CN102005630A - 小型超宽带微带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型超宽带UWB微带带通滤波器结构，该小型超宽带UWB微带带通滤波器包括了介质基板，上层微带线耦合线，上层微带传输线，下层金属面，下层金属面上蚀刻的两个方形槽，两个金属接地通孔；通过调节上层耦合线的耦合强度，以及上层微带传输线的电长度，可以很方便的控制该小型超宽带UWB微带带通滤波器结构的带宽和二次谐波的抑制；下层金属面上蚀刻出的两个槽结构，可以用来提高上层微带耦合线之间的耦合强度。该小型超宽带UWB微带带通滤波器结构设计简单，体积小，加工方便，带宽可调，电性能较好，而且具有易于和其他平面微波毫米波电路集成的显著优点。

Description

小型超宽带微带带通滤波器

技术领域

本发明属于一种微带电路设计中的带通滤波器，特别是一种新型的含有地板蚀刻结构的小型超宽带微带带通滤波器结构。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们对信息传输系统的要求越来越高。近年来，随着微电子器件技术和工艺的提高，UWB(Ultra-wideband，超宽带)技术开始应用于民用领域，超宽带(UWB)滤波器技术成为目前通信领域的一个研究热点。传统的超宽带(UWB)滤波器结构一般采用强耦合的交叉指耦合线或者低通滤波器与高通滤波器结构的串联，这类结构的缺点有：(1)加工精度要求高，应用困难；(2)滤波器的整体体积较大；(3)滤波器通带带宽很难调节，综合特性较差。微带接地板上蚀刻的DGS(Defected Ground Structure缺陷接地结构)结构即是目前微带电路应用中具有良好研究前景的领域之一，如文献1，“A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure”，IEEETrans.Microw.Theory Tech.，vol.49，no.1，pp.86-93，Jan.2001；以及文献2，“Improvedwide-band schiffman phase shifter，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，vol.54，no.3，pp.2412-2418，Mar.2006。在上述文献中，都比较详细地介绍了这种新型技术在微带电路中的广泛应用。运用DGS单元结构设计的带通滤波器结构具有以下优点：(1)结构简单，可以实现尺寸很小的滤波器；(2)与传统的滤波器相比DGS单元结构的滤波器带宽更宽；(3)滤波器综合特性较好，可以实现带宽可控的滤波器结构。由于这些优点，它已广泛应用于各类微波无源有源电路的设计之中。

发明内容

本发明的目的在于应用接地板蚀刻(DGS)结构，结合多路分支滤波器设计的理论；在减小传统超宽带(UWB)带通滤波器结构体积，简化其设计方法的基础之上，一种结构更为紧凑、电性能更好、带宽可调的新型超宽带(UWB)带通滤波器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种小型超宽带微带带通滤波器，包括介质基板、下层金属面、上层开路耦合线、上层短路耦合线、两个金属接地通孔、上层两条不同长度的微带传输线，左右两端50欧姆的微带线；其中上层开路耦合线的长度对应为该超宽带微带带通滤波器通带中心频率的四分之一波长，上层短路耦合线的长度为该超宽带微带带通滤波器通带中心频率的二分之一波长，上层两条不同长度的微带传输线的长度分别为该超宽带微带带通滤波器通带中心频率的四分之三波长和四分之一波长，该上层两条不同长度的微带传输线的拐角处采用了相同长度的切角，以减小能量传输过程中的不连续性；下层计算金属面上蚀刻出的槽线结构的总长度为该超宽带微带带通滤波器通带中心频率的五分之三波长，该槽线内部的金属面位于上层开路和短路耦合线下层的中间位置上下对称分布。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：(1)采用短路开路线互耦的电路结构，相对以往结构体积减小了一半，结构更加紧凑；(2)采用接地板蚀刻(DGS)结构，在减小结构体积的基础上，可以根据带宽的需要来调节短路开路耦合线的耦合强度，使得整体滤波器的相对带宽在86％-114％任意调节；(3)结构设计简单易行，采用分路分支滤波器的设计方法，使得结构本身具有抑制二次谐波的特性，带内插入损耗较小，群延迟小，且二次谐波具有较小的回波损耗。

附图说明

图1为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构的平面示意图。

图2为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构的的上层示意图。

图3为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构的下层示意图。

图4为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构的立体示意图。

图5为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构测试的电路简化图。

图6为本发明小型超宽带微带带通滤波器结构仿真和测试的结果图，(a)频率响应特性；(b)群延迟特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至4，本发明超宽带微带带通滤波器结构，包括包括介质基板1、下层金属面2、上层开路耦合线3、上层短路耦合线4、金属接地通孔5、上层两条不同长度的微带传输线6和7，上层左右两端50欧姆的微带线8和9；下层金属面2蚀刻出了方形的槽线11，该方形槽线11，上层两条不同长度传输线6和7拐角处采用了具有相同宽度的切角10。上层开路耦合线3的长度对应为该超宽带(UWB)微带带通滤波器通带中心频率的二分之一波长，上层短路耦合线4的长度为该超宽带(UWB)微带带通滤波器通带中心频率的四分之一波长，该上层开路耦合线3和上层短路耦合线4的宽度通常都为0.3～2mm；上层两条不同长度的微带传输线6和7的长度分别为该超宽带(UWB)微带带通滤波器通带中心频率的四分之三波长和四分之一波长，宽度通常为0.3～2mm，上层两条不同长度的传输线6和7拐角处切角10的长度通常为0.2～1.5mm。根据多路分支滤波器设计的理论，滤波器能量从端口1往端口2传输的过程中，两条分支要满足的关系式如下：

θ₁(f₀)＝θ₂(f₀)±2nπ，(n＝0，1，2...)    (1)

其中θ₁(f₀)为两条支路中第一条支路在中心频率f₀处对应的电长度，θ₂(f₀)为两条支路中第二条支路在中心频率f₀处对应的电长度，两条支路在满足关系式时，可以在中心频率f₀处形成一个通带；另外通带的相对带宽主要由上层的开路耦合线3和短路耦合线4的耦合强度来控制，上层的开路耦合线3和短路耦合线4的耦合系数k可以定义如下：

$k=\frac{Z_{\mathrm{oe}}-Z_{\mathrm{oo}}}{Z_{\mathrm{oe}}+Z_{\mathrm{oo}}}---\left(2\right)$

其中Z_oe为偶模阻抗，Z_oo为奇模阻抗，这两个值得大小可以通过控制上层开路耦合线3和短路耦合线4的宽度和耦合缝隙的宽度来调节。为了更好的控制该小型超宽带UWB微带带通滤波器的通带特性，在下层金属面上蚀刻出了的槽线11和槽线12，通过调节该蚀刻槽线11和槽线12，可以控制耦合系数k的大小，从而很方便的控制通带的相对带宽。一般方形槽线结构11或槽线12的总长度为该超宽带带通滤波器通带中心频率波长的五分之三，宽度通常为0.2～0.6mm。

本发明小型超宽带UWB微带带通滤波器，介质基板1的介电常数ε_r为2～10，高度通常为0.2～1mm，介质基板1上层的50欧姆微带线8和9作为能量的输入/输出端口，其长度可以根据实际应用的需要进行调节，宽度通常为0.3～2mm。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：

本发明小型超宽带(UWB)微带带通滤波器结构，采用了接地板上蚀刻(DGS)结构，结合多路分支滤波器设计的理论，设计出了结构更为紧凑、带宽可调的新型超宽带(UWB)带通滤波器。整个结构的尺寸为30mm*17mm*0.5mm，介质基板的介电常数ε_r为2.65，介质基板分上下两层结构，所选的带通滤波器结构中心频率为6.85GHz，通带频率范围为3.1GHz-10.6GHz，相对带宽为109％，对应通带中心频率f₀的四分之一波长为7.35mm，上层开路耦合线3的长度为14.7mm，上层短路耦合线4的长度为7.1mm，上层开路耦合线3和短路耦合线4的宽度都为1.62mm，两者耦合缝隙的宽度g₁为0.2mm，上层短路耦合线4之间缝隙的宽度g₂为0.5mm；金属接地通孔5的直径为0.7mm，上层两条不同长度的传输线6和7的长度分别为21.15mm、7.25mm，两者的宽度都为0.65mm，该两条不同长度传输线6和7的拐角处切角10的长度为1.14mm，上层左右两端50欧姆的微带线8和9的宽度为1.37mm。

介质基板1下层金属面2与介质基板1的宽度和长度相同，下层金属面2上蚀刻出的方形槽线11的宽度t₁＝t₂＝0.3mm，总长度为长度为17.6mm，该方形槽线内部形成的方形金属片的长度为5.2mm，宽度为3.1mm。

以上便是该小型超宽带(UWB)微带带通滤波器结构的设计方法和具体实例设计，该超宽带滤波器结构，采用了接地蚀刻(DGS)结构，运用多分支滤波器设计的理论；使得滤波器的整体结构相对以往的结构减小了一般，并且设计简单易行，具有通带带宽可调的优良特性。该结构测试与矢量网络分析仪Agilent 8722ES相结合的测试图如5所示，带通滤波器结构两端口直接于矢量网络分析仪Agilent 8722ES相连，测出其对应的S参数和群延迟特性，整理的测试结果和仿真结果对比如图6所示，测试本发明设计实例的结果表明：本发明小型超宽带(UWB)微带带通滤波器结构的工作带宽为3.1GHz-10.6GHz，相对带宽为109％，通带内的掺入损耗小于1.1dB，回波损耗大于12.5dB，上阻带的插入损耗大于13.5dB(11GHz-16GHz)，两个传输零点位于2.3GHz和10.9GHz，通带内的群延迟小于0.57ns。总体积为30mm*17mm*0.5mm，重量不足70克。

Claims (5)

1.一种小型超宽带微带带通滤波器，其特征在于：包括介质基板[1]、下层金属面[2]、耦合线开路部分[3]、耦合线短路部分[4]、金属接地通孔[5]、上层两条不同长度的第一微带传输线[6]和第二微带传输线[7]、左端50欧姆的微带线[8]和右端50欧姆的微带线[9]；在两段耦合线正下方的下层金属面[2]上分别蚀刻有矩形的第一槽线[11]和第二槽线[12]，金属接地通孔[5]位于上层耦合线短路部分的末端位置，第一微带传输线[6]和第二微带传输线[7]拐角处的切角[10]宽度相同。

2.根据权利要求1所述的小型超宽带微带带通滤波器，其特征在于：上层耦合线开路部分[3]的长度为该微带带通滤波器通带中心频率波长的二分之一；上层耦合线短路部分[4]的长度为该微带带通滤波器通带中心频率波长的四分之一。

3.根据权利要求1所述的小型超宽带微带带通滤波器，其特征在于：第一微带传输线[6]的长度为该微带带通滤波器通带中心频率波长的四分之三，第二微带传输线[7]的长度为该微带带通滤波器通带中心频率波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的小型超宽带微带带通滤波器，其特征在于：介质基板[1]上层左右两端的50欧姆微带线[8]和50欧姆微带线[9]为能量的输入/输出端口，该50欧姆微带线[8]和50欧姆微带线[9]的长度根据实际应用的需要进行调节。

5.根据权利要求1所述的小型超宽带微带带通滤波器，其特征在于：下层金属面[2]的长度和宽度与介质基板[1]的长度和宽度相同，所述槽线结构[11]的总长度为该微带带通滤波器通带中心频率波长的五分之三。

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