CN103427139B - 一种超宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带带通滤波器，包括介质、传输线、两个接地电感、两个过孔、多个裂缝地单元和矩形缺陷地单元；其中传输线设置在介质上层的中间，一端连接输入端口，另一端连接输出端口；两个接地电感对称分布在传输线两侧并且分别与传输线的中点垂直相接，接地电感的另一端均连接一个过孔，过孔从介质上层垂直贯穿至介质下层；沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻多个裂缝地单元，且相邻裂缝地单元之间均蚀刻一个矩形缺陷地单元，各个裂缝地单元和矩形缺陷地单元均与传输线垂直；所述裂缝地单元是指在哑铃型缺陷地结构的两端各蚀刻一条缝隙，该缝隙与两端边界的中点垂直相接并一直延伸到介质的边沿。本发明滤波器性能高、成本低、体积小，应用前景广泛。

Description

一种超宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别是一种超宽带带通滤波器。

背景技术

自从2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz之间的频段解禁，学术界和工业界引起了一股超宽带(Ultra wideband,UWB)无线系统的研究热潮。UWB滤波器性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。移动通讯的迅速发展，对微波器件的电性能以及小型化、成本、稳定性等提出了越来越高的要求。为了在器件小型化、低成本的同时获得更好的性能。最近几年，人们提出了一些新技术来设计UWB滤波器。例如用高、低通滤波器级联形成UWB滤波器，可以取得比较好的边带抑制，但是这样做无疑大大增大了UWB滤波器的体积，不利于小型化。Ultra-Wideband(UWB)Bandpass Filters Using Multiple-Mode Resonator中ZHU Lei采用多模谐振（MMR）技术，取得了比较好的通带效果，但其上边带抑制只能到13GHz。A Novel UWB Bandpass FilterUsing Highpass And Lowpass Filters中Tang Wanchun等采用高低通级联，其面积高达4cm×3cm。Ultra-wideband bandpass filter using back-to-back microstrip-to-CPW transitionstructure中Wang H.提出了一种微带-共面波导（CPW）结构，并设计了UWB滤波器，尽管这种滤波器结构简单，在通带内有很好的频率性能，但其上边带抑制只能到13GHz。New Progress in the Development of Compact HighPerformance Microwave Ultra-Wideband(UWB)Filters中Chen Chun-Ping等利用Z变换技术实现宽带滤波器，利用并联两个的开路分支在上下阻带各产生一个零点，有很好的衰减效果，但其缺点是公式复杂，滤波器达到4cm，体积大且成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能高、成本低、体积小的超宽带带通滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种超宽带带通滤波器，包括介质板、传输线、两个接地电感、两个过孔、多个裂缝地单元和矩形缺陷地单元；其中传输线设置在介质板上层的中间，并且传输线一端连接输入端口，另一端连接输出端口；两个接地电感对称分布在传输线两侧并且分别与传输线的中点垂直相接，接地电感的另一端均连接一个过孔，过孔从介质上层垂直贯穿至介质下层；沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻多个裂缝地单元，且相邻的两个裂缝地单元之间均蚀刻一个矩形缺陷地单元，各个裂缝地单元和矩形缺陷地单元均与传输线垂直；所述裂缝地单元是指在哑铃型缺陷地结构的两端各蚀刻一条缝隙，该缝隙与哑铃型缺陷地结构两端边界的中点垂直相接并一直延伸到介质板的边沿。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）通带内损耗低，相对带宽大，超宽带，相对带宽110%，电性能一致性好；（2）高阻带抑制，通过裂缝地结构和矩形缺陷地结构使得阻带抑制频率范围大；（3）通过微波PCB版工艺即可制作，体积小重量轻，制造容易且成本低，可实现大批量生产。

附图说明

图1是本发明超宽带带通滤波器结构示意图。

图2是本发明超宽带带通滤波器的裂缝地单元结构示意图。

图3是本发明超宽带带通滤波器的传输线结构示意图。

图4是本发明超宽带带通滤波器的接地电感与过孔的结构示意图。

图5是本发明实施例1中超宽带带通滤波器的S参数图。

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，本发明超宽带带通滤波器，包括介质、传输线、两个接地电感、两个过孔、多个裂缝地(Split Ground Structure)单元和矩形缺陷地单元；其中传输线设置在介质上层的中间，并且传输线一端连接输入端口，另一端连接输出端口；两个接地电感对称分布在传输线两侧并且分别与传输线的中点垂直相接，接地电感的另一端均连接一个过孔，过孔从介质上层垂直贯穿至介质下层；沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻多个裂缝地单元，且相邻的两个裂缝地单元之间均蚀刻一个矩形缺陷地单元，各个裂缝地单元和矩形缺陷地单元均与传输线垂直；结合图2，所述裂缝地单元是指在哑铃型缺陷地结构的两端各蚀刻一条缝隙，该缝隙与哑铃型缺陷地结构两端边界的中点垂直相接并一直延伸到介质的边沿，形成裂缝地。

结合图3，所述传输线设有匹配线形成特性阻抗50欧姆的传输线；结合图4，所述过孔为方形孔或圆孔；所述裂缝地单元两端蚀刻的缝隙宽度为0.05mm～0.15mm。

所述裂缝地单元的数量为4，则矩形缺陷地单元的数量为3，具体结构如下：

沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻第一裂缝地单元、第一矩形缺陷地单元、第二裂缝地单元、第二矩形缺陷地单元、第三裂缝地单元、第三矩形缺陷地单元、第四裂缝地单元，其中第二矩形缺陷地单元位于介质下层中间，第一裂缝地单元与第四裂缝地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧，第二裂缝地单元与第三裂缝地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧；第一矩形缺陷地单元与第三矩形缺陷地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧。

本发明超宽带带通滤波器，其工作原理如下：本发明裂缝地单元结构是在原缺陷地结构的基础上加了一条缝隙，因此该裂缝地结构不仅具有原缺陷地具有低通特性以及阻带含有很深的零点，有效抑制了高频分量，而且由于加了一条缝隙，也能抑制直流至低频分量，由此可见裂缝地结构可以产生很宽的通带。因此当输入的宽频带微波信号经输入端口通过传输线到达第一裂缝地单元时，滤除了低频和高频分量（即通带3.1GHz-10.6GHz之外的频率分量），形成了很宽的通带，并且在通带右侧形成了零点，通过传输线到达第一矩形缺陷地单元时，高频信号分量被滤除了，并且在通带右侧形成了零点，同样通过传输线到达第二裂缝地单元时，滤除了低频和高频分量，同时在通带右侧形成了零点，通过传输线到达第二矩形缺陷地单元时，高频信号分量被滤除了，同时在通带右侧形成了零点，接着宽频微波信号通过传输线到达第三裂缝地单元时，滤除了低频和高频分量，同时在通带右侧形成了零点，通过传输线到达第三矩形缺陷地单元时，高频信号分量被滤除了，同时在通带右侧形成了零点，一方面，高频信号通过接地电感滤除了，有效抑制了谐波。最后通过传输线到达第四裂缝地单元时，滤除了低频和高频分量，同时在通带右侧形成了零点，最后信号到达输出端口。另这样宽频信号经过第一裂缝地单元，第一矩形缺陷地单元，第二裂缝地单元，第二矩形缺陷地单元，第三裂缝地单元，第三矩形缺陷地单元，第四裂缝地单元，抑制了低频和高频分量，产生了很宽的通带，而且高低端产生了很深的零点使得边带衰减非常陡峭，尤其抑制了高频谐波，产生了很宽的阻带。另外，由于腐蚀出裂缝地和缺陷地结构，使得传输线不再是50欧姆，本发明通过在传输线两侧加匹配线来实现50欧姆阻抗匹配，使得回波损耗非常小。

本发明超宽带带通滤波器采用微波印制电路板工艺实现，所以具有非常高的可靠性，并且成本较低。

实施例1

结合图1，本发明超宽带带通滤波器，上层50欧姆阻抗传输线（含阻抗匹配线），两个接地电感对称分布在传输线两侧，接地电感一端与传输线同侧一条边中点垂直相接，另一端均连接过孔，两个过孔对称并且从介质上层垂直贯穿至介质下层，下层第一裂缝地单元，第一矩形缺陷地单元，第二裂缝地单元，第二矩形缺陷地单元，第三裂缝地单元，第三矩形缺陷地单元，第四裂缝地单元均采用微波PCB版工艺实现，其中传输线采用特性阻抗50欧姆的传输线包括匹配线实现，接地电感采用细长传输线实现，过孔采用方形孔实现；第一裂缝地单元，第二裂缝地单元，第三裂缝地单元，第四裂缝地单元采用裂缝地结构实现；第一矩形缺陷地单元，第二矩形缺陷地单元，第三矩形缺陷地单元均采用缺陷地技术实现，具体参数如下：

（1）加工介质采用Rogers RO3210基板，体积10.4×10.4×0.673mm³，双面镀铜，加工精度±0.01mm。

（2）结合图2，裂缝地单元中a=1.2mm,b=1.6mm,g=0.7mm,w=0.8mm,s=0.1mm；

（3）结合图3，传输线长10.4mm，宽0.6mm，较宽处即含匹配线处为0.96mm；

（4）结合图4，接地电感长4mm，宽0.12mm，方形过孔边长0.3mm，高0.673mm，若过孔为圆柱，则半径0.25mm；

该结合图5，该超宽带带通滤波器的S参数图，包括正向传输系数S21、输入反射系数S11，滤波器带宽为3.1GHz～10.6GHz，仿真滤波器通带内插入损耗均小于0.5dB，回波损耗S21优于-20dB，两个边带各产生一个传输零点使得边带衰减非常陡峭，正向传输系数S21在低阻带抑制优于-25dB，高阻带抑制优于-39dB，上边带30dB阻带抑制达到18GHz，20dB阻带抑制达到20GHz，具有有优异的滤波器性能。

综上所述，本发明超宽带带通滤波器通带内损耗低，相对带宽大，超宽带，相对带宽110%，电性能一致性好；高阻带抑制，通过裂缝地结构和矩形缺陷地结构使得阻带抑制频率范围大；通过微波PCB版工艺即可制作，体积小重量轻，制造容易且成本低，可实现大批量生产，适用于超宽带通信系统、雷达系统和移动通信终端等无线通信手持和便携终端产品中系统中。

Claims (4)

1.一种超宽带带通滤波器，其特征在于，包括介质板、传输线、两个接地电感、两个过孔、多个裂缝地单元和矩形缺陷地单元；其中传输线设置在介质板上层的中间，并且传输线一端连接输入端口，另一端连接输出端口；两个接地电感对称分布在传输线两侧并且分别与传输线的中点垂直相接，接地电感的另一端均连接一个过孔，过孔从介质上层垂直贯穿至介质下层；沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻多个裂缝地单元，且相邻的两个裂缝地单元之间均蚀刻一个矩形缺陷地单元，各个裂缝地单元和矩形缺陷地单元均与传输线垂直；所述裂缝地单元是指在哑铃型缺陷地结构的两端各蚀刻一条缝隙，该缝隙与哑铃型缺陷地结构两端边界的中点垂直相接并一直延伸到介质板的边沿，通过在传输线两侧加匹配线来实现50欧姆阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述过孔为方形孔或圆孔。

3.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述裂缝地单元两端蚀刻的缝隙宽度为0.05mm～0.15mm。

4.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述裂缝地单元的数量为4，则矩形缺陷地单元的数量为3，具体结构如下：

沿着传输线方向在介质下层依次蚀刻第一裂缝地单元、第一矩形缺陷地单元、第二裂缝地单元、第二矩形缺陷地单元、第三裂缝地单元、第三矩形缺陷地单元、第四裂缝地单元，其中第二矩形缺陷地单元位于介质下层中间，第一裂缝地单元与第四裂缝地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧，第二裂缝地单元与第三裂缝地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧；第一矩形缺陷地单元与第三矩形缺陷地单元对称分布于第二矩形缺陷地单元两侧。