CN104505562B - 具有良好阻带特性的微带超宽带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微带超宽带带通滤波器，它基于一种微带谐振器(由第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(32)连接到平行耦合线节(30)的一端，同时在平行耦合线节(30)的另一端连接第三开路传输线节(33)和第四开路传输线节(34))。另外，通过在输入端口接入匹配枝节(由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)和第九开路传输线节(16))和输出端口处接入匹配枝节(由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)和第十开路传输线节(26))进一步改善超宽带带通滤波器的性能。研究表明，本发明所述超宽带带通滤波器具有尺寸紧凑和性能优良等优点。
Description
技术领域
本发明属于超宽带通信技术领域，具体涉及一种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，超宽带带通滤波器的性能决定了系统的整体性能。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超宽带带通滤波器不足，提供了一种微带超宽带带通滤波器。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微带超宽带带通滤波器，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(I)内和金属下覆层(III)内分别刻蚀如图2所示的图案。滤波器的正面如图3(a)所示，其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(32)连接到平行耦合线节(30)的一端，同时在平行耦合线节(30)的另一端连接第三开路传输线节(33)和第四开路传输线节(34)，构成一个谐振器。输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第五开路传输线节(12)和第六开路传输线节(13)与这个谐振器进行输入能量耦合。输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(21)，再由所连接的第七开路传输线节(22)和第八开路传输线节(23)与这个谐振器进行能量耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)和第九开路传输线节(16)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)和第十开路传输线节(26)。滤波器的背面如图3(b)所示，在金属下覆层(III)内刻蚀第一矩形图案(41)和第二矩形图案(42)，用于增强耦合。
本发明的有益效果是：与现有的滤波器相比，本发明的滤波器的带宽可以覆盖超宽带频率范围，具有通带内的回波损耗较低，通带的频率选择较好，带外抑制好等优点。
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是本发明所述超宽带带通滤波器的结构示意图。
图3(a)是本发明所述超宽带带通滤波器的正面。
图3(b)是本发明所述超宽带带通滤波器的背面。
图4是本发明所述多模谐振器的结构示意图。
图5(a)是本发明所述多模谐振器的偶模等效电路。
图5(b)是本发明所述多模谐振器的奇模等效电路。
图6是针对本发明所述多模谐振器的弱耦合仿真模型。
图7是对本发明所述多模谐振器进行弱耦合电磁仿真中改变长度l2的仿真结果图。
图8是针对本发明所述超宽带带通滤波器中未加载和加载匹配枝节的仿真结果对比图。
图9是本发明所述超宽带带通滤波器的一个实施例的结构示意图。
图10是针对本发明实施例的插入损耗和回波损耗进行测试的结果。
图11是针对本发明实施例的群时延进行测试的结果。
附图标记说明：金属上覆层(I)，介质基片(II)，金属下覆层(III)、输入馈线(1)、第一渐变阻抗传输线节(11)、第五开路传输线节(12)、第六开路传输线节(13)、由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)、第九开路传输线节(16)、平行耦合线节(30)、第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(32)、第三开路传输线节(33)、第四开路传输线节(34)、输出馈线(2)、第二渐变阻抗传输线节(21)、第七开路传输线节(22)、第八开路传输线节(23)、由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)、第十开路传输线节(26)、第一矩形图案(41)和第二矩形图案(42)。
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。实施例的正面如图3(a)所示，在微带的金属上覆层(I)内包括如下图案：输入馈线(1)、第一渐变阻抗传输线节(11)、第五开路传输线节(12)、第六开路传输线节(13)、由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)、第九开路传输线节(16)、平行耦合线节(30)、第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(32)、第三开路传输线节(33)、第四开路传输线节(34)、输出馈线(2)、第二渐变阻抗传输线节(21)、第七开路传输线节(22)、第八开路传输线节(23)、由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)、第十开路传输线节(26)。其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(32)连接到平行耦合线节(30)的一端，同时在平行耦合线节(30)的另一端连接第三开路传输线节(33)和第四开路传输线节(34)，构成一个谐振器。输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第五开路传输线节(12)和第六开路传输线节(13)与这个谐振器进行输入能量耦合。输出馈线2通过第二渐变阻抗传输线节(21)，再由所连接的第七开路传输线节(22)和第八开路传输线节(23)与这个谐振器进行能量耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)和第九开路传输线节(16)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)和第十开路传输线节(26)。滤波器的背面如图3(b)所示，在金属下覆层(III)内刻蚀第一矩形图案(41)和第二矩形图案(42)，用于增强耦合。
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。本发明所述滤波器基于一个谐振器，此谐振器的结构如图4所示，第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(32)连接到平行耦合线节(30)的一端，同时在平行耦合线节(30)的另一端连接第三开路传输线节(33)和第四开路传输线节(34)，构成此谐振器。该谐振器关于中心平面PP’是左右对称的，故可以采用奇偶模分析方法来分析它的谐振特性。
为了简化分析，忽略了边缘寄生电容等非主要效应。同时，由于耦合线的弯折处对结果影响较小，也进行了忽略。如果在中心平面PP′处放置开路面，则得到谐振器的偶模等效电路，如图5(a)所示；如果在中心平面PP′处放置短路面，则得到谐振器的奇模等效电路，如图5(b)所示。其中，Y1表示第一开路传输线节(31)的特征导纳，θ1表示第一开路传输线节(31)的电长度；Y2表示第二开路传输线节(32)的特征导纳，θ2表示第二开路传输线节(32)的电长度；Y0o和Y0e表示平行耦合线节(30)的奇模和偶模特征导纳，θ3表示平行耦合线节(30)的电长度的一半。由图5(a)所示的偶模等效电路，可以得到从左端看入偶模等效电路的偶模输入导纳Yine为
其中
Yine2＝Yine1+jY2tanθ2
Yine1＝2Y11+2Y13+2K(Y12+Y14)
让Yine＝0即可确定偶模谐振频率。
由图5(b)所示的奇模等效电路，可以得到从左端看入奇模等效电路的奇模输入导纳Yino为
其中
Yino2＝Yino1+jY2 tanθ2
Yino1＝2Y11+2Y13
让Yino＝0即可确定奇模谐振频率。
为了结合实例深入了解该谐振器的谐振特性，采用基片Rogers RT/duroid 5880(相对介电常数为2.2,基片厚度为0.508mm)设计了一个谐振器，并进行弱耦合电磁仿真，如图6所示。输入输出馈线的特征阻抗设定为50Ω，其它结构参数取为：l1＝9.58mm，l2＝3.7mm，l3＝2.72mm，l4＝0.6mm，l9＝1.2mm，l10＝7.4mm，w1＝0.15mm，g1＝0.12mm，g2＝0.12mm，g3＝0.3mm。如果按照此谐振器的尺寸直接对谐振器进行本征模式仿真，并与前面的奇偶模分析结果进行对比，如下表所示
| 谐振频率(GHz) | fo1 | fe1 | fo2 |
| 仿真结果 | 4.6 | 7.3 | 9.8 |
| 计算结果 | 5.3 | 7.7 | 11.6 |
其中，fo1表示第一个奇模谐振频率，fe1表示第一个偶模谐振频率，fo2表示第二个奇模谐振频率。从上表可以看到，奇偶模分析的计算结果和电磁仿真结果比较接近，验证了奇偶模分析的正确性。
为了进一步了解谐振器的结构参数与其谐振频率之间的关系，如果按照图6所示，在长度l2依次取3mm、3.4mm和3.8mm，对谐振器进行弱耦合电磁仿真，仿真结果如图7所示。结合前面的奇偶模分析结果，可知第一个和第三个谐振频率对应奇模谐振，第二个谐振频率对应偶模谐振。调整长度l2主要影响第三个谐振频率，当长度l2增加，第三个谐振频率将变低，而其它两个谐振频率几乎保持不变。因此，可以通过调整长度l2来控制滤波器的带宽。
在利用该谐振器来构造超宽带带通滤波器时，为了改善回波损耗，在输入和输出端口处引入匹配枝节来调节阻抗匹配。如图3(a)所示，为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)和第九开路传输线节(16)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)和第十开路传输线节(26)。为了验证这些匹配枝节的有效性，分别对滤波器没有加载和加载匹配枝节之后，进行了电磁仿真。仿真结果如图8所示，加载匹配枝节之后的滤波器的性能得到了极大的改善。
基于前面的分析，在基片Rogers RT/duroid 5880上设计了一个超宽带带通滤波器，如图9所示，结构参数分别取为：l1＝9.58mm，l2＝3.7mm，l3＝2.72mm，l4＝0.6mm，l5＝1.0mm，l6＝3.0mm，l7＝1.0mm，l8＝3.0mm，l9＝1.2mm，l10＝7.4mm，w1＝0.15mm，w2＝0.12mm，g1＝0.12mm，g2＝0.12mm，g3＝0.3mm，c1＝1.3mm，c2＝0.2mm，c3＝6.4mm，b＝0.7mm，r0＝0.25mm。对加工的滤波器进行了测试。图10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11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:该滤波器的3dB带宽为2.9～10.6GHz，完全覆盖超宽带所要求的带宽；通带内的回波损耗|S11|小于-14dB；在通带外约12～16GHz范围内，抑制能够达到-40dB，甚至在16～20GHz范围内都能获得-10dB的抑制。群迟延在0.6～0.8ns之间波动，较为平坦。总体而言，实施例的仿真结果和测试结果比较吻合。整个滤波器的尺寸略为0.75λg×0.22λg(其中λg是基片Rogers RT/duroid 5880在6.85GHz时的波导波长)，整个结构非常紧凑。
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 (3)
1.一种基于微带谐振器的微带超宽带滤波器，其特征在于:由第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(32)连接到平行耦合线节(30)的一端，同时在平行耦合线节(30)的另一端连接第三开路传输线节(33)和第四开路传输线节(34)，构成所述谐振器；输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第五开路传输线节(12)和第六开路传输线节(13)与所述谐振器的第一开路传输线节(31)进行能量耦合，输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(21)，再由所连接的第七开路传输线节(22)和第八开路传输线节(23)与所述谐振器的第三开路传输线节(33)进行能量耦合，构成所述微带超宽带滤波器。
2.根据权利要求1所述的微带超宽带滤波器，为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了由第一金属化通孔(15)来实现短路的第一短路传输线节(14)和第九开路传输线节(16)；为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了由第二金属化通孔(25)来实现短路的第二短路传输线节(24)和第十开路传输线节(26)。
3.根据权利要求1所述的微带超宽带滤波器，为了增强能量耦合，在输入馈线(1)所连接的第五开路传输线节(12)和第六开路传输线节(13)与谐振器的第一开路传输线节(31)进行耦合的下方，在金属下覆层(III)内刻蚀第一矩形图案(41)；同时，在输出馈线(2)所连接的第七开路传输线节(22)和第八开路传输线节(23)与谐振器的第三开路传输线节(33)进行耦合的下方，在金属下覆层(III)内刻蚀第二矩形图案(42)。
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