CN104201450A - 一种具有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陷波特性的微带超宽带带通滤波器，整个滤波器在微带线上制作，微带线包括三层结构，分别为金属上覆层、介质基片和金属下覆层。在金属上覆层分别刻蚀金属图案包括输入馈线1、输出馈线2、平行三线耦合结构3和金属化过孔5、开路枝节6和开路枝节7。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；平行耦合三线结构3通过金属化通孔5与开路枝节6和开路枝节7相连。在金属下覆层刻蚀一个位于平行耦合三线结构3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。本发明的滤波器带宽可以覆盖超宽带频率范围，陷波的频率位置可以独立得调整，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。

Description

一种具有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～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，提供了一种具有陷波特性的超宽带微带滤波器。该滤波器尺寸较小，容易调试，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。滤波器的正面如图3(a)所示。图3(a)中的金属图案包括输入馈线1、输出馈线2、平行三线耦合结构3和金属化通孔5、开路枝节6和开路枝节7。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。

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，所具有的陷波容易移动到指定的频率处，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是本发明所述滤波器的平面结构示意图。

图3(a)是本发明所述滤波器的正面。

图3(b)是本发明所述滤波器的背面。

图4(a)是本发明实施例用来分析陷波特性的等效电路。

图4(b)是本发明实施例用来分析陷波特性的奇模等效电路。

图5是本发明实施例针对陷波频率的计算值与仿真值之间的对比。

图6是本发明实施例改变结构参数l₂可以灵活移动陷波位置。

图7(a)是针对本发明实施例进行加工测试的频率响应结果。

图7(b)是针对本发明实施例进行加工测试的群时延结果。

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。

实施例的正面如图3(a)所示，包括特征阻抗为50欧姆的输入馈线1、特征阻抗为50欧姆的输出馈线2、三线耦合结构3和金属化通孔5、开路枝节6和开路枝节7。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；平行耦合三线结构3通过金属化通孔5与开路枝节6和开路枝节7相连。实施例的背面如图3(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，下面针对实施例进行深入分析。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，不同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。本发明所述具有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。首先在实施例的通带内中心频率处对实施例进行电磁仿真，从它的场分布图可以看到，如果能量从输入馈线1馈入，经过滤波器，可以达到输出馈线2。作为对比，在实施例处于陷波频率时进行电磁仿真，从它的场分布图可以看到，如果能量从输入馈线1馈入，经过滤波器，却无法到达输出馈线2，而是主要集中在开路枝节6和开路枝节7通过金属化通孔5构成的结构之中。因此，可以将此结构当作一个谐振器来分析，如图4(a)所示。由于图4(a)中的结构是关于中心呈左右对称的，可以用奇偶模分析方法来分析。图4(a)中的结构在中心处有一个金属化通孔，可当作短路，此处只需要分析奇模情况。奇模等效电路如图4(b)所示，其中开路枝节6的长度为l₂2，对应的电长度为θ，特性导纳为Y₀。图4(b)中，奇模等效电路的奇模输入导纳Y_ino为

Y_ino＝-jY₀cotθ

其中，j是虚数单位。由奇模输入导纳Y_ino等于零，可以得到奇模谐振频率f为

$f=\frac{c}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}{l}_2}$

该谐振频率即可对应通带中陷波的频率位置。在图5中给出了针对不同的长度l₂，由计算得到的谐振频率值与滤波器电磁仿真得到的陷波所在频率值之间的对比。从图中可见，两者吻合得很好，验证了上述理论分析的正确性。在实际应用中，如果需要在滤波器通带的指定频率位置形成陷波，则可以根据上述公式，计算得到长度l₂，即

$l_2=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

可以将此长度作为仿真优化的初始值，最终将陷波移动到指定的频率位置。

为了说明本发明所述滤波器的陷波位置可以根据需要在很宽的频率范围调整，按照上述分析对实施例的结构参数l₂进行调整，陷波位置会进行相应的移动。仿真结果在图6中给出。可见，陷波带宽约100MHz，且可在4.2GHz～9.2GHz范围内自由变化而对通带无太大影响。

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3(a)和图3(b)进行了仿真、加工和测试。结构参数分别取为：w＝0.6mm，l＝0.4mm，s＝0.08mm，w₁＝0.1mm，l₁＝4.6mm，w₂＝0.7mm，l₂＝8.8mm，r＝0.2mm，a＝2.6mm，b＝3.1mm。图7(a)为插入损耗|S₂₁|和回波损耗|S₁₁|的仿真结果与测试结果的对比，图7(b)中为群时延的仿真结果与测试结果之间的对比。仿真结果表明:3dB带宽为3.26～11.09GHz；陷波位置位于5.78GHz；陷波深度为-18dB；陷波带宽为90MHz；滤波器中心频率插损略为-0.15dB；群迟延在0.18～0.26ns之间波动。测试结果表明：3dB带宽为4.07～12.11GHz；陷波位置位于6.32GHz；陷波深度为-13.1dB；陷波带宽为100MHz；滤波器中心频率插损为-1.02dB；群迟延在0.49～0.87ns之间波动。总体而言，实施例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。整个滤波器的尺寸略为9mm×6mm，非常紧凑。

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 (2)

1.一种具有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、平行三线耦合结构3和金属化通孔5、开路枝节6和开路枝节7；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；平行耦合三线结构3通过金属化通孔5与开路枝节6和开路枝节7相连；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，开路枝节6和开路枝节7可以进行适当得弯折，以进一步缩小滤波器尺寸。