CN103545582A - 一种超宽带uwb带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带UWB带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器级联构成，高通滤波器电路由并联支路的电感和串联支路的电感电容并联电路构成，低通滤波器电路由并联支路的电容和串联支路的电感电容并联电路构成；上述电路中各部分的实现方式如下：串联支路中的电感电容并联电路由缺陷地结构来实现，并联支路的电感由短路枝节（终端接地的高阻抗微带线）实现，并联支路的电容由低阻抗微带线段实现。本发明滤波器尺寸较小，结构简单，加工容易，方便与其它微波电路相连，适合在超宽带及其它通信系统中应用。

Description

一种超宽带UWB带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信领域的滤波器，特别是一种基于高低通滤波器级联方式实现的超宽带带通滤波器。

背景技术

2002年，美国联邦通信委员会颁布超宽带（UWB）相关通信规范，开始将超宽带推向商用，自此，对超宽带各项技术的研究进入一个高潮。滤波器作为通信系统中的关键器件之一，其性能好坏直接关系到通信系统的性能，很多研究人员提出了超宽带带通滤波器的设计方案，这些方案大都基于阶跃阻抗多模谐振腔方法，利用这种原理设计的超宽带带通滤波器具有尺寸小的优点，但也由很多缺点，如：对加工工艺要求高、高频阻带窄、通带到阻带的过渡较慢以及通带内插损较大等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带UWB带通滤波器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种超宽带UWB带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器级联而成；高通滤波器的电路结构为型电路，型电路的两端的并联支路元件分别为第一电感和第二电感，中间串联支路为第一电感电容并联谐振电路；低通滤波器为双型结构的电路，该电路自其中一个端口到另一个端口的连接顺序为：并联支路的第一电容、串联支路中的第二电感电容并联谐振电路、并联支路的第二电容、串联支路中的第三电感电容并联谐振电路、并联支路的第三电容。

一种超宽带UWB带通滤波器，第一微带金属导带、第二微带金属导带和第三微带金属导带位于介质板的正面，第一微带金属导带和第三微带金属导带的宽度一致，第一微带金属导带和第三微带金属导带为主传输线，第二微带金属导带串联在第一微带金属导带和第三微带金属导带中间；高通滤波器电路中并联支路的第一电感和第二电感由介质板正面的两个与主传输线并联的短路枝节实现；串联支路的三个电感电容并联谐振电路、和分别由介质板背面的第一缺陷地结构、第二缺陷地结构和第三缺陷地结构实现；并联支路中的第一电容、第二电容和第三电容由介质板正面的与主传输线串联的三段低阻抗微带线段实现。

第一缺陷地结构⑽由一个改进的哑铃形缺陷地结构DGS₁实现，该哑铃形缺陷地结构将传统哑铃形缺陷地结构连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形缝隙。高通滤波器电路中两个与主传输线并联的短路枝节之间的距离为2-8mm，两并联短路枝节位于介质板背面改进的哑铃形缺陷地结构的正上方，且关于哑铃形缺陷地对称。第二缺陷地结构由一个改进的哑铃形缺陷地结构DGS₂实现，该哑铃形缺陷地结构将传统哑铃形缺陷地结构连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形缝隙。第三缺陷地结构由一个传统的哑铃形缺陷地结构DGS₃实现。实现并联支路中的第一电容、第二电容和第三电容的三段串联的低阻抗微带线，位于第二缺陷地结构⑾和第三缺陷地结构的正上方。实现第一电容、第二电容和第三电容的三段低阻抗微带线宽度相同，长度根据这三个电容的大小，按照公式（1）进行计算

$C=\frac{{}_{0r}\mathrm{WL}}{h}---\left(1\right)$

其中C为电容大小，ε0为真空介电常数，εr为介质板的相对介电常数，W为微带线宽度，L为微带线长度，h为介质板的厚度。

所述短路枝节为终端通过通孔接地的第一高阻抗微带线和第二高阻抗微带线；第一高阻抗微带线和第二高阻抗微带线的一端接主传输线即第一微带金属导带，另一端分别通过第一金属通孔和第二金属通孔接介质板背面的金属地平面。

所述主传输线的特性阻抗为50Ω。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1.本发明提出的方案中，由于低通和高通滤波器的截止频率可单独控制，因此本发明也适用于除3.1-10.6GHz之外的其他频段的宽带滤波器的设计。

2.本发明提出的电路中的两个并联谐振电路L1C1和L2C2的谐振频率分别位于2GHz和12GHz左右，这两个传输零点分别位于超宽带要求的两个截止频率3.1GHz和10.6GHz的两侧，因此大大增加了超宽带滤波器的阻带陡峭度，并联谐振电路L1C1的谐振频率处在17-18GHz附近，使得滤波器的高频段的阻带超过20GHz。

3.本发明提出的超宽带带通滤波器的实现技术只使用介质基板正面的微带线、背面蚀刻的缺陷地和两个通孔，尺寸较小，结构简单，加工容易，这种平面结构方便与其它微波电路相连，因此适合在超宽带及其它通信系统中应用。

附图说明

图1所示的是本发明提出的超宽带带通滤波器的电路图。

图2所示的是由本发明提出的方法实现的超宽带带通滤波器的电路板正面结构图。

图3所示的是由本发明提出的方法实现的超宽带带通滤波器的电路板背面结构图。

图4所示的是由本发明提出的方法设计的超宽带带通滤波器的电路板侧视图。

图5所示的是由本发明提出的方法实现的超宽带带通滤波器的仿真和实测结果图。

具体实施方式

本发明是这样实现的，超宽带带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器级联构成，高低通滤波器的截止频率可单独控制，高通滤波器的截止频率为3.1GHz，低通滤波器的截止频率为10.6GHz，通过两者级联，实现3.1-10.6GHz的超宽带带通滤波器。超宽带UWB带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器级联构成，高通滤波器电路由并联支路的电感和串联支路的电感电容LC并联电路构成，低通滤波器电路由并联支路的电容和串联支路的电感电容LC并联电路构成；上述电路中各部分的实现方式如下：串联支路中的电感电容LC并联电路由缺陷地结构来实现，并联支路的电感由短路枝节终端接地的高阻抗微带线实现，并联支路的电容由低阻抗微带线段实现。

电路构成：高通滤波器的电路结构为型电路，型电路的两端的并联支路元件分别为电感L_p1和电感L_p2，中间串联支路为电感电容并联谐振电路(L₁C₁)；由基本的电路理论分析可知，该电感电容并联谐振电路将在通带外产生一个传输零点，从而增加阻带的衰减，改善通带和阻带过渡的陡峭性。低通滤波器为双型结构的电路，该电路自其中一个端口到另一个端口的连接顺序为：并联支路的电容C_p1、串联支路中的电感电容并联谐振电路(L₂C₂)、并联支路的电容C_p2、串联支路中的电感电容并联谐振电路(L₃C₃)、并联支路的电容C_p3；并联谐振电路L₂C₂和L₃C₃将在低通滤波器的阻带内带来两个传输零点，L₂C₂对应的谐振频率选择在12GHz附近，从而增加阻带过渡的陡峭性，L₃C₃对应的谐振频率选择在17-18GHz附近，从而拓宽滤波器的阻带，使其超过20GHz。

上述电路中各部分的实现方式如下：低通滤波器电路中的并联电感L_p1和电感L_p2，由介质基板正面的短路枝节终端接地的高阻抗微带线实现，串联支路中的电感电容并联谐振电路L₁C₁由一种改进的哑铃形缺陷地结构DGS₁实现，该改进的哑铃形缺陷地结构是将传统的哑铃形缺陷地结构中连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形或称交指形的缝隙实现的；高通滤波器电路中的电感电容并联谐振电路L₂C₂和L₃C₃分别用一个改进的哑铃形缺陷地DGS₂和一个传统的哑铃形缺陷地结构DGS₃实现，三个并联电容C_p1、C_p2和C_p3由介质基板正面的三段串联在一起的低阻抗微带线来实现，三段低阻抗微带线宽度相同，位于上述两个缺陷地DGS₂和DGS₃的正上方处，其中处于DGS₂和DGS₃之间的那段低阻抗微带线段对应电容C_p2，处于DGS₂和DGS₃两侧的两段低阻抗微带线分别对应电容C_p1和C_p3，调整三段微带线的长度即可调整三个电容大小，具体按照下述公式进行计算。

$C=\frac{{}_{0r}\mathrm{WL}}{h}---\left(1\right)$

其中C为电容大小，ε0为真空介电常数，εr为介质基板的相对介电常数，W为微带线宽度，L为微带线长度，h为介质基板的厚度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的超宽带带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器级联构成，电路如图1所示。低通滤波器电路中的并联电感L_p1和电感L_p2，由介质基板正面的短路枝节终端接地的高阻抗微带线实现，串联支路中的电感电容并联谐振电路L₁C₁由一种改进的哑铃形缺陷地结构DGS₁实现，该改进的哑铃形缺陷地结构是将传统的哑铃形缺陷地结构中连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形或称交指形的缝隙实现的；高通滤波器电路中的电感电容并联谐振电路L₂C₂和L₃C₃分别用一个改进的哑铃形缺陷地DGS₂和一个传统的哑铃形缺陷地结构DGS₃实现，三个并联电容C_p1、C_p2和C_p3由介质基板正面的三段串联在一起的低阻抗微带线来实现，三段低阻抗微带线宽度相同，位于上述两个缺陷地DGS₂和DGS₃的正上方处，其中处于DGS₂和DGS₃之间的那段低阻抗微带线段对应电容C_p2，处于DGS₂和DGS₃两侧的两段低阻抗微带线分别对应电容C_p1和C_p3，调整三段微带线的长度即可调整三个电容大小

实施例：结合图2、图3和图4，详细说明本发明的具体实施方式，其中电路基板为RO4003C板材，高度h为0.508mm。

⑴为RO4003C介质基板，⑵、⑶和⑷为介质基板⑴正面的微带金属导带，⑵和⑷的宽度一致，特性阻抗为50Ω，为主传输线；⑶串联在⑵和⑷中间，⑶的长度和宽度决定了电容C_p1、C_p2和C_p3的电容值大小；⑸和⑹为高阻抗微带线，线宽0.1-0.2mm，一端接50Ω的主传输线⑵，另一端分别通过金属通孔⑺和⑻接介质基板⑴背面的金属地平面⑼，其作用对应为图1中并联支路的电感L_p1和L_p2，调整微带线的长度即可改变电感的数值大小；⑽、⑾和⑿均为缺陷地结构，三者的作用分别对应于图1中串联支路的三个电感电容LC并联谐振电路：L₁C₁、L₂C₂和L₃C₃，其中⑽和⑾为改进的哑铃形缺陷地，与传统哑铃形缺陷地不同的是，该结构是将传统哑铃形缺陷地中间的直线形缝隙改为折叠线形或称交指形缝隙，这样可有效的增大缺陷地结构对应的等效电路电感电容并联谐振电路中电容C的大小，⑿为传统的哑铃形缺陷地。调整哑铃形缺陷地两端的矩形部分的尺寸可改变等效电路电感电容并联谐振电路中电感L的大小，调整哑铃形缺陷地中间的缝隙宽度和交指数可改变等效电路电感电容并联谐振电路中电容C的大小，故所需LC的数值可通过改变缺陷地的尺寸大小实现。

按照上述方式实现的超宽带带通滤波器的仿真结果及实测结果见图5，实测结果表明：滤波器低频段的阻带抑制大于20dB，高频段阻带超过20GHz，并且在大部分频段内S₂₁小于20dB。-3dB通带为3.17-10.65GHz，相对带宽FBW达到108%。通带内S₁₁小于-13dB，3.9-10GHz内插损小于0.9dB。测得的通带内群时延小于0.52ns，变化小于0.17ns，曲线非常平滑。说明滤波器具有良好的线性。测量结果与理论结果的差别主要是由于改进的哑铃形缺陷地的折叠线缝隙的加工误差引起。

Claims (10)

1.一种超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：由低通滤波器和高通滤波器级联而成；高通滤波器的电路结构为型电路，型电路的两端的并联支路元件分别为第一电感（L_p1）和第二电感（L_p2），中间串联支路为第一电感电容并联谐振电路(L₁C₁)；低通滤波器为双型结构的电路，该电路自其中一个端口到另一个端口的连接顺序为：并联支路的第一电容（C_p1）、串联支路中的第二电感电容并联谐振电路(L₂C₂)、并联支路的第二电容（C_p2）、串联支路中的第三电感电容并联谐振电路(L₃C₃)、并联支路的第三电容（C_p3）。

2.根据权利要求1所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：第一微带金属导带⑵、第二微带金属导带⑶和第三微带金属导带⑷位于介质板⑴的正面，第一微带金属导带⑵和第三微带金属导带⑷的宽度一致，第一微带金属导带⑵和第三微带金属导带⑷为主传输线，第二微带金属导带⑶串联在第一微带金属导带⑵和第三微带金属导带⑷中间；高通滤波器电路中并联支路的第一电感（L_p1）和第二电感（L_p2）由介质板⑴正面的两个与主传输线并联的短路枝节实现；串联支路的三个电感电容并联谐振电路(L₁C₁)、(L₂C₂)和(L₃C₃)分别由介质板⑴背面的第一缺陷地结构⑽、第二缺陷地结构⑾和第三缺陷地结构⑿实现；并联支路中的第一电容（C_p1）、第二电容（C_p2）和第三电容（C_p3）由介质板⑴正面的与主传输线串联的三段低阻抗微带线段实现。

3.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：第一缺陷地结构⑽由一个改进的哑铃形缺陷地结构（DGS₁）实现，该哑铃形缺陷地结构将传统哑铃形缺陷地结构连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形缝隙。

4.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：高通滤波器电路中两个与主传输线并联的短路枝节之间的距离为2-8mm，两并联短路枝节位于介质板⑴背面改进的哑铃形缺陷地结构的正上方，且关于哑铃形缺陷地对称。

5.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：第二缺陷地结构⑾由一个改进的哑铃形缺陷地结构（DGS₂）实现，该哑铃形缺陷地结构将传统哑铃形缺陷地结构连接两个挖空矩形的直线形缝隙改为折叠线形缝隙。

6.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：第三缺陷地结构(12)由一个传统的哑铃形缺陷地结构（DGS₃）实现。

7.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：实现并联支路中的第一电容（C_p1）、第二电容（C_p2）和第三电容（C_p3）的三段串联的低阻抗微带线，位于第二缺陷地结构(11)和第三缺陷地结构(12)的正上方。

8.根据权利要求书7所述的超宽带带通滤波器，其特征在于：实现第一电容（C_p1）、第二电容（C_p2）和第三电容（C_p3）的三段低阻抗微带线宽度相同，长度根据这三个电容的大小，按照公式（1）进行计算

$C=\frac{{}_{0r}\mathrm{WL}}{h}---\left(1\right)$

其中C为电容大小，ε0为真空介电常数，εr为介质板的相对介电常数，W为微带线宽度，L为微带线长度，h为介质板的厚度。

9.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：所述短路枝节为终端通过通孔接地的第一高阻抗微带线(5)和第二高阻抗微带线⑹；第一高阻抗微带线(5)和第二高阻抗微带线(6)的一端接主传输线即第一微带金属导带⑵，另一端分别通过第一金属通孔⑺和第二金属通孔(8)接介质板(1)背面的金属地平面⑼。

10.根据权利要求书1或2所述的超宽带UWB带通滤波器，其特征在于：所述主传输线的特性阻抗为50Ω。

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