CN104103879B - 带陷波功能的超宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带陷波功能的超宽带滤波器，包括环形谐振器，在环形谐振器外圆两边分别沿直径对称设置有两条微带线，每边的两条微带线平行耦合，所有四条微带线结构尺寸一致，在每边的两条微带线之间分别伸进一条馈线，在每条馈线内分别嵌入一条开路枝节，两条开路枝节的方向分别从各自馈线端口向环形谐振器的方向延伸。本发明的超宽带陷波滤波器，在实际应用时，根据不同的通信场合和应用需要，通过对环形谐振器、交指梳状微带线、馈线及内嵌的开路枝节各个尺寸参数的搭配选择，实现调整超宽带滤波器的陷波频率，来满足不同的应用需求。

Description

带陷波功能的超宽带滤波器

技术领域

本发明属于微波微带滤波器技术领域，由微带线制作并工作在超宽带频段下的具有陷波功能的滤波器，涉及一种带陷波功能的超宽带滤波器。

背景技术

超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术是近年来新兴的一种无线通信技术，自2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1GHz～10.6GHz的频段批准用于商业通信以来，超宽带通信技术受到了越来越多的重视，随着超宽带无线通信技术的迅猛发展，对超宽带无线通信电子设备提出了更高的要求，高可靠性、小型化己经成为超宽带无线通信系统发展的必然趋势，这就要求电路在满足电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间。滤波器在超宽带无线通信系统中扮演着重要的角色，它起着选择信号的重要作用，是超宽带无线通信系统中必不可少的重要元件，它的工作性能好坏直接影响到超宽带无线通信系统的整体工作性能，它的尺寸大小也直接影响到超宽带无线通信系统的大小。

但是，在整个UWB频段范围内，由于已经存在其它各种窄带无线通信信号，例如全球微波互联网络(WiMAX，3.3GHz-3.6GHz)，卫星C波段(3.7GHz-4.2GHz)和无限局域网(WLAN，5.15GHz～5.35GHz，5.725GHz～5.825GHz)系统。而这些无线通信信号会严重干扰UWB系统，为了抑制不同系统之问的相互干扰，保证UWB系统正常工作，迫切需要一种具有陷波特性的UWB带通滤波器。

虽然滤波器的发展历史悠久，但是对于带陷波功能的超宽带滤波器的研究属于最近才兴起的新兴课题，尤其是近几年来，随着超宽带系统的商业化快速发展，使得超宽带陷波滤波器己逐步进入市场化阶段。在欧美等国家，许多专家学者对于带陷波功能的滤波器都有所研究，到目前为止，己经提出了很多新型的带陷波功能的超宽带滤波器结构。由于微带线滤波器具有小尺寸，易于加工，便于集成的特点，而且还能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内应用，因此国外很多超宽带陷波滤波器的研究报告都是以平面微带结构为基础的。英国的洪佳升教授于2007年提出一种用于产生陷波的微带耦合线结构，通过在两个外部耦合线上加载不对称枝节在超宽带频段中引入陷波。印度学者RowdraGhatak于2011年提出一种带陷波功能的超宽带滤波器，通过级联一个高通滤波器和低通滤波器构成超宽带滤波器，再通过将一个阶梯阻抗谐振器结构耦合在高通滤波器部分产生陷波。2012年，中国学者魏峰提出了一种带三个陷波频段的超宽带滤波器，通过一个耦合的三模阶梯阻抗谐振器引入三个陷波频率。2013年，李佳林教授提出了一种将E型谐振器耦合在超宽带滤波器主传输线上的方法来产生陷波频段。

但是，上述的这些带陷波功能的超宽带滤波器都存在有共同的不足，就是需要通过引入外部电路的耦合或加载来产生陷波，这样会大大增加滤波器的尺寸，因此，带陷波功能的超宽带滤波器的设计还有很大的研究空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带陷波功能的超宽带滤波器，解决了现有技术中的超宽带滤波器需要通过引入外部电路的耦合或加载来产生陷波，使得滤波器的尺寸大大增加的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种带陷波功能的超宽带滤波器，包括环形谐振器，在环形谐振器外圆两边分别沿直径对称设置有两条微带线，每边的两条微带线平行耦合，所有四条微带线结构尺寸一致，在每边的两条微带线之间分别伸进一条馈线，在每条馈线内分别嵌入一条开路枝节，两条开路枝节的方向分别从各自馈线端口向环形谐振器的方向延伸。

本发明的带陷波功能的超宽带滤波器，其特征还在于，

两个开路枝节为左开路枝节和右开路枝节，其中左开路枝节的长度为8GHz处介质波长的四分之一，右开路枝节的长度为11.2GHz处介质波长的四分之一。

各个部件的尺寸分别是：

环形谐振器的外半径R1为3±0.2mm，内半径R2为1.5±0.2mm；

四条微带线的长度l1为7.6±0.2mm、宽度W4为0.3±0.1mm；

馈线的长度l3为7.5±0.2mm、宽度W1为0.8±0.2mm；

馈线与微带线17的间距W2均为0.2±0.1mm，馈线端口长度l5为2.2±0.2mm，宽度W6为2.832±0.2mm；

左开路枝节长度l2为7±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm；

右开路枝节长度l4为4.9±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm。

本发明的有益效果是，通过在馈电部分内嵌开路枝节即可在超宽带频段引入陷波特性，不用增加额外的陷波电路，大大减少了电路尺寸。通过调节两个开路枝节的长度，可灵活调节陷波频率和高频带外零点。在有效地滤除各种超宽带频带外的无用信号及噪声信号的同时，还能利用陷波特性灵活抑制不同系统间的相互干扰，保证超宽带系统的正常工作，在应用的通信系统中，陷波频率在8GHz，可将卫星通信的干扰频率从超宽带频段中滤除，同时高频带外零点可调，可大大改进通带选择性，应用场合更加灵活多样，发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明带陷波功能的超宽带滤波器的正面结构示意图；

图2是图1中的左侧部分结构放大示意图；

图3是图1中的右侧部分结构放大示意图；

图4是本发明带陷波功能超宽带滤波器实施例的安装结构示意图；

图5是本发明滤波器响应曲线随馈线内嵌开路枝节长度的变化曲线；

图6是本发明带陷波功能超宽带滤波器的频率响应特性曲线。

图中，1.超宽带天线，2.放大器一，3.放大器二，4.超宽带陷波滤波器一，5.下变频电路，6.超宽带陷波滤波器二，7.放大器三，8.参考晶振，9.频率合成器，10.AGC模块，11.A/D转换器，12.微处理器，13.相关通道，14.存储器，15.左开路枝节，16.环形谐振器，17.微带线，18.馈线，19.右开路枝节，20.馈线端口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的带陷波功能的超宽带滤波器(以下简称超宽带陷波滤波器)结构是，包括环形谐振器16，在环形谐振器16外圆两边分别沿直径对称固定设置有两条交指梳状的微带线17，每边的两条微带线17平行耦合，所有四条微带线17结构尺寸一致，在每边的两条微带线17之间分别伸进一条馈线18，用于增强馈线与微带线的耦合，在每条馈线18内分别嵌入一条四分之一波长(即陷波频率处波长的四分之一)的开路枝节(即左开路枝节15和右开路枝节19)，两个开路枝节的方向均从各自所在的馈线端口20向环形谐振器16的方向延伸。两条开路枝节(左开路枝节15和右开路枝节19)的长度可以不同，以产生不同的陷波频率或带外零点，在多场合灵活应用，抑制不同系统间的相互干扰，并可提高通带的频率选择性能。

每边的微带线17、馈线18、左开路枝节15及右开路枝节19一体称为交指梳状馈电结构。

滤波器的通频带达到超宽带系统的要求，并且能在8GHz处产生陷波，在11.2GHz处产生带外零点，在超宽带系统的应用中滤除卫星通信的干扰频率，并能增加频带选择性。左开路枝节15的长度为8GHz处介质波长的四分之一，右开路枝节19的长度为11.2GHz处介质波长的四分之一。

本发明主要通过馈线18内嵌的开路枝节(15和19)的特性决定了超宽带滤波器的陷波特性。超宽带陷波滤波器采用合理的结构参数，使滤波器能够工作在很宽的频率范围内，从而减少了机械加工的精度对滤波器性能的影响。

参照图2和图3，超宽带陷波滤波器的尺寸参数范围是：

环形谐振器16的外半径R1为3±0.2mm，内半径R2为1.5±0.2mm；四条交指梳状微带线17的长度l1为7.6±0.2mm、宽度W4为0.3±0.1mm；馈线18的长度l3为7.5±0.2mm、宽度W1为0.8±0.2mm；馈线18与四条交指梳状微带线17的间距W2均为0.2±0.1mm，馈线端口20长度l5为2.2±0.2mm，宽度W6为2.832±0.2mm，输入馈线内嵌的左开路枝节15长度l2为7±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm，输出馈线内嵌的右开路枝节19长度l4为4.9±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm。

超宽带陷波滤波器的通频带由环形谐振器16和交指梳状馈电结构的尺寸确定，能够达到超宽带系统要求的频带范围。当超宽带带通滤波器确定后，便可通过在馈电部分内嵌的开路枝节的尺寸确定陷波频率的范围，并且陷波频率可调。

超宽带陷波滤波器在实际应用时，根据不同的通信场合和应用需要，通过对环形谐振器16、交指梳状微带线17、馈线18及内嵌的开路枝节(15和19)各个尺寸参数的搭配选择，实现调整超宽带滤波器的陷波频率，来满足不同的应用需求。

实施例

参照图4，将本发明带陷波功能的超宽带滤波器应用于超宽带通信系统接收机中，接收机的主体结构是，包括超宽带天线1，超宽带天线1依次通过(超宽带低噪声)放大器一2、放大器二3、超宽带陷波滤波器一4、下变频电路5、超宽带陷波滤波器二6、放大器三7、A/D转换11与相关通道13连接；另外，参考晶振8通过频率合成器9与下变频电路5(另一输入端)连接，放大器三7另外连接有AGC模块10；相关通道13还与微处理器12和存储器14同时互相连接，微处理器12和存储器14互相连接。

上述的超宽带天线1和(超宽带低噪声)放大器一2一起构成天线单元；

上述的放大器二3、超宽带陷波滤波器一4、下变频电路5、超宽带陷波滤波器二6、放大器三7、参考晶振8、频率合成器9和AGC模块10一起构成下变频电路单元；

上述的A/D转换11、微处理器12、相关通道13和存储器14一起构成基带信号处理单元。

超宽带陷波滤波器一4和超宽带陷波滤波器二6的结构一致。

放大器一2选用如Herotek公司的腔体LNA模块AF00118253A(放大器二3和放大器三7也可以是该型号。)

下变频电路5选用Ettusresearch公司的RFX1200子板。

基带信号处理单元选用Ettusresearch公司的通用软件无线电平台USRP1。

上述的这些电路模块或单元都是系统电路，根据不同的应用需求，还可以选用其他相关的具体型号进行组合设计。

本实施例中的两个超宽带陷波滤波器的具体参数设置是：环形谐振器16的外半径R1为3mm，内半径R2为1.5mm；四条交指梳状微带线17的长度l1为7.6mm、宽度W4为0.3mm；馈线18的长度l3为7.5mm、宽度W1为0.8mm；馈线18与四条交指梳状微带线17的间距W2均为0.2mm，馈线端口20长度l5为2.2mm，宽度W6为2.832mm，输入馈线内嵌的左开路枝节15长度l2为7mm，宽度W5为0.2mm，输出馈线内嵌的右开路枝节19长度l4为4.9mm，宽度W5为0.2mm，输入输出信号通过同轴输入线与馈线相连，超宽带陷波滤波器的通频带为4.2GHz～10.2GHz，陷波频率为8GHz，可将卫星通信的频段滤除，消除卫星通信系统对超宽带系统的干扰。

在系统工作时，首先超宽带天线1接收微弱的电信号，经由放大器一2放大信号功率到需求水平后送入超宽带陷波滤波器一4，滤除卫星信号的干扰频率后进入下变频电路5，降低各通信频道间的信号干扰，同时，参考晶振8(TCXO)的信号也通过频率合成器9进入下变频电路5；再根据不同的应用需要选择下变频电路5将超宽带信号下变频到中频频率，再次经过超宽带陷波滤波器二6后经过放大器三7的自循环回路最后送入后级的基带信号处理单元，基带信号处理单元完成基带信号的处理工作。

参照图5，是本发明实施例带陷波功能的超宽带滤波器响应曲线随馈线内嵌开路枝节长度的变化曲线(长度的变化在图5中就是l4的长度变化，S21为滤波器的插入损耗，S11为滤波器的反射系数)，由图5可见，带陷波功能的超宽带滤波器的陷波频率随开路枝节长度的减小而增加，高频带外零点的位置随开路枝节长度的增加而向低频移动。

参照图6，是本发明实施例带陷波功能的超宽带滤波器的频率响应特性曲线，由图6可见，通带频率从4.2GHz到10.2GHz，陷波频率在8GHz，通带内差损为0.1dB，陷波频率处差损为-15dB，带外差损小于-45dB。说明滤波器的通频带达到超宽带系统的要求，并且可以在8GHz处产生陷波，在超宽带系统应用中可滤除卫星通信的频率干扰。

Claims (3)

1.一种带陷波功能的超宽带滤波器，其特征在于：包括环形谐振器(16)，在环形谐振器(16)外圆两边分别沿直径对称设置有两条微带线(17)，每边的两条微带线(17)平行耦合，所有四条微带线(17)结构尺寸一致，在每边的两条微带线(17)之间分别伸进一条馈线(18)，在每条馈线(18)内分别嵌入一条开路枝节，两条开路枝节的方向分别从各自馈线端口(20)向环形谐振器(16)的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的带陷波功能的超宽带滤波器，其特征在于：所述的两条开路枝节为左开路枝节(15)和右开路枝节(19)，其中左开路枝节(15)的长度为8GHz处介质波长的四分之一，右开路枝节(19)的长度为11.2GHz处介质波长的四分之一。

3.根据权利要求1所述的带陷波功能的超宽带滤波器，其特征在于：所述的各个部件的尺寸分别是：

环形谐振器(16)的外半径R1为3±0.2mm，内半径R2为1.5±0.2mm；

四条微带线(17)的长度l1为7.6±0.2mm、宽度W4为0.3±0.1mm；

馈线(18)的长度l3为7.5±0.2mm、宽度W1为0.8±0.2mm；

馈线(18)与微带线(17)的间距W2均为0.2±0.1mm；

馈线端口(20)长度l5为2.2±0.2mm，宽度W6为2.832±0.2mm；

左开路枝节(15)长度l2为7±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm；

右开路枝节(19)长度l4为4.9±0.2mm，宽度W5为0.2±0.1mm。