CN103700909A - 一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带(uwb)滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型贴片的拓扑结构,即一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器,属于微波通信领域。该滤波器包括:一个在阶梯阻抗谐振器上中心加载的一个折叠阶梯阻抗枝节，该枝节能产生一对带外传输零点，使滤波器具有较好的带外抑制特性；一对输入、输出端口，位于新型折叠多模谐振器结构的两侧；交指耦合,将输入、输出端口与谐振器相连，谐振器内部开的一个小槽，用来微调新型超宽带滤波器的杂散谐振频率；地板上刻蚀的一个缺陷地（DGS）结构，为了增强输入、输出端口与谐振器之间的耦合。本发明提供了一种新型贴片的拓扑结构，该结构紧凑，性能良好，优于绝大多数其他外形的超宽带滤波器。

Description

一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器

技术领域

本发明涉及到微波通信领域，具体是涉及一种新型超宽带(UWB)滤波器。

背景技术

超宽带(UWB)技术具有频带宽、功耗低、传输速度快、隐蔽性好以及多径分辨能力强、系统容量大和高精度的距离分辨力等优点，在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像和武器控制等众多领域有着广阔的应用前景，使得超宽带（UWB）技术受到了广泛的关注，2002年美国联邦通讯委员会(FCC)批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用，更加促进了超宽带技术的研究和发展。

就频带范围而言，超宽带不同于传统的窄带和宽带，它的频率范围为相对带宽大于25%，而传统的窄带为相对带宽小于1%，相对带宽在1%～25%之间的则称为宽带。不过美国FCC对超宽带系统重新作了定义，将其修改为相对带宽大于20%或者-10dB处的总频带宽度大于500MHz的系统。此外，FCC还对UWB通信系统进行了分类以及详细的发射功率限制。

根据FCC的要求UWB通信系统主要分为以下几类：(1)成像系统(ImagingSystems)，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统以及医疗成像系统；(2)车载雷达系统(Vehicular Radar Systems)；(3)室内超宽带系统(Indoor UWB Systems)；(4)手持式超宽带系统(Hand held UWBSystems)。按照FCC的规定，3.1GHz～10.6GHz为Indoor UWB系统和Handheld UWB系统使用的频带范围，而22GHz至29GHz之间的7GHz的频带为车载雷达系统的工作频带。目前，学术界和工业界普遍比较关注的是3.1GHz～10.6GHz的Indoor UWB系统在商业上的应用价值。本项目研究的超宽带滤波器通带就集中在这一频段。

作为通信系统中不可或缺的器件之一，滤波器是无线电技术中许多设计问题的关键。滤波器既可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。因此，微波滤波器是雷达系统、通信系统、测量系统等系统中最常见的元器件之一，其性能的优劣往往直接影响到整个通信系统的质量。同时微波滤波器也是最为重要、技术含量最高的微波无源器件。它的性能好坏对于系统的整体性能起着非常重要的作用。

目前设计超宽带滤波器的主要方法有：

（1）多模谐振器结构

（2）奇偶模谐振器

（3）开口环谐振器

小型化、低插入损耗和高带外抑制是超宽带带通滤波器设计所关注的重点。基于多模谐振器结构的超宽带滤波器，其尺寸小，过渡带窄，插入损耗小，通带效果好，能很好的满足要求；因此本发明是采用多模谐振器结构设计的一种性能良好的超宽带滤波器。

发明内容

本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的贴片型超宽带滤波器。

本发明提出一种新型超宽带滤波器的拓扑结构。由于对于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，而只能采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。

我们采用HFSS13.0对提出的拓扑结构进行优化，将优化的结构制成样品，对样品进行测试，用实验的方法来证实该滤波器的拓扑结构。

本发明一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带滤波器采用介电常数ε_r=2.65,介质厚度h=1mm的材质进行仿真优化。确定其整体尺寸为27.2mm*12mm，各参数尺寸大小（单位/mm）为：w₀=2.8，a₁=5，l₁=7.5，l₂=7.5，w₁=0.4，w₂=0.2，d=0.2，a₂=1.8，b₁=0.6，w₃=0.2，w₄=0.2，l₃=9.7，a₃=0.6，a₄=1.1，w₅=0.2。

滤波器的各尺寸具体说明如下：

1.一个对称的折叠多模谐振器的结构，其中与输入、输出端口进行耦合的耦合线长度为7.5mm，宽度为0.2mm，中心的矩形谐振腔长度为1.8mm，宽度为0.6mm，中心加载的折叠多模谐振器由长为9.7mm，宽为0.2mm的枝节和以0.6mm、1.1mm折叠的宽为0.2mm的折叠枝节构成；

2.一对对称的输入、输出端口，宽为2.8mm,馈线长度为5mm，与折叠多模谐振器耦合的耦合线长度为7.5mm，宽度为0.4mm；

3.输入、输出端口与折叠多模谐振器结构之间采用了交指耦合方式，输入、输出端口与折叠多模谐振器结构之间的间距为0.2mm，其耦合长度为（7.5-0.2）mm，即7.3mm；

4.谐振器里面开的一个小槽，其长度为(1.8-2*0.2)mm，即1.4mm，宽度为0.2mm；

5.地板上刻蚀的缺陷地（DGS）结构，其尺寸为7.5mm×1.4mm。

通过公式

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}(1+\frac{10h}{w})---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\frac{c}{f}---\left(2\right)$

其中ε_r为所采用微带基片的介电常数，h为所采用微带基片的介质厚度，w为滤波器输入、输出端口的宽度，λ为波长，c为光速，f为中心频率；对于介电常数ε_r=2.65，介质厚度h=1mm时，w=2.8mm，通过简单的计算，可以转化成其它介电常数和介质厚度下的不同尺寸，例如与介电常数ε_r=2.65，介质厚度h=1mm进行换算时，只需相应的乘以或者除以

其中ε_e1、ε_e2分别为对应计算出来的ε_e

在本发明的具体实施例子中，所述多模谐振器结构和馈线材质均为铜箔。

2005年，Zhu L.等人首先提出了将一个三模阶梯阻抗谐振器（SIR）结构用于超宽带滤波器的设计，这种基于多模谐振器结构设计的超宽带滤波器，结构简单且通带特性良好。此后大量学者对基于多模谐振器结构的超宽带滤波器进行了扩展性的研究，设计了许多改进的多模谐振器结构超宽带滤波器。

从现有文献来看,已经研究的超宽带滤波器的模型主要包括:圆形、方形、圆环形、方环形、三角形等。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型超宽带滤波器拓扑结构，即在阶梯阻抗谐振器上中心加载一个折叠阶梯阻抗枝节；在滤波器的外形（拓扑结构）上不同于现有文献模型（圆形、方形、圆环形、方环形、三角形等），对所加工处的实物进行测量表明：所发明的滤波器整体性能较好，滤波器的中心频率为6.85Hz，通带为3.0～10.7GHz，实现了相对带宽112%；通带内回波损耗为13dB，下阻带从0～2.8GHz，插入损耗均在20dB以下，上阻带从11～15GHz，插入损耗均在20dB以下，其性能优于绝大多数其他外形的超宽带滤波器。

附图说明

图1是新型超宽带(UWB)滤波器正面示意图，其中1所指的是一个对称的折叠多模谐振器的结构，它主要包括一个阶梯阻抗谐振器和中心加载的一个折叠阶梯阻抗枝节，2所指的是一对对称的输入、输出以及与多模谐振器的耦合线，3所指的是输入、输出耦合与折叠多模谐振器结构之间采用的交指耦合，4所指的是谐振器里面开的一个小槽；

图2是新型超宽带(UWB)滤波器背面示意图，其中5所指的是地板上刻蚀的一对对称的缺陷地（DGS）结构；

图3是新型超宽带(UWB)滤波器实物正面示意图以及各参数，其中w₀是指输入、输出端口的宽度，a_l是指馈线的长度，l₁是指折叠多模谐振器与输入、输出端口之间的耦合线长度，l₂是指输入、输出端口与折叠多模谐振器之间的耦合线长度，w₁是指输入、输出端口与折叠多模谐振器之间的耦合线的宽度，w₂是指折叠多模谐振器与输入、输出端口之间的耦合线宽度，d是指输入、输出端口与折叠多模谐振器之间耦合的距离，a₂是指中心谐振器的长度，b₁是指中心谐振器的宽度，w₃是指开槽后中心谐振器里面与外面的间距，w₄是指加载枝节的宽度，l₃是指加载枝节的长度，a₃是指折叠枝节的横向长度，a₄是指折叠枝节的纵向长度，w₅是指折叠枝节的宽度；

图4是新型超宽带(UWB)实物滤波器背面示意图，其中黑色部分是指地板铜层，白色部分是指地板刻蚀的一对缺陷地结构，其尺寸为7.5mm×1.4mm；

图5是新型超宽带(UWB)滤波器的S曲线；

图6是超宽带带通滤波器研究与设计（范立）-基于多模谐振器的超宽带滤波器结构示意图；

图7是超宽带带通滤波器研究与设计（范立）-基于多模谐振器的超宽带滤波器S曲线；

图8是新型超宽带(UWB)滤波器不同l（输入、输出端口与折叠多模谐振器之间的耦合线长度）(l=l₁=l₂)下的S₂₁曲线；

图9是新型超宽带(UWB)滤波器不同l₃（加载枝节长度）下的S₂₁曲线；

图10是新型超宽带(UWB)滤波器不同a₃（折叠枝节横向长度）下的S₂₁曲线；

图11是新型超宽带(UWB)滤波器不同a₄（折叠枝节纵向长度）下的S₂₁曲线；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图说明，对本发明做进一步阐述。

该滤波器包括：1.一个对称的折叠多模谐振器的结构；2.一对对称的输入、输出耦合以及与多模谐振器耦合的耦合线；3.输入、输出耦合与折叠多模谐振器结构之间采用了交指耦合；4.谐振器里面开的一个小槽；5.地板上刻蚀的缺陷地（DGS）结构。

由于基于多模谐振器的超宽带滤波器的设计已经相当成熟，通过文献[1]里面对折叠结构的介绍和分析，本发明将该折叠结构改进后运用到超宽带滤波器的设计，通过仿真优化，设计出一种性能良好的超宽带滤波器。图3、图4分别为本发明一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器结构正面和反面示意图；图6为范立设计的基于多模谐振器的超宽带滤波器结构示意图；从图5、图7可以看出，本发明一种基于折叠多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器的性能优于该类似结构的超宽带滤波器。

图8为新型超宽带(UWB)滤波器在其它参数不变的情况下输入、输出端口与折叠多模谐振器之间不同耦合长度下的Sz曲线，可以看出耦合长度为7.5mm时，S₂₁曲线较为良好，通带为3～10.7GHz；耦合长度为6mm时，S₂₁曲线左端传输零点的位置基本不变，右端传输零点右移，带宽增大，同时通带左端出现凹陷；耦合长度为9mm时，S₂₁曲线左端传输零点的位置基本不变，右端传输零点左移，带宽减小，同时通带右端出现凹陷。因此，l主要影响滤波器的带宽以及通带内的耦合。

图9为新型超宽带(UWB)滤波器在其它参数不变的情况下不同加载枝节长度下的S₂₁曲线，可以看出加载枝节长度为9.7mm时，S₂₁曲线较为良好，通带为3～10.7GHz；加载枝节长度为7.7mm时，S₂₁曲线整体右移，且通带右端出现凹陷；加载枝节长度为11.7mm时，S₂₁曲线整体左移，且通带左端出现凹陷。因此，l₃主要影响滤波器通带的位置以及通带内的耦合。

图10为新型超宽带(UWB)滤波器在其它参数不变的情况下不同折叠枝节横向长度下的S₂₁曲线，看出折叠枝节横向长度为0.6mm时，S₂₁曲线较为良好，通带为3～10.7GHz；折叠枝节横向长度为0.5mm时，S₂₁曲线整体右移；折叠枝节横向长度为0.7mm时，S₂₁曲线整体左移；图11为新型超宽带(UWB)滤波器在其它参数不变的情况下不同折叠枝节纵向长度下的S₂₁曲线，可以看出折叠枝节纵向长度为1.1mm时，S₂₁曲线较为良好，通带为3～10.7GHz；折叠枝节纵向长度为0.6mm时，S₂₁曲线整体右移；折叠枝节纵向长度为1.6mm时，S₂₁曲线整体左移。因此，折叠枝节横向、纵向长度主要影响滤波器通带的位置。

本发明的主要创新点是将折叠结构运用到基于多模谐振器结构的超宽带滤波器的设计中，设计出一种性能良好的超宽带滤波器。

以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

参考文献

1.Hsu,K.-W;Chien,C.-H;Tu,W.-H.Compact dual-wideband band-pass filterusing asymmetrical resonator[J].IEEE Electronics Letters,2013,page(s):123-124.

Claims (2)

1.一种基于折叠多模谐振器结构的超宽带滤波器，介电常数ε_r=2.65，介质厚度h=1mm，所述超宽带滤波器有一对对称的输入、输出端口，端口宽为2.8mm，馈线长度为5mm，其特征在于：

所述超宽带滤波器设置一个对称的折叠多模谐振器，其中与所述输入、输出端口进行耦合的耦合线长度为7.5mm，宽度为0.2mm，中心的矩形谐振器长度为1.8mm，宽度为0.6mm，中心加载的所述折叠多模谐振器由长为9.7mm，宽为0.2mm的枝节和以0.6mm、1.1mm折叠的宽为0.2mm的折叠枝节构成；

所述超宽带滤波器的所述输入、输出端口与所述折叠多模谐振器之间采用了交指耦合方式，与所述折叠多模谐振器耦合的耦合线长度为7.5mm，宽度为0.4mm；所述输入、输出端口分别在所述折叠多模谐振器的两侧，它们与所述折叠多模谐振器之间的间距为0.2mm，其耦合长度为7.3mm；

所述折叠多模谐振器里面开了一个小槽，所述小槽的长度为1.4mm，宽度为0.2mm；

所述超宽带滤波器的地板上刻蚀了一对对称的缺陷地结构，其尺寸都为7.5mm×1.4mm；所述折叠多模谐振器的贴片和馈线材质均为铜箔。

2.根据权利要求1所述的一种基于折叠多模谐振器结构的超宽带滤波器，其特征在于：对于其他的介电常数ε_r和介质厚度h，

通过公式

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}(1+\frac{10h}{w})---\left(1\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\frac{c}{f}---\left(2\right)$

其中错误！未找到引用源。为所采用微带基片的介电常数，h为所采用微带基片的介质厚度，w为滤波器输入、输出端口的宽度，λ为波长，c为光速，f为中心频率；可以转换成其他不同介电常数和介质厚度下的尺寸。

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