属地板，上层微带结构和底层金属地板附着在介质基板上，微带结构包括第一输入\输出端口、第二输入\输出端口、第一馈电网络、第二馈电网络、开路T型谐振器和短路T型谐振器。其中第一输入\输出端口1、第一馈电线2、第二馈电线3、第三馈电线4、金属化过孔单元5、第一传输线6、第二传输线7、第三传输线8、第四传输线9、第四馈电线10、第五馈电线11、第六馈电线12、第二输入\输出端口13、介质基板14和底层金属地板15；其中，第一馈电线2、第二馈电线3和第三馈电线4组成第一馈电网络，第一馈电线2、第二馈电线3和第三馈电线4等长，等间隔设置，一端分别与第一输入\输出端口1相连；第四馈电线10、第五馈电线11和第六馈电线12组成第二馈电网络，第四馈电线10、第五馈电线11和第六馈电线12等长，等间隔设置，一端分别与第二输入\输出端口相连；第一馈电网络和第二馈电网络组成对称结构，该缝隙两端分别插入第一传输线6和第四传输线9；在第一馈电线2与第二馈电线3以及第四馈电线10与第六馈电线11的间隔中设有第二传输线7，第二传输线7一端与过孔单元5连接，另一端与第二传输线7连接；金属化过孔单元5是在介质基板14和底层金属地板15上的通孔，金属化过孔单元使第一传输线6一端与地相连，形成短路结构；金属化过孔单元5、第一传输线6和第二传输线7组成短路T型谐振器；在第二馈电线3与第三馈电线4以及第五馈电线11与第六馈电线12的间隔中设有第三传输线8，第三传输线8与第四传输线9连接；第三传输线8和第四传输线9组成开路T型谐振器。第一馈电线2、第二馈电线3、第三馈电线4、第一传输线6、第二传输线7、第三传输线8、第四传输线9、第四馈电线10、第五馈电线11、第六馈电线12和第二输入\输出端口13为附着在介质基板14上的金属导体。

第一馈电网络和第二馈电网络的六条馈电线等长，其长度记为L₅，第一传输线6长度为L₂，第二传输线7长度为L₁，第三传输线8长度为L₃，其中L₁和L₃等长，第四传输线9长度为L₄，第一输入\输出端口1和第二输入\输出端口13宽度都为W₁，第四馈电线6宽度为W₂，第四传输线9宽度为W₃，第一馈电网络、第二馈电网络以及第二传输线7、第三传输线8这八条馈电线等宽，其宽度记为W₄，馈电线间距记为g。

短路T型谐振器的谐振频率在3.1GHz～10.6GHz频率范围的低端，开路T型谐振器谐振在3.1GHz～10.6GHz频率范围的高端；第一、二馈电网络具有双重功能，不仅把通带频率范围内的信号耦合到谐振器，还可用于在5.8GHz处产生阻带，以抑制WLAN的干扰信号。整个电路结构分为三层：上层微带结构、中层介质基板和底层金属地板，上层微带结构和底层金属地板附着在介质基板上。短路T型谐振器和开路T型谐振器的结构如图2a和图2b所示。短路T型谐振器谐振在3.1～10.6GHz频率范围的低端，根据“Novel centrallyloaded resonators and their applications to bandpass filters”(新型的中心加载谐振器以及其在带通滤波器中的应用)中分析，由其结构可知，该谐振器工作在双模模式下，其中奇偶模可以通过调整第二传输线7长度L₁和第一传输线6长度L₂来独立控制，奇偶模谐振频率大小可由下面两关系式决定：

$f_{s,\mathrm{odd}}=\frac{(2n-1)c}{2L_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

$f_{s,\mathrm{even}}=\frac{\mathrm{nc}}{(2L_1+4L_2)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}},$

根据该分析结果可知，在介电常数不变的情况下，奇模的谐振频率可以由第二传输线7长度L₁唯一决定，故可以通过调整第二传输线7长度L₁来改变其谐振频率的大小，偶模的谐振频率大小由第二传输线7长度L₁和第一传输线6长度L₂决定，在通过确定第二传输线7长度L₁来确定奇模的谐振频率之后就可以通过改变第一传输线6长度L₂来控制目标的偶模的谐振频率，这样就实现了奇偶模谐振频率的控制。在本实施例中，短路T型谐振器在3.8GHz和6.7GHz处发生谐振。开路T型谐振器工作在3.1～10.6GHz频率范围的高端。根据“Novel centrally loaded resonators and their applications to bandpass filters”(新型的中心加载谐振器以及其在带通滤波器中的应用)中分析，由其结构可知，该谐振器工作在双模模式下，其中奇偶模可以通过调整第三传输线8长度L₃和第四传输线9长度L₄来独立控制，奇偶模谐振频率大小可由下面两关系式决定：

$f_{o,\mathrm{odd}}=\frac{(2n-1)c}{2L_3\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}$

$f_{o,\mathrm{even}}=\frac{\mathrm{nc}}{(L_3+2L_4)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}},$

根据该分析结果可知，在介电常数不变的情况下，奇模的谐振频率可以由第三传输线8长度L₃唯一决定，故可以通过调整第三传输线8长度L₃来改变其谐振频率的大小，偶模的谐振频率大小由第三传输线8长度L₃和第四传输线9长度L₄决定，在通过确定第三传输线8长度L₃来确定奇模的谐振频率之后就可以通过改变第四传输线9长度L₄来控制目标的偶模的谐振频率，这样就实现了奇偶模谐振频率的控制。本实施例中该谐振器在6.6和9.3GHz处发生谐振。

第一、二馈电网络具有双重功能，不仅能把通带频率范围内的信号耦合到谐振器，还用于产生5.8GHz处的阻带，信号的传输主要通过耦合实现，其中耦合部分由宽度W₄＝0.2mm，长度为在5.8GHz处为四分之一波长的微带传输线组成，馈电线间距g＝0.12mm。信号经输入端口通过第一馈电网络的耦合进入开路及短路T型谐振器，经过滤波之后，再由第二馈电网络送至输出端口，实现对信号的滤波。由于L₅在5.8GHz上为四分之一的波长，由四分之一波长阻抗变化特性可知，在此处对5.8GHz的信号为短路，故实现了5.8GHz处的阻带。

该滤波器具有准椭圆函数响应，就是说在通带的上下两侧各产生一个传输零点，高端的传输零点由开路T型谐振器中的L₄部分产生，由于第四传输线9长度L₄在该零点频率上为四分之一波长，故通过改变第四传输线9长度L₄可以控制高端的传输零点的频率。低端的传输零点的产生是由于存在两条传输路径，一条是短路T型谐振器，另一条是开路T型谐振器，在该处的零点频率上，原信号经这两条传输路径后变为等幅反向的信号故相互抵消。该传输零点的位置可通过改变第一传输线6长度L₂来控制。本实施例中，两个传输零点为2.4和11.7GHz。由于两传输零点都在通带的附近，因此该滤波器具有较高的边缘选择性。滤波器的整体尺寸为1.8×0.9cm²。

如图3a所示，采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器的频率特性中，横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。其中S₂₁为传输损耗；S₁₁为回波损耗；从图3a可见，本发明的超宽带滤波器的3dB带宽为3.08～10.8GHz，其中在5.8GHz处为一阻带。频率低端的插入损耗为0.4dB，频率高端的插入损耗为0.9dB，通带内的S₁₁(回波损耗)小于-15dB。如图3b所示，并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器中通带内的群时延大约为0.35ns。

Claims (3)

1.一种采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器，包括上层微带结构、中层介质基板和底层金属地板，上层微带结构和底层金属地板附着在介质基板上，所述上层微带结构包括第一输入\输出端口、第二输入\输出端口、第一馈电网络、第二馈电网络、开路T型谐振器和短路T型谐振器；其特征在于：第一馈电线、第二馈电线和第三馈电线组成第一馈电网络；第一馈电线、第二馈电线和第三馈电线等长，等间隔平行设置，一端分别与第一输入\输出端口相连；第四馈电线、第五馈电线和第六馈电线组成第二馈电网络，第四馈电线、第五馈电线和第六馈电线等长，等间隔平行设置，一端分别与第二输入\输出端口相连；第一馈电网络和第二馈电网络结构相同，关于它们之间的缝隙对称布置，该缝隙两端分别插入第一传输线和第四传输线；在第一馈电线与第二馈电线以及第四馈电线与第五馈电线的间隔中设有第二传输线，第一传输线一端与金属化过孔单元连接，另一端与第二传输线连接；金属化过孔单元是上层微带结构和底层金属地板上之间的通孔；金属化过孔单元、第一传输线和第二传输线组成短路T型谐振器；在第二馈电线与第三馈电线以及第五馈电线与第六馈电线的间隔中设有第三传输线，第三传输线与第四传输线连接；第三传输线和第四传输线组成开路T型谐振器；短路T型谐振器的谐振频率在3.1GHz～10.6GHz频率范围的低端，开路T型谐振器谐振在3.1GHz～10.6GHz频率范围的高端；第一、二馈电网络分别通带频率范围内的信号耦合到短路和开路T谐振器，并用于在5.8GHz处产生阻带，以抑制WLAN的干扰信号。

2.根据权利要求1所述的采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器，其特征在于：短路T型谐振器的奇偶模谐振频率通过调整第一传输线和第二传输线的长度控制；开路T型谐振器的奇偶模谐振频率通过调整第三传输线和第四传输线的长度控制。

3.根据权利要求1所述的采用并联谐振器的具有带阻特性的超宽带滤波器，其特征在于：第一馈电网络的耦合线的长度在5.8GHz上为四分之一波长，产生抑制5.8GHz干扰信号的阻带。

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