CN104157935A - 一种具有可迭加陷波特性的微带超宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可迭加陷波特性的微带超宽带带通滤波器。微带结构包括金属上覆层、介质基片和金属下覆层，在金属上覆层分别刻蚀输入馈线、输出馈线、平行耦合三线结构和n+1(n为自然数，且n＝1，2，…，8)个可级联的T型结构(T₀，T₁，…，T_n)。其中输入馈线和输出馈线分别与平行耦合三线结构相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构相连接；然后，第k+1级T型结构T_k与第k级T型结构T_k-1相连接(其中，k＝1,…,n)。在金属下覆层刻蚀一个位于平行耦合三线结构下方的矩形缺陷地结构。该滤波器能覆盖超宽带频率范围，可以在指定的频率处形成n个陷波，具有尺寸紧凑和性能优良等优点。

Description

一种具有可迭加陷波特性的微带超宽带带通滤波器

技术领域

本发明属于超宽带通信技术领域，具体涉及一种具有可迭加陷波特性的微带超宽带带通滤波器。

背景技术

在2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1GHz至10.6GHz之间的频段开放为通信领域的应用。因为其高传输速率和低传输损耗等优点，超宽带通信受到了广泛的重视并得到了迅猛的发展。作为超宽带通信系统中的关键器件，超宽带滤波器的性能决定了系统的整体性能。在整个超宽带频段范围内，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)，或无线局域网(WLAN，5.15GHz～5.35GHz，5.725GHz～5.825GHz)系统等等，这些无线通信信号会严重干扰超宽带通信系统的正常工作。为了抑制不同系统之间的相互干扰，保证超宽带通信系统正常工作，设计具有陷波特性的超宽带带通滤波器具有重要意义。然而，设计小型化、高性能和低成本的滤波器仍是一大挑战。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的滤波器不足，提供了一种具有可迭加陷波特性的超宽带微带滤波器。可以根据需要，灵活得选择确定该滤波器的陷波数目及位置。并且该滤波器尺寸较小，且具有良好的性能。

典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。为了实现本发明所述的具有可迭加陷波特性的超宽带微带滤波器，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(即第I层)和金属下覆层(即第III层)分别刻蚀如图2所示的图案。滤波器的正面在图3(a)中给出。在图3(a)中的金属图案包括特征阻抗为输入馈线1、输出馈线2、一个三线耦合结构3和n+1(n为自然数，且n＝1，2，…,8)个可级联的T型结构(T₀，T₁，…，T_n)。其中输入馈线1和输出馈线2分别与平行耦合三线结构3相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构3相连接；第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀相连接,…,第k+1级T型结构T_k与第k级T型结构T_k-1相连接,…,第n+1级T型结构T_n与第n级T型结构T_n-1相连接。滤波器的背面在图3(b)中给出，在金属下覆层刻蚀一个矩形图案4，正好位于平行耦合三线结构3正下方，用于增强平行耦合三线结构3的耦合强度。

本发明的有益效果是：与现有的滤波器相比，本发明的滤波器带宽可以覆盖超宽带频率范围，所具有的n个可级联的T型结构，可以在指定的频率处形成n个陷波，具有很大的灵活性。另外，本发明具有尺寸紧凑和性能优良等优点。

附图说明

图1是本发明用于加工微带滤波器的复合材料层。

图2是本发明的微带滤波器的平面结构示意图。

图3(a)是本发明所述滤波器的俯视图。

图3(b)是本发明所述滤波器的仰视图。

图4(a)是本发明实施例一的俯视图。

图4(b)是本发明实施例一的仰视图

图5是本发明实施例一的等效电路。

图6是本发明实施例一的等效电路的频率响应。

图7(a)是用于计算本发明实施例一陷波频率的等效模型。

图7(b)是用于计算本发明实施例一陷波频率的偶模等效电路模型。

图8是本发明实施例一中针对陷波频率的计算值与仿真值之间的对比。

图9是本发明实施例一改变结构参数l₄可以灵活移动陷波位置。

图10(a)是针对本发明实施例一进行加工测试的频率响应结果。

图10(b)是针对本发明实施例一进行加工测试的群时延结果。

图11是本发明实施例二的俯视图。

图12是本发明实施例二中第二级T型结构T₁对频率响应的影响。

图13(a)是本发明实施例二中调整结构参数l₄对第二个陷波位置的影响。

图13(b)是本发明实施例二中调整结构参数l₆对第一个陷波位置的影响。

图14(a)是针对本发明实施例二进行加工测试的频率响应结果。

图14(b)是针对本发明实施例二进行加工测试的群时延结果。

图15是本发明实施例三的俯视图。

图16是本发明实施例三的频率响应仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施例采用CR-10基片，其相对介电常数为9.6，基片厚度为0.635mm。

实施例一为具有单陷波特性的超宽带带通滤波器。其正面如图4(a)所示，包括50欧姆输入馈线1、50欧姆输出馈线2、平行耦合三线结构3、第一级T型结构T₀和第二级T型结构T₁。其中50欧姆输入馈线1和50欧姆输出馈线2分别与平行耦合三线结构3相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构3相连接；第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀相连接。背面如图4(b)所示，在金属下覆层刻蚀一个矩形图案4，正好位于平行耦合三线结构3正下方，用于增强平行耦合三线结构3的耦合强度。

为了进一步的证明本发明结构的非显而易见性，下面针对实施例一进行深入分析。实施例一的等效电路模型如图5所示。其中，平行耦合三线结构3本身作为一个六端口结构，可以用下面的阻抗矩阵来描述它的六个端口的电压电流关系。

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_3\\ U_4\\ U_5\\ U_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{Z}_{11}& Z_{12}& Z_{13}& Z_{14}& Z_{15}& Z_{16}\\ Z_{21}& Z_{22}& Z_{23}& Z_{24}& Z_{25}& Z_{26}\\ Z_{31}& Z_{32}& Z_{33}& Z_{34}& Z_{35}& Z_{36}\\ Z_{41}& Z_{42}& Z_{43}& Z_{44}& Z_{45}& Z_{46}\\ Z_{51}& Z_{52}& Z_{53}& Z_{54}& Z_{55}& Z_{56}\\ Z_{61}& Z_{62}& Z_{63}& Z_{64}& Z_{65}& Z_{66}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\\ I_5\\ I_6\end{array}\right]$

其中，U_i(i＝1,2,…,6)分别是平行耦合三线结构3的端口电压；I_i(i＝1,2,…,6)分别是平行耦合三线结构3的端口电流；Z_ij(i,j＝1,2,…,6且i≠j)是除端口(j)外，其余各端口全部开路时，端口(j)到端口(i)之间的转移阻抗；Z_ii(i＝1,2,…,6)是除端口(i)外，其余各端口全部开路时，在端口(i)处的输入阻抗。第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀级联之后再连接到平行耦合三线结构3的端口(5)，它们可以作为单端口网络处理，其输入阻抗用Z_u来表征。另外，50欧姆输入馈线1和50欧姆输出馈线2分别连接到平行耦合三线结构3的端口(1)和端口(3)，它们在倒角处的效应可以用一个电容C来表征。

由于平行耦合三线结构3的端口(2)、(4)和(6)是开路的，即I₂＝I₄＝I₆＝0，则上面的电路矩阵可以进一步简化为下面的形式。

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_3\\ U_5\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{11}& Z_{13}& Z_{15}\\ Z_{31}& Z_{33}& Z_{35}\\ Z_{51}& Z_{53}& Z_{55}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_3\\ I_5\end{array}\right]$

由于在端口(5)处连接一个输入阻抗为Z_u的单端口网络，即存在关系U₅/I₅＝-Z_u，则上面矩阵方程中的最下面一个方程可以改写成下面的形式

$I_5=-\frac{Z_{51}}{Z_u+Z_{55}}\·I_1-\frac{Z_{53}}{Z_u+Z_{55}}\·I_3$

再将其带回到简化之后的电路矩阵之中，就可以得到关于端口(1)和(3)的电路矩阵为

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}-\frac{Z_{15}\·Z_{51}}{Z_u+Z_{55}}& Z_{13}-\frac{Z_{15}\·Z_{53}}{Z_u+Z_{55}}\\ Z_{31}-\frac{Z_{35}{\·Z}_{51}}{Z_u+Z_{55}}& Z_{33}-\frac{Z_{35}\·Z_{51}}{Z_u+Z_{55}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_3\end{array}\right]$

如果不考虑电容C的影响，将上面的阻抗矩阵转化为散射矩阵，由S₂₁＝0即可确定传输零点的位置。相应的电路仿真结果在图6中给出。可以看到，在通带两端分别可以产生一个传输零点，由此可以有效得改善滤波器的频率选择性。如果考虑电容C的影响，那么需要将上面的阻抗矩阵转化为导纳矩阵，再和电容C的导纳矩阵进行迭加，得到总的导纳矩阵，最后再将其转化为散射矩阵。同样，由S₂₁＝0即可确定传输零点的位置。考虑了电容C的等效电路仿真结果也在图6中给出，从中可以观察到三个传输零点。由此可以判断，电容C的出现导致了第三个传输零点的产生，可以有效得改善阻带的抑制。因此,可对输入输出端口调整倒角参数(即图4(a)中的l)，以调整该传输零点位置，达到改善阻带抑制的效果。

由于超宽带通信系统在其工作环境中可能遭受其它不同无线通信信号的干扰，这些干扰信号可能会位于不同的频率位置。这就要求具有陷波特性的超宽带带通滤波器能够灵活得调整陷波的位置，以屏蔽相应的干扰信号。本发明所述的具有可迭加陷波特性的超宽带带通滤波器具有这样的优点，其陷波位置可以根据需要在很宽的频率范围调整，以满足实际需要。为了说明实施例一的陷波位置可以灵活得调整，下面分析陷波位置与滤波器的结构参数之间的关系。如果在实施例一的通带内中心频率处对实施例一进行电磁仿真，可以发现，能量可以顺利通过滤波器。作为对比，如果在实施例一的陷波频率处对实施例一进行电磁仿真，可以看到，能量无法到达输出馈线2，而是主要集中在第一级T型结构T₀和第二级T型结构T₁级联所形成的结构之中，如图7(a)所示。因此，可以将图7(a)中的结构当作一个谐振器来分析。由于图7(a)中的结构是关于中心平面P呈左右对称的，可以用奇偶模分析方法来分析。如果在中心放置一个开路平面，则可以得到该结构的偶模等效电路，如图7(b)所示。在图7(b)中，假设三个传输线节的特性阻抗分别是Z₁、Z₂和Z₁，其电长度分别为θ₁、θ₂和θ₃。则可以得到偶模输入导纳Y_ine为

$Y_{\mathrm{ine}}=-j\frac{Z_2+Z_1\tan {\mathrm{\θ}}_2\cot {\mathrm{\θ}}_3-Z_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\tan {\mathrm{\θ}}_2+Z_1{Z}_2\tan {\mathrm{\θ}}_1\cot {\mathrm{\θ}}_3}{{Z_2}^2\tan {\mathrm{\θ}}_2-Z_1{Z}_2\cot {\mathrm{\θ}}_3+Z_1{Z}_2\tan {\mathrm{\θ}}_1+{Z_1}^2\tan {\mathrm{\θ}}_1\cot {\mathrm{\θ}}_3}$

令Y_ine＝0得偶模谐振条件为

Z₂+Z₁tanθ₂cotθ₃-Z₂tanθ₁tanθ₂+Z₁Z₂tanθ₁cotθ₃＝0

由此条件可以得到该结构的结构参数与陷波位置之间的关系。当改变图4(a)中长度l₄时，在图8中给出由上面的公式计算得到的谐振频率值与对滤波器结构进行电磁仿真得到的陷波频率值进行的对比，可见两者还是比较吻合的。因此，为了在某一个指定频率位置形成陷波，就可以根据图7(b)中的谐振器的偶模谐振频率来估算长度l₄，为下一步的优化确定初值，从而可以缩短优化时间。在图9中给出了，当改变滤波器的长度l₄时，陷波位置会发生相应的移动。

为了验证上面的分析，对单陷波特性的超宽带带通滤波器按照图4(a)和图4(b)进行了仿真、加工和测试。图4(a)和图4(b)中的结构参数取为以下值：w＝0.6mm，l＝0.0mm，w₁＝0.1mm，l₁＝4.6mm，s＝0.1mm，w₂＝0.7mm，l₂＝6.3mm，w₃＝0.7mm，l₃＝1.6mm，w₄＝0.7mm，l₄＝11mm，a＝2.6mm，b＝3.1mm。图10(a)表示针对实施例一的S参数(即插入损耗|S₂₁|和回波损耗|S₁₁|)仿真结果和测试结果对比。从图中可知，频率响应仿真结果为：3dB带宽为3.0～10.83GHz；陷波位置位于5.32GHz；陷波深度为-27.4dB；陷波带宽为200MHz；中心频率插损为-0.27dB。频率响应测试结果为：3dB带宽为3.8～12.4GHz；陷波位置为5.82GHz；陷波深度为-21dB；陷波带宽为340MHz；中心频率插损为-0.96dB。在图10(b)中给出了实施例一的群时延的仿真结果和测试结果。群时延仿真结果为：通带内的群时延在0.2～0.45ns之间波动。群时延测试结果为：通带内的群时延在0.46～0.88ns之间波动。总体而言，实施例一的仿真结果和测试结果大体上较为吻合，但是由于平行耦合线宽和耦合缝隙较窄，存在一定加工误差，使整个通带略为向高频偏移。实施例一的面积为11mm×8.6mm，较为紧凑。

实施例二：具有双陷波特性的超宽带带通滤波器。其正面如图11所示，包括50欧姆输入馈线1、50欧姆输出馈线2、平行耦合三线结构3、第一级T型结构T₀、第二级T型结构T₁和第三级T型结构T₃。其中50欧姆输入馈线1和50欧姆输出馈线2分别与平行耦合三线结构3相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构3相连接；第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀相连接；第三级T型结构T₂与第二级T型结构T₁相连接。背面如图4(b)所示，包括一个位于平行耦合三线结构3正下方的矩形缺陷地结构4，用于增强平行耦合三线结构3的耦合强度。

为了说明本发明所述滤波器的优点，即陷波特性可进行迭加。按照前面对实施例一所述，设计出具有单陷波特性的超宽带带通滤波器。然后，在其上面加载第三级T型结构T₂(如图11所示)，就构成了具有双陷波特性的超宽带滤波器。在图12中给出了有第三级T型结构T₂和没有第三级T型结构T₂的滤波器的仿真结果图。由图可知，在原来具有单陷波特性的超宽带带通特性保持基本不变的基础上，加入第三级T型结构T₂，引入了第二个陷波，从而使滤波器具有了双陷波特性。为了说明这两个陷波位置可以相互独立得调整，在图13(a)和图13(b)分别给出了在保持滤波器其它尺寸保持不变前提下，单独调节结构参数l₄和l₆时，陷波位置的变化趋势。从图13(a)中可知，如果调节l₄时，处于相对较高频率的陷波将随l₄加长向低频端移动，而处于相对较低频率的陷波无明显变化；从图13(b)中可知，如果调节l₆时，处于相对较低频率的陷波随l₆加长向低频端移动，而处于相对较高频率的陷波无明显变化。由此，若想设计一具有双陷波特性的超宽带带通滤波器，可先按照实施例一的设计方法，设计出一个具有单陷波特性的超宽带滤波器；在此基础上再加载第三级T型结构T₂以得到第二个陷波，然后通过调整长度l₄和l₆，把两个陷波分别移动到指定的频率位置。

为了验证对实施例二的分析，按照图11所示的正面结构和图4(b)所示的背面结构，仿真、加工和测试一个具有双陷波特性的微带超宽带带通滤波器。结构参数如下：w＝0.6mm，l＝0.0mm，w₁＝0.1mm，l₁＝4.6mm，s＝0.1mm，w₂＝0.7mm，l₂＝6.3mm，w₃＝0.7mm，l₃＝1.6mm，w₄＝1.2mm，l₄＝11.2mm，w₅＝0.7mm，l₅＝1mm，w₆＝0.7mm，l₆＝6.1mm，a＝2.6mm，b＝3.1mm)。仿真结果和测试结果在图14(a)和图14(b)中给出。图14(a)表示该滤波器的S参数(即插入损耗|S₂₁|和回波损耗|S₁₁|)仿真结果和测试结果对比，图14(b)表示该滤波器的群时延的仿真结果和测试结果对比。实施例二的仿真结果为:3dB带宽为3.3～10.8GHz；两个陷波位置分别位于5.21GHz和5.86GHz；两个陷波的陷波深度分别为-19.35dB和-29.43dB；中心频率插损为-0.2dB；通带内的群迟延在0.25～0.5ns之间波动。测试结果为：3dB带宽为3.86～12.07GHz；陷波位置分别位于5.47GHz和6.11GHz；陷波深度分别为-13.4dB和-21.6dB；滤波器在中心频率的插损略为-1.1dB；通带内的群迟延在0.45～0.93ns之间波动。由于加工误差，使中心频率略向高频端移动。

实施例三：具有三陷波特性的超宽带带通滤波器。其正面如图15所示，包括50欧姆输入馈线1、50欧姆输出馈线2、平行耦合三线结构3、第一级T型结构T₀、第二级T型结构T₁、第三级T型结构T₂和第四级T型结构T₃。其中50欧姆输入馈线1和50欧姆输出馈线2分别与平行耦合三线结构3相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构3相连接；第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀相连接；第三级T型结构T₂与第二级T型结构T₁相连接。背面如图4(b)所示，包括一个位于平行耦合三线结构3正下方的矩形缺陷地结构4，用于增强平行耦合三线结构3的耦合强度。

为了验证实施例三的确具有三个陷波，针对实施例三进行了电磁仿真。其结构的正面如图15所示，背面如图4(b)所示。具体结构参数为：w＝0.6mm,l＝0.0mm，w₁＝0.1mm，l₁＝4.6mm,s＝0.1mm,w₂＝0.7mm,l₂＝6mm，w₃＝0.7mm，l₃＝1mm,w₄＝0.7mm，l₄＝6.55mm,w₅＝0.7mm，l₅＝1mm，w₆＝0.7mm，l₆＝11mm,w₇＝0.7mm,l₇＝1mm,w₈＝0.7mm，l₈＝11mm,a＝2.6mm，b＝3.1mm，电磁仿真结果在图16中给出，可以看到该滤波器具有三个陷波。通过调整相应的结构参数，可以将这三个陷波移动到指定的频率位置，以抑制相应的干扰信号。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有可迭加陷波特性的微带超宽带带通滤波器，包括正面部分和背面部分；其特征在于，正面部分的金属图案包括输入馈线1、输出馈线2、平行耦合三线结构3和n+1(n为自然数，且n＝1，2，…,8)个可级联的T型结构(T₀，T₁，…，T_n)；输入馈线1和输出馈线2分别与平行耦合三线结构3相连接；第一级T型结构T₀与平行耦合三线结构3相连接；第二级T型结构T₁与第一级T型结构T₀相连接；…；第k+1级T型结构T_k与第k级T型结构T_k-1相连接；…；第n+1级T型结构T_n与第n级T型结构T_n-1相连接；背面部分的金属图案包括一个位于平行耦合三线结构3下方的缺陷地结构4。 

2.根据权利要求1所述的超宽带微带滤波器，其特征是，可以根据需要产生的陷波数目来确定相连接的T型结构数目。n+1(n为自然数，且n＝1，2，…,8)个可级联的T型结构(T₀，T₁，…，T_n)可以产生n个陷波。 

3.根据权利要求2所述的超宽带微带滤波器，其特征是，可以调整T型结构的参数相对独立得调整各个陷波的频率位置。 

4.根据权利要求3，T型结构的枝节可以进行适当得弯折，以进一步缩小滤波器尺寸。