CN105024124B - 一种新型多枝节多模谐振器及基于其的微带超宽带带通滤波器 - Google Patents

一种新型多枝节多模谐振器及基于其的微带超宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

超宽带滤波器是超宽带通信系统中的关键器件，它决定了系统的整体性能。本发明涉及一种微带超宽带带通滤波器，它基于一种新型多枝节多模谐振器。其特征在于：短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器。研究表明，本发明所述超宽带带通滤波器具有高性能小型化等优点。

Description

一种新型多枝节多模谐振器及基于其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，具体涉及一种基于新型多枝节多模谐振器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超宽带带通滤波器的不足，提供了一种基于新型多枝节多模谐振器的微带超宽带带通滤波器。该滤波器尺寸较小，容易调试，且具有良好的频率性能。
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。本发明所述的微带超宽带带通滤波器的结构如图2所示。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)刻蚀如图3所示的图案。其特征在于：短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器；输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第七开路传输线节(15)和第八开路传输线节(16)与这个多模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)，再由所连接的第九开路传输线节(25)和第十开路传输线节(26)与这个多模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)处连接了第一短路传输线节(12)，通过第二金属化通孔(13)来实现短路，并连接了第十一开路传输线节(14)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(22)，通过第三金属化通孔(23)来实现短路，并连接了第十二开路传输线节(24)；由此构成所述的微带超宽带带通滤波器。
本发明的有益效果是：与现有的滤波器相比，本发明的滤波器所含的多枝节谐振器是一个多模谐振器。所构成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、尺寸小等优点。
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是本发明所述超宽带带通滤波器的正面视图。
图4是本发明所述多枝节多模谐振器的结构示意图。
图5是本发明所述多枝节多模谐振器的等效电路。
图6(a)是本发明所述多枝节多模谐振器的偶模等效电路。
图6(b)是本发明所述多枝节多模谐振器的奇模等效电路。
图7是本发明所述多枝节多模谐振器的结构尺寸标注。
图8是改变多枝节多模谐振器的结构参数l3对于其谐振特性的影响。
图9是改变多枝节多模谐振器的结构参数l4对于其谐振特性的影响。
图10是本发明所述微带超宽带带通滤波器的结构尺寸标注。
图11是针对本发明实施例的S参数仿真和测试结果。
图12是针对本发明实施例的群时延仿真和测试结果。
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)、第一短路传输线节(12)、第二金属化通孔(13)、第十一开路传输线节(14)、第七开路传输线节(15)、第八开路传输线节(16)、第一开路传输线节(31)、传输线节(32)、短路传输线节(33)、第一金属化过孔(34)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)、第六开路传输线节(39)、第九开路传输线节(25)、第十开路传输线节(26)、第十二开路传输线节(24)、第二短路传输线节(22)、第三金属化通孔(23)、第二渐变阻抗传输线节(21)和输出馈线(2)。
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)、第一短路传输线节(12)、第二金属化通孔(13)、第十一开路传输线节(14)、第七开路传输线节(15)、第八开路传输线节(16)、第一开路传输线节(31)、传输线节(32)、短路传输线节(33)、第一金属化过孔(34)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)、第六开路传输线节(39)、第九开路传输线节(25)、第十开路传输线节(26)、第十二开路传输线节(24)、第二短路传输线节(22)、第三金属化通孔(23)、第二渐变阻抗传输线节(21)和输出馈线(2)。其特征在于：短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器；输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第七开路传输线节(15)和第八开路传输线节(16)与这个多模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)，再由所连接的第九开路传输线节(25)和第十开路传输线节(26)与这个多模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)处连接了第一短路传输线节(12)，通过第二金属化通孔(13)来实现短路，并连接了第十一开路传输线节(14)；为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(22)，通过第三金属化通孔(23)来实现短路，并连接了第十二开路传输线节(24)；由此构成所述的微带超宽带带通滤波器。
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新型多枝节多模谐振器，此多枝节多模谐振器的结构如图4所示，短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器。这个多模谐振器的等效电路如图5所示，设Y1是电长度为2θ1的传输线节的特征导纳，Y2是电长度为θ2的传输线节的特征导纳，Y3是电长度为θ3的传输线节的特征导纳，Y4是电长度为θ4的传输线节的特征导纳，Y5是电长度为θ5的传输线节的特征导纳，Y6是电长度为θ6的传输线节的特征导纳，Y7是电长度为θ7的传输线节的特征导纳。该多模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。如果在图5的中心平面PP'处放置开路面，则得到多模谐振器的偶模等效电路，如图6(a)所示；如果在中心平面PP'处放置短路面，则得到多模谐振器的奇模等效电路，如图6(b)所示。为下面分析方便，设Yine1、Yine2、Yine3、Yine4、Yine5和Yine是图6(a)中所示的各个位置处的输入导纳，设Yino1、Yino2、Yino3、Yino4、Yino5和Yino是图6(b)中所示的各个位置处的输入导纳；。由图6(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
Yine1＝jY2tanθ2+jY1tanθ1
Yine3＝-jY6cotθ6
Yine5＝Yine4+Yine2+jY4tanθ4
让Yine＝0即可确定偶模谐振频率。
由图6(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
Yino1＝jY2tanθ2-jY1cotθ1
Yino3＝-jY6cotθ6
Yino5＝Yino4+Yino2+jY4tanθ4
让Yino＝0即可确定奇模谐振频率。
为了结合实例深入了解该多枝节多模谐振器的谐振特性，采用基片Rogers RT/duroid5880(相对介电常数为2.2,基片厚度为0.508mm)设计了一个多枝节多模谐振器，如图7所示，结构参数取为：l1＝8.04mm、l2＝5.32mm、l3＝1.31mm、l4＝3.71mm、l5＝2.4mm、w2＝0.78mm、w3＝0.30mm、w4＝0.12mm、a＝0.8mm,d＝0.5mm,s1＝2.72mm。如果按照这些尺寸直接对该多模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(频率单位：GHz)。该多模谐振器有四个主要的谐振模式。其中，第一个和第三个谐振频率是偶模谐振频率(fe1和fe2)，第二个和第四个是奇模谐振频率(fo1和fo2)。从表中可以看出，计算结果和仿真结果非常接近，存在差别的原因是在计算的过程中忽略了边缘寄生电容和其他影响，这说明了奇偶模分析结果的正确性。
fe1 fo1 fe2 fo2
仿真结果 3.61 5.54 8.1 10.46
计算结果 3.82 5.94 8.54 11
为了进一步了解多枝节多模谐振器的结构参数与其谐振频率之间的关系，对一些关键结构参数选择了不同的值进行了电磁仿真。如图8和9所示，是多模谐振器关于结构参数l3、l4和w3对其谐振频率影响的仿真结果。从图8可以看出，当结构参数l3从0.71mm变化到1.91mm，偶模谐振频率fe1稍微减小了一点，其它三个谐振频率几乎没有变化。另外，当保持结构参数l3为不变时，结构参数w3从0.1mm变化到0.3mm，再到0.5mm时，偶模谐振频率fe1稍微增加了一点，偶模谐振频率fe2稍微减小了一点，但是奇模谐振频率fo1几乎没有变化，fo2明显的下降了一点。从图9中可以看到，当结构参数l4从1.91mm变化到4.71mm，偶模谐振频率fe1和fe2稍微减小了一点，奇模谐振频率fo1几乎没有变化，奇模谐振频率fo2明显的下降了许多。另外，当保持结构参数l4为某一值不变时，结构参数w3从0.1mm变化到0.3mm，再到0.5mm时，偶模谐振频率fe1稍微增加了一点，偶模谐振频率fe2稍微减小了一点，但是奇模谐振频率fo1几乎没有变化，奇模谐振频率fo2明显的下降了一点。因此，可以通过调节结构参数w3和l4的长度来控制多枝节多模谐振器的谐振特性。
基于这个多枝节多模谐振器，可以构造超宽带带通滤波器。因此，引入馈线对该多模谐振器进行输入和输出耦合，如图3所示。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。输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第七开路传输线节(15)和第八开路传输线节(16)与这个多模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)，再由所连接的第九开路传输线节(25)和第十开路传输线节(26)与这个多模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)处连接了第一短路传输线节(12)，通过第二金属化通孔(13)来实现短路，并连接了第十一开路传输线节(14)；为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(22)，通过第三金属化通孔(23)来实现短路，并连接了第十二开路传输线节(24)；由此构成所述的微带超宽带带通滤波器。
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10所示，结构参数分别取为：l1＝8.04mm、l2＝5.32mm、l3＝1.31mm、l4＝3.71mm、l5＝2.4mm、l6＝7.3mm、l7＝0.26mm、l8＝4.22mm、l9＝0.8mm、l10＝3.3mm、a＝0.8mm、d＝0.5mm、s1＝2.72mm和s2＝1.06mm,其它所有线宽是0.12mm。对加工的滤波器进行了测试。图11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。从图11中可以看出，滤波器的3dB带宽覆盖3-11.5GHz，相对带宽略为117％，回波损耗大于15dB，在带外12.5-16GHz的频率范围内的抑制大于40dB。图12为群时延的仿真结果与测试结果的对比，在通带内群时延的波动范围为0.5ns～1.25ns。滤波器的整个尺寸为0.77λg×0.19λg，其中λg为6.85GHz所对应的波导波长，说明本发明所述滤波器具有尺寸小的特点。
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)

1.一种新型多枝节多模谐振器，该多枝节多模谐振器的特征在于：短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器。
2.根据权利要求1所述的新型多枝节多模谐振器，由奇偶模分析方法可知，该多枝节多模谐振器有四个主要的谐振模式：其中，第一个谐振频率fe1和第三个谐振频率fe2是偶模谐振频率，第二个谐振频率fo1和第四个谐振频率fo2是奇模谐振频率。
3.根据权利要求1所述的新型多枝节多模谐振器，调整第二开路传输线节(35)和第五开路传输线节(38)的结构参数，即线宽w3和长度l4可以灵活得控制多枝节多模谐振器的谐振特性。
4.根据权利要求1所述的新型多枝节多模谐振器，可构造一个微带超宽带带通滤波器，其特征在于：短路传输线节(33)中间通过第一金属化通孔(34)实现短路，短路传输线节(33)两端与传输线节(32)两端连接，形成一个闭合环；第一开路传输线节(31)、第二开路传输线节(35)、第三开路传输线节(36)、第四开路传输线节(37)、第五开路传输线节(38)和第六开路传输线节(39)分别连接到传输线节(32)上，它们构成一个多枝节多模谐振器；输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(11)，再由所连接的第七开路传输线节(15)和第八开路传输线节(16)与这个多模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)，再由所连接的第九开路传输线节(25)和第十开路传输线节(26)与这个多模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)处连接了第一短路传输线节(12)，通过第二金属化通孔(13)来实现短路，并连接了第十一开路传输线节(14)；为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(22)，通过第三金属化通孔(23)来实现短路，并连接了第十二开路传输线节(24)；由此构成所述的微带超宽带带通滤波器。
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