CN102931459A - 基于交趾结构的新型超宽带带通滤波器 - Google Patents

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卜千
丁君
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Abstract

本发明提供了一种基于交趾结构的新型超宽带带通滤波器，包括基于交趾结构的高通部分和基于DGS结构的低通部分，交趾结构的高通部分由趾数为16的交趾电路和阻抗匹配的传输线构成，DGS结构的低通部分由刻蚀在地板上的3个E形DGS结构单元构成。本发明在保障了通带带宽的同时消除了寄生通带，具有很强的可调性，容易调谐、在超宽带频带内可以呈现出左手特性。

Description

基于交趾结构的新型超宽带带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种超宽带带通滤波器，这种滤波器在特定频段能呈现出左手特性。
背景技术
随着美国联邦通讯委员会将3.1GHz-10.6GHz这个波段面向民用开放后，通常将这一波段定义为超宽带。近些年来，凭借其优良的通信性能，越来越多的学者致力于研究超宽带通信领域。为了构建一个超宽带系统，就需要设计出相应的超带宽带通滤波器，然而，如何保障带宽足够宽的同时还能有出色的滤波特性，这至今仍是个难题。为了解决这一难题，学者们提出了很多的方案。例如：文献“Zhou,Y.;Yao,B.;Cao,Q.;Deng,H.;He,X.;,"Compact UWB bandpass filter using ring open stub loaded multiple-moderesonator,"Electronics Letters,2009,45(11):554-55621”中就采用了传统的步进式的滤波器结构来实现超宽带，这种滤波器的具有出色的滤波特性，但是它的物理尺寸相对较大，在设备中的应用价值不高；文献“Ishida,H.,andAraki,K:“Design and analysis ofUWBbandpass filter with ring filter,”IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.2004,3:1307–1310”中则采用了共面波导的结构来达到目的，这种结构的优点在于结构紧凑，带宽较宽，但是带外抑制的特性却达不到要求；另外，赵继聪在文献“Zhao Jicong;Zhang Xiangjun;LiuHai;,"UWB bandpass filter using complementary split-ring resonator-based highpass filter anddefected ground structure,"Electronics,Communications and Control(ICECC),2011InternationalConference,2011:1194-1196”中提出了一种通过级联高通和低通滤波器的方式来实现带通特性的理念，其中高通特性是通过CSRR结构来实现的，低通特性则是靠DGS结构来完成的，这种结构的带通滤波器能够在较小的尺寸内具有超宽带特性，无奈由于这种结构自身的原因，这种滤波器存在明显的寄生通带。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于交趾结构的新型超宽带带通滤波器，具有很强的可调性，容易调谐、在超宽带频带内可以呈现出左手特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括基于交趾结构的高通部分和基于DGS结构的低通部分；所述的交趾结构的高通部分由趾数为16的交趾电路和阻抗匹配的传输线构成，交趾电路中8对交趾交替排列，排列间的细缝形成分布电容；接地短截线位于趾脚底部，两侧相对交趾对称分布，金属过孔贯穿介质板，孔内侧附银，连接微带线与接地板，提供接地电感，其两端分别连接一段阻抗匹配的传输线，与两侧50欧姆的端口相匹配；所述的DGS结构的低通部分由刻蚀在地板上的3个E形DGS结构单元构成，位于交趾电路的左侧接地板上，成E形结构水平排列，每个单元之间间隔为2mm，中间缝隙的宽度与上方匹配传输线宽带相等，整个结构是通过腐蚀掉吸附在接地板上的银来实现的，腐蚀深度为8mil。
本发明的有益效果是：
（1）由于采用的是交趾结构，这种交趾结构与传统结构最明显的优点就是可调性强，因为这种结构的分布电容和电感都有明确的公式来定义，我们可以根据需要计算出趾宽、趾缝等结构尺寸的具体数值。
（2）本结构采用的是以聚四氟乙烯为介质基底的微带结构滤波器，这种材料有如下优点：①来源广泛，这种材料作为PCB制板最常见的板材，在工业上早已经实现了批量生产，易于购买。②价格低廉，与罗杰斯板材相比，这种材料单位面积的价格低了近十倍，而且与罗杰斯板材一个半月的采购周期相比，这种材料通常库存充足，无需采购。③加工难度低，得益于聚四氟乙烯材料的特性，这种材料的PCB板可以加工得厚度很薄，这在一定程度上也给我们的仿真工作带来很大的灵活性。
（3）这种结构的滤波器物理尺寸很小，由于这种结构可以在某一特定频段呈现左手特性，而左手特性的出现可以使得电磁波的相位产生突变，这一点特性大大缩小了滤波器的尺寸。
附图说明
图1是交指结构的带通滤波器的结构示意图。
具体实施方式
本发明旨在解决文献“Zhao Jicong;Zhang Xiangjun;Liu Hai;,"UWB bandpass filterusing complementary split-ring resonator-based highpass filter and defected groundstructure,"Electronics,Communications and Control(ICECC),2011InternationalConference,2011:1194-1196”中CSRR结构引入的寄生通带，寄生通带的存在会给滤波器的正常工作带来很大的干扰，而寄生通带的产生由CSRR结构自身的特性导致的，单纯的靠对参数的优化达不到预期的效果，所以我们需要找寻一种替代结构，这种结构应当具有以下特性：具有很强的可调性，容易调谐、在超宽带频带内可以呈现出左手特性。
本发明主要由两种结构构成：基于交趾结构的高通部分和基于DGS结构的低通部分。
（1）交趾结构的高通部分，这部分主要由趾数为16的交趾电路和阻抗匹配的传输线构成。交趾电路中8对交趾交替排列，排列间的细缝形成分布电容；接地短截线位于趾脚底部，两侧相对交趾对称分布，金属过孔贯穿介质板，孔内侧附银，连接微带线与接地板，提供接地电感。其两端分别连接一段阻抗匹配的传输线，与两侧50欧姆的端口相匹配。它的作用是实现截止频率为3.91GHz的高通滤波器。
（2）DGS结构的低通部分，它由刻蚀在地板上的3个E形DGS结构单元构成，它位于交趾电路的左侧接地板上，E形结构水平排列，每个单元之间间隔为2mm，中间缝隙的宽度与上方匹配传输线宽带相等，达到耦合效果更好的目的，整个结构是通过腐蚀掉吸附在接地板上的银来实现的，腐蚀深度为8mil。它的目的是实现截止频率为10.3GHz的低通滤波器。
这种超宽带带通滤波器的最主要的技术特征就是在保障了通带带宽的同时消除了寄生通带，通过NRW法实验验证可知，这种结构的滤波器在6.2GHz-8GHz这个频段内相对介电常数和相对磁导率皆为负值，即呈现左手特性。这一特性的应用使得器件的物理尺寸大大减小。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的结构如图1所示，各个结构参数如下表：
ws wh lh l w s r1 p1 p2
0.5mm 0.75mm 5mm 3mm 0.2mm 0.2mm 0.2mm 2.5mm 1mm
首先是高通滤波器的设计部分，高通滤波器采用的交趾结构是印刻在微带线上的，其两端分别连接一段阻抗匹配的传输线，与两侧50欧姆的端口相匹配。结构中的分布电感是由连接微带线与接地板的金属过孔产生的，接地短截线位于趾脚底部，两侧相对交趾对称分布，金属过孔贯穿介质板，孔内侧附银，孔径0.2mm，连接微带线与接地板，而分布电容则是由趾间缝隙的耦合产生的，其中趾长为3mm，趾宽0.2mm，趾间距为0.2mm，而为了与输入输出端口的特征阻抗实现匹配，还需要设计一段阻抗变化如图的传输线。介质基板的厚度为1mm，介电常数为2.65，板材选定为F4聚四氟乙烯，利用Ansoft HFSS进行仿真，得到截止频率为10.3GHz的高通滤波器。
其次是低通滤波器的设计部分，低通滤波器是由刻蚀在接地板上的三个DGS单元级联构成的，它位于交趾电路的左侧接地板上，E形结构水平排列，每个单元之间间隔为2mm，E形趾长为1mm，趾缝宽0.2mm，整个结构是通过腐蚀掉吸附在接地板上的银来实现的，腐蚀深度为8mil。为了使微带线与接地板之间的耦合更加紧密，应使DGS结构的中心与阻抗变换线中心重合，同样调整每个单元之间的距离，即可得到相应的低通滤波器。
将设计好的低通滤波器和高通滤波器级联，级联时使低通部分位于高通部分左侧下方的接地板上，将SMA接头焊接在匹配传输线两侧终端，利用HFSS仿真即可得到S参数曲线，此时的S21不一定有很好的滤波特性，此时不再调整各部分的尺寸参数，而是调整DGS结构与交趾结构之间的相互位置即可；将加工出的部件利用矢量网络测试仪进行测试，得到测试环境下的散射参数曲线，与仿真曲线比较验证仿真结果。
优化好带通滤波器的滤波特性曲线后，为了验证我们所设计的滤波器是否真正具有左手特性，采用NRW法对该结构的S参数进行参数提取，得到相对介电常数和相对磁导率随频率之间的变化曲线，在曲线中观察，在通带内6.2GHz-8GHz这个频段电磁波表现为左手特性。

Claims (1)

1.一种基于交趾结构的新型超宽带带通滤波器，包括基于交趾结构的高通部分和基于DGS结构的低通部分，其特征在于：所述的交趾结构的高通部分由趾数为16的交趾电路和阻抗匹配的传输线构成，交趾电路中8对交趾交替排列，排列间的细缝形成分布电容；接地短截线位于趾脚底部，两侧相对交趾对称分布，金属过孔贯穿介质板，孔内侧附银，连接微带线与接地板，提供接地电感，其两端分别连接一段阻抗匹配的传输线，与两侧50欧姆的端口相匹配；所述的DGS结构的低通部分由刻蚀在地板上的3个E形DGS结构单元构成，位于交趾电路的左侧接地板上，成E形结构水平排列，每个单元之间间隔为2mm，中间缝隙的宽度与上方匹配传输线宽带相等，整个结构是通过腐蚀掉吸附在接地板上的银来实现的，腐蚀深度为8mil。
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