CN103187599B - 一种带隙可调微带超宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带隙可调微带超宽带滤波器，主要解决带隙加载超宽带滤波器中带外抑制差，带隙宽度较宽，双带隙无法独立调谐的问题。该滤波器包括微带介质基板（1），金属接地板（2），多模谐振器（3），一对输入输出交指微带馈线（4），缺陷地结构（5）和直流偏置电路（11）；该多模谐振器（3）的中心加载有“T”形枝节（6），多模谐振器（3）的下面加载有带隙谐振器（7），该带隙谐振器由两个对称的阶梯阻抗谐振器（71,72）以及变容二极管（10）组成；通过调节直流偏置电路（11）的偏置电压控制变容二极管（10）的容值。本发明尺寸小，带隙宽度窄，带外抑制效果好，能实现第一带隙连续可调、第二带隙恒定，可用于无线通信系统。

Description

一种带隙可调微带超宽带滤波器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及可调微带超宽带滤波器，可用于无线通信系统射频前端。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，人们对信息技术的要求越来越高，超宽带UWB技术兼有系统简单、功耗小、隐蔽性好、多径分辨能力强、数据传输速率快、成本低、安全性高等优点，使其成为无线通信领域的一个研究热点。超宽带系统通信频率范围为3.1GHz～10.6GHz，由于其频带较宽，其中的频段与一些窄带系统重叠，如频率为3.5GHz的WiMAX系统、频率范围为5.2GHz～5.8GHz的WLAN系统、频率为8.0GHz的卫星通信系统，这些窄带信号容易对超宽带系统通信产生干扰，因此，一些学者提出了具有带隙特性的超宽带滤波器，带隙加载的超宽带滤波器能有效抑制窄带信号的干扰，因而得到广泛关注。

2002年2月美国联邦通信委员会FCC宣布将超宽带技术民用化，由此超宽带技术迎来了一个飞速发展的时代。2008年3月H.R.Arachchige等人在MicrowaveConference.2008（APMC2008）.Asia-Pacific（Dec.16-20,pp.1-4,2008）上发表了“UWBBandpassFilterwithTunableNotchonLiquidCrystalPolymerSubstrate”,提出了一种带隙可调超宽带滤波器，该滤波器能实现一个带隙的连续可调，但带隙宽度随着频率升高而增大，将会占用有效的通信频段；2011年1月FengWei等人在IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques期刊（vol.21,no.1,pp.28-30,2011）上发表了“CompactUWBBandpassFilterWithDualNotchedBandsBasedonSCRLHResonator”,提出一种新型双带隙超宽带滤波器，该滤波器具有两个固定频率的带隙，但两个带隙均不可调，且带宽较宽。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种新型带隙可调微带超宽带滤波器，实现第一带隙连续可调，第二带隙保持不变的双带隙超宽带特性，以增加频率选择性，缩减带隙宽度。

为实现上述目的，本发明的一种带隙可调微带超宽带滤波器，包括微带介质基板1，金属接地板2，多模谐振器3，一对输入输出交指微带馈线4和缺陷地结构5，其特征在于：多模谐振器3的中心加载有“T”形枝节6，以缩减滤波器尺寸；多模谐振器3下面加载有带隙谐振器7，该带隙谐振器由两个对称的阶梯阻抗谐振器71和72以及变容二极管10组成；两个阶梯阻抗谐振器中心连接有一组共地的直流偏置电路11，通过调节直流偏置电路11的偏置电压控制变容二极管10的电容大小，实现第一带隙连续可调，第二带隙不变的双带隙超宽带滤波器特性。

作为优选，所述的多模谐振器3由长度为L₁、宽度为w₁的第一微带线31和长度为L₂、宽度为w₂的第二微带线32组成，且L₁≈λ_g/2，L₂≈λ_g/4，w₁＜L₁/5，w₂＜L₁/5，w₂＜w₁，

其中，λ_g为多模谐振器工作在第一奇模谐振频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的第一奇模谐振频率。

作为优选，所述的多模谐振器3中心加载的“T”形枝节6由长度为L₃、宽度为w₃的第一枝节61，长度为L₄、宽度为w₄的第二枝节62和长度为L₅、宽度为w₅的第三枝节63组成，且w₃＜L₃/10，w₄＝w₄，w₅＜L₃/5，

其中，为多模谐振器工作在第一偶模谐振频率时的工作波长，c为真空中的光速，为多模谐振器的有效介电常数，为多模谐振器的第一偶模谐振频率。

作为优选，所述的一对输入输出交指微带馈线4由长度为L₆、宽度为w₆的第一交指微带线41和宽度为w₇的第二微带馈线42组成，且L₆≈λ_g/4，0＜w₆＜（w_50Ω-w₂）/2，0＜w₇＜w_50Ω，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率，w_50Ω为50欧姆微带线宽度。

作为优选，所述的缺陷地结构5由一组刻蚀在金属接地版2上的长方形结构51和52组成，每一个长方形结构长度为L₈、宽度为w₈，且λ_g/4＜L₈＜λ_g/2，w₇＜w₈＜L₈，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率。

作为优选，所述的两个对称的阶梯阻抗谐振器71和72结构相同，每一个阶梯阻抗谐振器由长度为L₉、宽度为w₉的高阻抗线8和长度为L₁₀、宽度为w₁₀低阻抗线9组成，且w₉＜L₉/5，w₁₀＜L₉/5，w₉＜w₁₀，

其中，为带隙谐振器工作在基频时的工作波长，c为真空中的光速，为带隙谐振器的有效介电常数， 为带隙谐振器的基频。

作为优选，所述的两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁，按如下公式确定：

0＜L₁₁＜(L₁-2L₁₀)。

作为优选，所述的直流偏置电路11由扼流电感111和直流偏置电压源112相连构成。

本发明具有以下优点：

1.本发明通过在多模谐振器的中心加载“T”形枝节，缩小了滤波器尺寸，增加了频率调节自由度，产生的两个传输零点，提高了带外抑制效果。

2.本发明由于在多模谐振器下面加载有两个对称的阶梯阻抗谐振器，产生的窄带隙抑制了与超宽带频段重叠的窄带信号，提高了频带利用率。

3.本发明通过在阶梯阻抗谐振器中心加载变容二极管，通过调节直流偏置电路的偏置电压控制变容二极管的容值，实现了第一带隙连续可调的双带隙特性。

附图说明

图1为本发明的三维结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的仰视图；

图4为本发明实施例1传输响应S21曲线图；

图5为本发明实施例1反射响应S11曲线图。

图6为本发明实施例2传输响应S21曲线图；

图7为本发明实施例2反射响应S11曲线图。

图8为本发明实施例3传输响应S21曲线图；

图9为本发明实施例3反射响应S11曲线图。

具体实施方式

下面结合附图图1、图2和图3，对本发明的实施例作详细说明：

实施例1

本发明主要由微带介质基板1，金属接地板2，多模谐振器3，一对输入输出交指微带馈线4，缺陷地结构5，“T”形枝节6，带隙谐振器7，变容二极管10，直流偏置电路11和接地孔12组成，其中：

所述微带介质基板1，采用介电常数为2.65，板厚为1mm的单面覆铜介质基板；

所述金属接地板2，设置在微带介质基板1的下表面；

所述缺陷地结构5和接地孔12，设置在金属接地板2的下表面，接地孔12位于缺陷地结构5的中间偏下位置；

所述多模谐振器3，设置在微带介质基板1的上表面，由长度为L₁、宽度为w₁的第一微带线31和长度为L₂、宽度为w₂的第二微带线32组成，且L₁≈λ_g/2，L₂≈λ_g/4，w₁＜L₁/5，w₂＜L₁/5，w₂＜w₁，

其中，λ_g为多模谐振器工作在第一奇模谐振频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的第一奇模谐振频率。

本实例取第一微带线31的长度L₁=15.4mm、宽度w₁=1.6mm,第二微带线32的长度L₂=7.7mm、宽度w₂=0.5mm,对应的多模谐振器3的中心频率f₀=6.85GHz，该第一微带线31与第二微带线32串联连接。

所述“T”形枝节6加载在微带线31的中心，该“T”形枝节由长度为L₃、宽度为w₃的第一枝节61、长度为L₄、宽度为w₄的第二枝节62和长度为L₅、宽度为w₅的第三枝节63组成，且w₃＜L₃/10，w₄＝w₄，w₅＜L₃5，

其中，为多模谐振器工作在第一偶模谐振频率时的工作波长c为真空中的光速，为该多模谐振器的有效介电常数， 为多模谐振器的第一偶模谐振频率。

本实例取第一枝节61的长度L₃=7.9mm、宽度w₃=0.6；第二枝节62的长度L₄=7.9mm、宽度w₄=0.6mm；第三枝节63的长度L₅=2.6mm、宽度w₅=1.7mm,对应的谐振频率第一枝节61与第二枝节62的中心相接，第三枝节63与第二枝节62的末端相连，用来实现陡峭的微带超宽带响应。

所述一对输入输出交指微带馈线4，由长度为L₆、宽度为w₆的第一交指微带线41和宽度为w₇的第二微带馈线42组成，且L₆≈λ_g/4，0＜w₆＜（w_50Ω-w₂）2，0＜w₇＜w_50Ω

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率，w_50Ω为50欧姆微带线宽度。

本实例取第一交指微带线41的长度L₆=7.8mm、宽度w₆=0.8mm，第二微带馈线42的宽度w₇=2.5mm；交指微带线41平行放置在第二微带线32的两侧，第一交指微带线41与第二微带线32之间的缝隙宽度：g₁＜0.3mm，该第一交指微带线41的一端与第二微带馈线42相接，该第二微带馈线42用于端口匹配和焊接。

所述缺陷地结构5，设置在金属接地版2上，由一组刻蚀在金属接地版2上的长方形结构51和52组成，每一个长方形结构长度为L₈、宽度为w₈，且λ_g/4＜L₈＜λ_g/2，w₇＜w₈＜L₈，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率。

本实例取每一个长方形结构的长度L₈=8.3mm、宽度w₈=4.2mm，长方形结构位于第一交指微带线41和第二微带线32的正下方，两个长方形结构是中心对称的。

所述带隙谐振器7，位于多模谐振器3的下面，带隙谐振器7与多模谐振器3之间的缝隙宽度g₂＜0.5mm，该带隙谐振器7由两个对称的阶梯阻抗谐振器71和72以及变容二极管10组成，两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁满足：0＜L₁₁＜(L₁-2L₁₀)，每一个阶梯阻抗谐振器由高阻抗线8和低阻抗线9组成，且w₉＜L₉/5，w₁₀＜L₉/5，w₉＜w₁₀，

其中，为带隙谐振器工作在基频时的工作波长，c为真空中的光速，为带隙谐振器的有效介电常数， 为带隙谐振器的基频。

本实例取高阻抗线8的长度L₉=6.5mm、宽度w₉=0.2mm,低阻抗线9的长度L₁₀=2.8mm、宽度w₁₀=0.8mm，对应的谐振频率该高阻抗线8与低阻抗线9串联连接，变容二极管10的一端接在高阻抗线8的中心内缘，另一端通过接地孔12连接到金属接地板2上，两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁=2.2mm，用于实现窄带隙特性。

所述直流偏置电路11，由扼流电感111和直流偏置电压源112连接构成，其中，扼流电感111的一端与高阻抗线8的中心外缘相接，另一端与接直流偏置电压源112相接,直流偏置电压源112的另一端接地,为变容二极管10提供可变电压，通过改变直流偏置电压源112的电压大小，从而控制变容二极管10的容值，实现第一带隙连续可调。

本实施例的频率响应曲线如图4和5所示，由图4可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF,第一带隙的中心频率由5.1GHz变到5.8GHz，3dB带宽约为0.15GHz，传输系数S₂₁由15dB变到27dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，3dB带宽约为0.25GHz，传输系数S₂₁大于30dB；由图5可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF，第一带隙的中心频率由5.1GHz变到5.8GHz，反射系数S₁₁由5dB变到2dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，反射系数S₁₁大于1dB。

实施例2

本实例的结构与实施例1相同，与实施例1不同的参数值设计如下：

所述带隙谐振器7，位于多模谐振器3的下面，带隙谐振器7与多模谐振器3之间的缝隙宽度g₂＜0.5mm，该带隙谐振器7由两个对称的阶梯阻抗谐振器71和72以及变容二极管10组成，两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁满足：0＜L₁₁＜(L₁-2L₁₀)，每一个阶梯阻抗谐振器由高阻抗线8和低阻抗线9组成，且w₉＜L₉5，w₁₀＜L₉5，w₉＜w₁₀，

其中，为带隙谐振器工作在基频时的工作波长，c为真空中的光速，为带隙谐振器的有效介电常数， 为带隙谐振器的基频。

本实例取高阻抗线8的长度L₉=6.5mm、宽度w₉=0.3mm,低阻抗线9的长度L₁₀=2.7mm、宽度w₁₀=1.0mm，对应的谐振频率两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁=2.4mm，用于实现窄带隙特性。

本实施例的频率响应曲线如图6和7所示，由图6可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF,第一带隙的中心频率由5.0GHz变到5.7GHz，3dB带宽约为0.15GHz，传输系数S₂₁由14dB变到28dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，3dB带宽约为0.25GHz，插入损耗S₂₁大于31dB；由图7可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF，第一带隙的中心频率由5.1GHz变到5.8GHz，反射系数S₁₁由6dB变到3dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，反射系数S₁₁大于1dB。

实施例3

本实例的结构与实施例1相同，与实施例1不同的参数值设计如下：

所述带隙谐振器7，位于多模谐振器3的下面，带隙谐振器7与多模谐振器3之间的缝隙宽度g₂＜0.5mm，该带隙谐振器7由两个对称的阶梯阻抗谐振器71和72以及变容二极管10组成，两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁满足：0＜L₁₁＜(L₁-2L₁₀)，每一个阶梯阻抗谐振器由高阻抗线8和低阻抗线9组成，且w₉＜L₉/5，w₁₀＜L₉/5，w₉＜w₁₀，

其中，为带隙谐振器工作在基频时的工作波长，c为真空中的光速，为带隙谐振器的有效介电常数， 为带隙谐振器的基频。

本实例取高阻抗线8的长度L₉=6.5mm、宽度w₉=0.4mm,低阻抗线9的长度L₁₀=2.9mm、宽度w₁₀=1.1mm，对应的谐振频率两个阶梯阻抗谐振器71和72之间的距离L₁₁=2.1mm，用于实现窄带隙特性。

本实施例的频率响应曲线如图8和9所示，由图8可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF,第一带隙的中心频率由4.8GHz变到5.6GHz，3dB带宽约为0.15GHz，传输系数S₂₁由13dB变到26dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，3dB带宽约为0.25GHz，插入损耗S₂₁大于45dB；由图9可知：当偏置电压从0V变到15V时，变容二极管的容值由5.0pF变到0.8pF，第一带隙的中心频率由5.1GHz变到5.8GHz，反射系数S₁₁由7dB变到3dB，第二带隙中心频率为8.0GHz，反射系数S₁₁大于1dB。

综合上述三个实例可知：根据带隙谐振器7的尺寸不同，通过调节偏置电路的偏置电压，使第一带隙的中心频率连续变化，但带隙宽度保持不变，随着第一带隙的中心频率的升高，传输系数S₂₁增大；第二带隙的中心频率保持不变，反射系数S₁₁变化较小。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带隙可调微带超宽带滤波器，包括微带介质基板(1)，金属接地板(2)，多模谐振器(3)，一对输入输出交指微带馈线(4)和缺陷地(5)，其特征在于：

所述多模谐振器(3)，其中心加载有“T”形枝节(6)，以缩减滤波器尺寸；多模谐振器(3)的下面加载有带隙谐振器(7)，该带隙谐振器由两个对称的阶梯阻抗谐振器(71，72)以及变容二极管(10)组成；两个阶梯阻抗谐振器中心连接有一组共地的直流偏置电路(11)，通过调节直流偏置电路(11)的偏置电压控制变容二极管(10)的电容大小，实现第一带隙连续可调，第二带隙不变的双带隙超宽带滤波器特性；

所述缺陷地(5)，设置在金属接地版(2)上，其由一组刻蚀在金属接地版(2)上的长方形结构(51,52)组成，且位于第一交指微带线(41)的正下方，每一个长方形结构长度为L₈、宽度为w₈，且λ_g/4<L₈<λ_g/2，w₇<w₈<L₈，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率。

2.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，多模谐振器(3)由长度为L₁、宽度为w₁的第一微带线(31)和长度为L₂、宽度为w₂的第二微带线(32)组成，且L₁≈λ_g/2，L₂≈λ_g/4，w₁<L₁/5，w₂<L₁/5，w₂<w₁，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为该多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率。

3.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，多模谐振器(3)中心加载的“T”形枝节(6)由长度为L₃、宽度为w₃的第一枝节(61)，长度为L₄、宽度为w₄的第二枝节(62)和长度为L₅、宽度为w₅的第三枝节(63)组成，且L₃<λ′_g/4，L₄<λ′_g/4，L₅<λ′_g/8，w₃<L₃/10，w₄＝w₄，w₅<L₃/5，

其中，λ′_g为多模谐振器工作在第一偶模谐振频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε′_e为多模谐振器的有效介电常数，ε′_e＝2.3，f′₀为多模谐振器的第一偶模谐振频率。

4.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，一对输入输出交指微带馈线(4)由长度为L₆、宽度为w₆的第一交指微带线(41)和宽度为w₇的第二微带馈线(42)组成，且L₆≈λ_g/4，0<w₆<(w_50Ω-w₂)/2，0<w₇<w_50Ω，

其中，λ_g为多模谐振器工作在中心频率时的工作波长，c为真空中的光速，ε_e为多模谐振器的有效介电常数，ε_e≈2.1，f₀为多模谐振器的中心频率，w_50Ω为50欧姆微带线的宽度。

5.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，两个对称的阶梯阻抗谐振器(71,72)结构相同，每一个阶梯阻抗谐振器由长度为L₉、宽度为w₉的高阻抗线(8)和长度为L₁₀、宽度为w₁₀的低阻抗线(9)组成，且L₉<λ″_g/4，L₁₀<λ″_g/8，w₉<L₉/5，w₁₀<L₉/5，w₉<w₁₀，

其中，λ″_g为带隙谐振器工作在基频时的工作波长，c为真空中的光速，ε″_e为带隙谐振器的有效介电常数，ε″_e＝2.0，f″₀为带隙谐振器的基频。

6.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，两个阶梯阻抗谐振器(71，72)之间的距离L₁₁，按如下公式确定：

0<L₁₁<(L₁-2L₁₀)。

7.根据权利要求1所述的带隙可调微带超宽带滤波器，其特征在于，直流偏置电路(11)由扼流电感(111)和直流偏置电压源(112)相连构成。