CN102881972A

CN102881972A - 基于交指电容的小型化超宽带滤波器

Info

Publication number: CN102881972A
Application number: CN2012102282357A
Authority: CN
Inventors: 杨在峰; 马哲旺; 墨晶岩; 薛海皋
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明涉及一种基于交指电容的小型化超宽带滤波器，它包括三层结构：正面的金属微带线、中间的介质板层及输入输出端口、介质板材反面的金属镀层，所述的金属微带线结构是：一个交指电容的两端分别通过两条高阻抗传输线连接两个输入输出端口构成，在交指电容的末端分别通过打孔接地短路，交指电容的交指个数为若干个，整体来说，结构是对称的。本发明在通带内有可以实现三个传输零点，也可以通过级联或者增长交指电容中交指的对数来实现带内多个谐振点。本发明结构简单，具有较好的频率选择性，实现了小型化的要求。

Description

基于交指电容的小型化超宽带滤波器

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的滤波器，具体涉及一种具有可调带内发射零点、具有超宽带特性、小型化的微带滤波器结构、并具有网络干扰信号抑制功能的基于交指电容的小型化平面滤波器。

背景技术

当今世界，全球通信行业技术不断革新进步，用户需求与日俱增，人们对无线通信的要求也越来越高，不断地提出新的要求。例如，在某一频段上传输的数据量能够增加，通信质量能够更好，无线终端能够更小巧，功率损耗能够更少……这些要求无疑也对现在的射频前端系统提出了新的挑战，高性能、多功能、小型化的射频前端已为大势所趋。而射频前端中的滤波器，作为一个至关重要的元件，无疑促使着全球的科技工作者们对新时代背景下的滤波器的进行设计和研究。对于现代滤波器的研究，首先可以从以下几个发展趋势来进行分析：

1．更高频率的无线电磁波被开发使用

当今通信频段不断被开发，可用频段资源越来越少，由于高频率的电磁波能传输更多的信息量，因此，现在的许多无线通信应用较多地往高频率端开发。比如Wi-Fi (5.725-5.825GHz (ISM/UNII))、Wi-Max（2-11GHz）、UWB超宽带通信（3.1-10.6GHz）以及60GHz短距离保密通信等。

相比以往的许多无线通信，例如收音机等，由于工作频率较低，滤波器只需要采用集总元件就能很好地实现功能。但是现在的很多通信都处于较高的频段，用集总元件无法实现较好的滤波功能，因此，必须使用分布参数元件，例如微带线，带状线、同轴线以及介质谐振器等。

2. 带宽需要增加以满足人们的通信要求

现在大部分通信工作的频段为窄带通信。一般来说，相对带宽大于10%以上的，被称为宽带。而大于25%的则被称为超宽带。由于用户对于无线终端能够处理的数据量不断增长，现有的窄带通信不能很好地满足需求，因此宽带通信越来越受到关注。在2002年2月，美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）批准了超宽带（Ultra-wide Band，UWB）技术应用于短距离无线通信的申请，划分Indoor UWB的通信系统使用的频带为：3.1~10.6GHz。由此掀起了在全球范围内对UWB滤波器的研究。

宽带滤波器能够更好地满足无线终端对传输速率与传输数据量的要求，能够更好地满足人们对各种无线应用的需求。

3.射频前端所占据的体积越来越小

从近10年来看，通信行业与其他电子制造业一样飞速发展，所有的终端几乎都处于不断被小型化设计的趋势中。手机越来越小，无线网卡更趋于集成结构，天线也从外置到内置，许多电子器件设计也从立体到平面，从这些现象来看为了能集成更多不同种类的器件，滤波器的小型化也必定是一大趋势。

对于现在的小型化设计来说，用微带线来做传输波导是不错的选择，首先，平面结构使得微带线结构的滤波器容易制造和加工。其次，微带线的介质板相对其他介质来说价格便宜，利于市场化。最后，微带结构更利于集成至单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）中，更适合小型化的设计。微带线的这些优势也使得近些年来更多的研究偏向了以微带线为传输介质的滤波器设计。

宽带滤波器能够满足人们对大容量信息的无线传输要求，较宽的通带能够加载更多的信息量，提高了传输速率，从而满足日益增长的无线终端应用，比如，高清视频和语音的传输，无线终端视频会议，大容量数据的快速无线传输等。从另一方面说，传输速率的提高和带宽的增加也促使了更多的无线应用的发展。自从美国联邦电信委员会FCC在2002年批准了超宽带民用的许可后，研究者关于超宽带的应用就一直没有间断过，各种针对与UWB系统的超宽带滤波器设计的结构也层出不穷，但是大部分都不够小型化，由于微带线一般难以实现宽带特性，所以使用微带线结构的超宽带滤波器也非常少见。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于交指电容的小型化超宽带滤波器，这种滤波器在通带内具有三个传输极点（或称为反射零点），通过调整输入输出端微带线的阻抗比、交指电容的个数以及交指电容中交指的长度等可以调整通带内。整体来说，谐振器结构是对称的；其馈线的输入输出端口在同一水平线上。本发明在通带内有可以实现三个传输零点，也可以通过级联或者增长交指电容中交指的对数来实现带内多个谐振点。这种超宽带滤波器结构简单，体积非常小，也容易加工。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

1.利用等效的集总参数模型，阶跃阻抗谐振器结构理论等，提供一种小型化超宽带微带滤波器。

2.在不在占用太多空间的基础上实现了超宽带滤波器的特性，输入输出端的阶跃阻抗使得带内额外产生两个谐振点，展宽了带宽并改进了超宽带通带的特性。

3.为了能够调节通带的中心频率点，以便能够更好地将这种超宽带滤波器适用于各种不同工作频段的通信系统中，通过简单地改变该输入输出端的高阻抗传输线的长度，就能在不破坏原本特性的基础上对中心频率点进行调节。

4.为了能够调节通带内谐振点的分布情况，从而可以对带宽等进行调节，可以简单地通过改变输入输出端与高阻抗传输线之间的阻抗比，就能在不破坏原本特征的基础上对分离的2个谐振点进行调节。

5.本发明根据介质基板的介电常数

Figure 2012102282357100002DEST_PATH_IMAGE002

，选用合适的介质基板的厚度。

6.加工后的电路板为一层，其反面是金属镀层，正面为该双频微带滤波器的结构。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于交指电容的小型化超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层和中间层的介质板，其特征在于：所述基于交指电容的超宽带微带滤波器通过高阻抗线与交指电容相连，并且交指电容的一端接地。具体是：输入输出端的端口阻抗为50欧姆，与其相连的是一段高阻抗线，与高阻抗传输线相连的是一个交指电容，在交指电容的末端分别通过打孔接地短路。交指电容的个数以及交指电容中交指的长度、高阻抗线与输入输出端的阻抗比可以根据实际的超宽带滤波器的指标来决定。整体来说，谐振器结构是对称的；其馈线的输入输出端口在同一水平线上。本发明在通带内有可以实现三个传输零点，也可以通过级联或者增长交指电容中交指的对数来实现带内多个谐振点。

作为本发明的改进，可以通过改变输入输出端与高阻抗线的阻抗比来调节带通谐振点的分布。

作为本发明的进一步改进，可以通过改变高阻抗线的长度来调节通带内中心频率点的分布。

作为本发明的更进一步改进，可以通过交指电容的级联以及调整交指电容的对数来改变通带内的特性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点：

1. 本发明超宽带滤波器结构是非常小型化却实现了非常大的带宽，并且加工容易。

2. 本发明可以通过非常简单地改变输入输出端与高阻抗传输线之间的阻抗比来调谐通带内的谐振点分布。

3. 本发明可以通过非常简单地改变高阻抗传输线的长度来调谐通带内的中心频率点位置。

4. 本发明的超宽带滤波器的通带两边各有一个传输零点，很大程度上增强了滤波器的带外抑制特性。

5. 本发明有多种变形结构，通过级联，增加交指电容的长度等都能很好地改变通带特性，如通过级联方式或者增加交指对数可以增加通带内的谐振点个数。

附图说明

图1是本发明实施例一的滤波器立体结构示意图。

图2是本发明实施例一的滤波器结构平面示意图及尺寸标注。

图3是本发明实施例一、二的滤波器频率响应图。

图4是本发明实施例三的滤波器频率响应图。

图5是本发明实施例四的滤波器平面结构示意图及尺寸标注。

图6是本发明实施例四的滤波器频率响应图。

图7是本发明实施例五的滤波器平面结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本基于交指电容的小型化超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线1、反面部分的金属镀层2和中间层的介质板10，金属微带线1由一个交指电容3分别通过两条高阻抗传输线6、7连接、两个输入输出端口8、9构成。其中交指电容3的一段通过打孔接地4，交指电容中的交指5有13个。结构整体对称，具体参数参见图2，与输入输出端8、9相连接的高阻抗传输线6、7的宽度为w，长度为l，在本实例中宽度w为0.6mm，长度l为3.1mm，整体所占面积为7.15

4.15mm²，非常地小型化。

其频率响应结果图参见图3中w=0.6mm的情况。可以看出，有三个传输零点分别位于2.3GHz,，10.75GHz和12.7GHz，这三个传输零点都位于UWB通带之外，因此给该超宽带多模滤波器提供了较好的插损曲线。-3dB带宽从4.03GHz到9.97GHz，中心频率位于7GHz，具有85%的相对带宽。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，通过改变高阻抗传输线的宽度w时，通带内的2个对称的谐振点会展开或紧缩，从而改变通带回损特性。

频率响应结果参见图3。可以看出，通过改变输入输出口的高阻抗线的宽度w，随着w从0.4mm到0.6mm，可以从图中看出，被分离的两个谐振模式，第一与第三个谐振点会更加靠近中间的频率点7.3GHz，直到w被增加到1.25mm，也就是说高阻抗线的特性阻抗与输入输出端口的50ohm传输线相同时，被分离的两个模式就消失了。我们也能将中间固定不动于7.3GHz的谐振模式看成是奇模形式，而随着w的改变而改变的两个模式看成偶模模式。

当w=0.6mm，从5GHz到9.35GHz，这种滤波器的回波损耗都小于-17dB。当w=0.4mm，从4.45GHz到9.8GHz，滤波器的回波损耗小于-10dB。在改变w参数的同时，我们发现其S₂₁曲线几乎不变，因此，如果我们需要一个具有较好回波损耗时，我们可以根据实际要求增大w值。

实施例三：

本实施例与实施例一和实施例二基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，通过改变高阻抗传输线的长度l时，通带内的中心频率点（第2谐振点）的位置会左移或者右移，从而改变通带回损特性。

频率响应结果参见图4，从图4中可以看出这种三模滤波器随着高阻抗线的长度L的变化也耐人寻味，当L从3.5mm减小至2.7mm时，我们可以看出在通带内中间的谐振点，也就是图4中的奇模谐振点，会逐渐往高频率段偏移。当L=2.7mm时，该谐振点位于7.75GHz；当L=3.4mm时，该谐振点位于6.9GHz。同样的，在改变L的长度时，其S₂₁参数曲线图几乎不变。

实施例四：

本实施例与实施例二和实施例三基本相同，特别之处在于：

参见图5，在本实施例中，增加了原本交指电容的个数，也就是说增加了交指电容的总体长度。从而可以在不使用高阻抗线的情况下，也同样能使得通带内的谐振点个数达到3个。从而可以减少因为高阻抗传输线所带来的面积占用，从而可以在宽度上进行小型化。

图6为该本实例滤波器的频率响应结果图，从图6中也能看出，当不使用变阻抗输入输出端口来形成三模超宽带滤波器的时，可以通过交指电容自身来实现3个传输零点。当交指对数有明显的增加，有14对，交指长度为0.55mm，此时它的S参数图结果显示它具有三个谐振点在超宽带带内，分别为5.2GHz，6.75GHz和8.6GHz。从4.2GHz到9.25GHz的回损始终小于-10dB。-3dB带宽从3.2GHz到10.5GHz，与之前输入输出端口带变阻抗结构的三模滤波器性能相似，但是从宽度上来说少了三分之二，从而进行了小型化处理。

实施例五：

本实施例（在基本的交指电容参数不变的情况下）与实施例一、二、三、四相同，特别之处在于：

参见图7，为了能在通带内产生更多的谐振点，以此来展宽-3db带宽，对于大部分谐振器都可以适用级联的形式，但是对于频率覆盖范围较广的超宽带滤波器来说，也会引入一定的缺点，比如，在原本具有较好回损的频带内，回损性能会变差。图7所示的为2个交指超宽带滤波器的级联形式，面积约为11.3

4.25 mm²，就所占面积来说，仍然非常小。仿真所使用的介质板具有9.8的介电常数，高度为1.27mm。

金属微带线和反面部分的金属镀层可以是导电性能较好的金属材料，如金、或银、或铜。中间层的介质板的介电常数可以是各种数值，因为介电常数与谐振器的长度的平方成反比，所以介电常数越高则对应滤波器的尺寸越小。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合小型化双模双频微带滤波器的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于交指电容的小型化超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线（1）、反面部分的金属镀层（2）和中间层的介质板（10），其特征在于：所述金属微带线（1）由一个交指电容（3）的两端分别通过高阻抗传输线（6、7）连接两个输入输出端口（8、9）组成；其中交指电容（3）的一段通过打孔接地（4），交指电容中的交指（5）共有若干个；整体结构对称。

2.根据权利要求1所述的基于交指电容的小型化超宽带带通滤波器，可以通过改变交指电容的交指个数共有10-15个。

3.根据权利要求1所述的基于交指电容的小型化的超宽带带通滤波器，其特征在于所述介质板层(10)为介电常数

=9.8的介质板，该介质板（10）厚度h =1.27mm。