CN105048031A - 利用uc-pbg与交指结构实现的微带超宽带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，包括介质基板；介质基板的上表面设置有交指耦合结构，实现紧耦合进行能量传输；介质基板的下表面设置有环形周期谐振结构，实现高频零点。还包括交指耦合结构外围设置的哑铃型耦合结构以及环形周期谐振结构中央设置的蚀刻有周期圆孔阵的金属贴片。本发明设计结构简单，微带结构易集成到射频微波系统中，工作带宽大，电性能良好，其小型化微带结构相比于其他超宽带滤波器更适合应用于现代微波毫米波电路集成中。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，属于微波技术领域。
背景技术
现如今，全世界范围内的通信行业技术正在快速地革新进步，用户需求不断提高，人们对无线通信的品质也要求得更高，不断地提出新的要求。例如，在某一频段上传输的数据更快更好，无线终端设备能够更加小巧，功率损耗能够非常小以至于可以忽略，等等。这些要求无疑也对现在的射频前端系统提出了新的挑战，高性能、多功能、小型化的射频前端已为大势所趋。而射频前端中的滤波器，作为一个至关重要的元件，无疑促使着全球的科技工作者们对新时代背景下的滤波器的进行设计和研究。
对于现代滤波器的研究，首先可以从以下几个发展趋势来进行分析：
1．高频段的无线电磁波不断被开发使用
到目前为止，通信频段不断被开发，可用频段资源越来越少，由于高频率的电磁波能传输更多的信息量，因此，越来越多的无线通信应用正在往高频率端开发。比如Wi-Fi(5.725-5.825GHz(ISM/UNII))、Wi-Max（2-11GHz）、UWB超宽带通信（3.1-10.6GHz）以及60GHz短距离保密通信等。
相比以往的许多无线通信，例如收音机等，由于工作频率较低，要求相对比较宽松，滤波器只采用简单的集总元件就能很好地实现功能。但是现在的很多通信都处于较高的频段，通常利用简单的集总元件很难达到系统要求的滤波功能，因此，必须使用分布参数元件，例如微带线，带状线、同轴线以及介质谐振器等。
2.带宽向超宽带发展以满足人们的需求
通常大部分通信工作的频段仍为窄带通信。一般来说，相对带宽大于40%以上的，被称为宽带。而大于110%的则被称为超宽带。由于用户对于无线终端能够处理的数据量不断增长，现有的窄带通信已经无法很好地满足需求，因此宽带通信越来越受到研究人员的关注。在2002年2月，美国联邦通讯委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）批准了超宽带（Ultra-wideBand，UWB）技术应用于短距离无线通信的申请，划分IndoorUWB的通信系统使用的频带为：3.1~10.6GHz。从而掀起了全球范围内UWB滤波器的开发热潮。
宽带滤波器能够更好地满足无线终端对传输速率与传输数据量的要求，能够更好地满足人们对各种无线应用的需求。
3.射频前端所占据的体积越来越小
从近10年来看，通信行业与其他电子制造业一样飞速发展，所有的终端几乎都处于不断被小型化设计的趋势中。手机越来越小，无线网卡更趋于集成结构，天线也从外置到内置，许多电子器件设计也从立体到平面，从这些现象来看为了能集成更多不同种类的器件，滤波器的小型化也必定是一大趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，发明尺寸小，微带结构易集成，设计结构简单，工作带宽大，耦合强度高不易受到外界电路的干扰。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，包括介质基板；介质基板的上表面设置有交指耦合结构，实现紧耦合进行能量传输；介质基板的下表面设置有环形周期谐振结构，实现高频零点；交指耦合结构包括交指结构、第一至第四金属微带线，第一金属微带线、第四金属微带线分别位于介质基板的两端，第二金属微带线的一端与第一金属微带线连接，第三金属微带线的一端与第四金属微带线连接，第二金属微带线的另一端与第三金属微带线的另一端通过交指结构连接；交指耦合结构设置在介质基板上表面的中央，且关于介质基板短边方向的对折线对称；环形周期谐振结构由多个UC-PBG单元阵列排布构成，且关于介质基板下表面的中心对称。
作为本发明的进一步优化方案，交指结构为10-15指。
作为本发明的进一步优化方案，UC-PBG单元包括中心方形金属片，中心方形金属片的四个角上分别设有大小相同的方形金属片，每个方形金属片与中心方形金属片有重叠部分，且该重叠部分为大小相同的方形，中间方形金属片的四个边沿的中间还有向外延伸的耦合金属线。
作为本发明的进一步优化方案，环形周期谐振结构中的相邻两个UC-PBG单元之间通过耦合金属线连接。
作为本发明的进一步优化方案，第一、第四金属微带线的两侧分别对称设置一组哑铃型耦合结构，哑铃型耦合结构由一个矩形金属片及其两端连接的两个方形金属片构成，且哑铃型耦合结构的长边与介质基板的短边平行。
作为本发明的进一步优化方案，环形周期谐振结构的中央还设置有一个金属贴片，金属贴片上蚀刻有周期圆孔阵，且金属贴片关于介质基板下表面的中心对称。
作为本发明的进一步优化方案，周期圆孔阵的中心与金属贴片的中心重合。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明尺寸小，微带结构易集成，设计结构简单，工作带宽大，相对带宽FBW达到了140%，是一种新型超宽带滤波器，耦合强度高不易受到外界电路的干扰，周期谐振结构具有吸收抑制寄生谐波的作用改善超宽带滤波器的整体性能，这种新型的周期结构超宽带滤波器相比其他类型的超宽带滤波器工作得更加稳定，尺寸更小，耦合强度更高。其中，交指结构更容易实现强耦合，并且间指间距离可以设计的更大，更适合加工应用。同时，哑铃型耦合结构加强了交指耦合强度，改善了滤波器整体性能。下表面蚀刻金属圆孔金属贴片配合周期结构共同作用，能够实现抑制寄生谐波的作用，减少其他电路对滤波器性能的干扰和影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是交指耦合结构的示意图。
图3是环形周期谐振结构的示意图。
图4是哑铃型耦合结构的示意图。
图5是UC-PBG单元的结构示意图。
其中，1-第一金属微带线；2-第二金属微带线；3-交指结构；4-第三金属微带线；5-第四金属微带线；6-介质基板；7-环形周期谐振结构；8-金属贴片；9-输入端口；10-输出端口；11-哑铃型耦合结构。
图6是本发明的S11参数图。
图7是本发明的S21参数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，如图1所示，包括介质基板；介质基板的上表面设置有交指耦合结构，实现紧耦合进行能量传输；介质基板的下表面设置有环形周期谐振结构，实现高频零点；交指耦合结构包括交指结构、第一至第四金属微带线，如图2所示，第一金属微带线、第四金属微带线分别位于介质基板的两端，第二金属微带线的一端与第一金属微带线连接，第三金属微带线的一端与第四金属微带线连接，第二金属微带线的另一端与第三金属微带线的另一端通过交指结构连接；交指耦合结构设置在介质基板上表面的中央，且关于介质基板短边方向的对折线对称；如图3所示，环形周期谐振结构由多个UC-PBG单元阵列排布构成，且关于介质基板下表面的中心对称。
第一、第二金属微带线之间利用阶跃阻抗变化匹配实现耦合传输结构，减少因输入输出端口阻抗匹配带来的干扰和误差，第三、第四的功能与之相同。第一、第四金属微带线实现50欧阻抗匹配。
第一、第四金属微带线的两侧还分别对称设置一组哑铃型耦合结构，如图4所示，哑铃型耦合结构由一个矩形金属片及其两端连接的两个方形金属片构成，且哑铃型耦合结构的长边与介质基板的短边平行。四个哑铃型耦合结构起到增强交指能量传输的作用，它与交指耦合结构共同作用实现强耦合，同时它能够抑制滤波器通带内产生的寄生谐波，提高滤波器的抗干扰能力，进而改善滤波器整体带内带外的性能。
环形周期谐振结构由多个UC-PBG单元均匀耦合而成，实现滤波器的高频阻断特性，同时抑制滤波器带内寄生谐波和外来干扰作用，提高滤波器的整体性能，增强滤波器的抗干扰能力。如图5所示，UC-PBG单元包括中心方形金属片，中心方形金属片的四个角上分别设有大小相同的方形金属片，每个方形金属片与中心方形金属片有重叠部分，且该重叠部分为大小相同的方形，中间方形金属片的四个边沿的中间还有向外延伸的耦合金属线，且UC-PBG单元中心对称。环形周期谐振结构是由多个UC-PBG单元相互耦合而成的环形对称结构，相邻两个UC-PBG单元之间通过耦合金属线连接，通过相邻单元结构间的相互作用，实现高频阻断特性，进而可以实现滤波器的高频零点。
环形周期谐振结构的中央还设置有一个金属贴片，金属贴片上蚀刻有周期圆孔阵，且金属贴片关于介质基板下表面的中心对称。周期谐振结构与蚀刻有圆孔阵的金属贴片共同作用，实现高频阻带特性，进而实现滤波器的高频零点，同时周期谐振层能够抑制寄生谐波和来自其他电路系统的干扰，从而提高了滤波器整体的抗干扰能力，性能比较稳定。
本发明中的交指结构，指头长宽分别为1.9mm、0.2mm，指间的间距为0.1mm，利用10-15根指头相互作用实现强耦合，进行滤波器的能量传输；在交指结构的作用下，超宽带滤波器性能优越。
本发明中的哑铃型耦合结构，矩形金属片的长宽分别为1.5mm、0.4mm，两端的方形金属片边长为1.5mm。其中，每组哑铃型耦合结构距离金属微带线为0.1-0.4mm，两组哑铃型耦合结构之间的距离为9-16mm。而当与金属微带线之间的距离为0.2mm，之间距离为12.6mm时，带内外性能最佳，抗干扰能力最好，滤波器的整体性能最优。同时，周期哑铃型结构能够抑制滤波器的带内寄生谐波，增强滤波器的抗干扰能力，使得滤波器性能更加稳定。
本发明中的环形周期谐振结构中央的金属贴片，其上蚀刻的周期圆孔阵对称分布。周期圆孔阵中，相邻圆孔间的行间距和列间距分别为0.7-0.9mm、0.8-1.2mm，而当行间距和列间距分别为0.8mm、1.0mm时，滤波器的性能达到最优，抗干扰能力最强。周期圆孔阵的中心位于金属贴片的中心，配合周期结构实现高频阻断特性，同时周期圆孔阵能够抑制滤波器的带内寄生谐波，增强滤波器的抗干扰能力，使得滤波器性能更加稳定。
本发明中，第一至第四金属微带线、交指结构、环形周期谐振结构、蚀刻有周期圆孔阵的金属贴片均为良导体。
本发明中，介质基板采用的是低介电常数的Rogers5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.8mm，长、宽分别为24.2mm、24.2mm，达到了超宽带滤波器的小型化要求。
通过上述结构间的相互耦合作用，能够实现性能良好的周期谐振结构超宽带滤波器。本发明的物理解释为：能量从上表面的交指耦合结构传输，其中，交指耦合结构利用多根指头相互耦合实现紧耦合，通过与下表面的环形周期谐振结构共同作用形成超宽带带通滤波器特性，通带内能量传输，通带外传输截止。上表面的哑铃型结构具有抑制通带内寄生谐波的作用，增强上表面交指耦合的作用，增强滤波器抗干扰能力。利用周期结构实现的超宽带滤波器能够很好地抑制带内寄生谐波，滤波器的抗干扰能力得到很大地提高。同时，其他微波器件对滤波器产生的干扰也得以很好的减弱和消除。
本发明的工作原理如下：第一金属微带线连接输入端口，第四金属微带线连接输出端口，输入端口外接信号源，使激励信号能够通过均匀第一、第二金属微带线，然后依次通过交指结构和第三、第四金属微带线，最后经由输出端口到达外部电路，实现对信号的滤波。传统的交指结构具有带通滤波的特性，通过调整指的长、宽、耦合间距以及指的数量可以得到具有陷波的带通特性；而环形周期谐振结构以及蚀刻有周期圆孔阵的金属贴片能够改变耦合结构间的电流分配的情况，从而获得高频的阻带特性。将以上两者与交指结构以及哑铃型耦合结构结合起来实现性能更加全面的超宽带微带带通滤波器。
图6和图7为本发明的仿真结果，由此可知，本发明的-3dB带宽为1.2GHz~6.8GHz，相对带宽FBW=140%。滤波器带内外的性能均很好，其中带内大部分S21达到-1.5dB以上，S11也基本达到-20dB，同时，滤波器的带外抑制也很好，抑制带宽很宽，达到了2.5GHz。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，包括介质基板；介质基板的上表面设置有交指耦合结构，实现紧耦合进行能量传输；介质基板的下表面设置有环形周期谐振结构，实现高频零点；
交指耦合结构包括交指结构、第一至第四金属微带线，第一金属微带线、第四金属微带线分别位于介质基板的两端，第二金属微带线的一端与第一金属微带线连接，第三金属微带线的一端与第四金属微带线连接，第二金属微带线的另一端与第三金属微带线的另一端通过交指结构连接；交指耦合结构设置在介质基板上表面的中央，且关于介质基板短边方向的对折线对称；
环形周期谐振结构由多个UC-PBG单元阵列排布构成，且关于介质基板下表面的中心对称。
2.根据权利要求1所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，交指结构为10-15指。
3.根据权利要求1所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，UC-PBG单元包括中心方形金属片，中心方形金属片的四个角上分别设有大小相同的方形金属片，每个方形金属片与中心方形金属片有重叠部分，且该重叠部分为大小相同的方形，中间方形金属片的四个边沿的中间还有向外延伸的耦合金属线。
4.根据权利要求1所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，环形周期谐振结构中的相邻两个UC-PBG单元之间通过耦合金属线连接。
5.根据权利要求1所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，第一、第四金属微带线的两侧分别对称设置一组哑铃型耦合结构，哑铃型耦合结构由一个矩形金属片及其两端连接的两个方形金属片构成，且哑铃型耦合结构的长边与介质基板的短边平行。
6.根据权利要求1所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，环形周期谐振结构的中央还设置有一个金属贴片，金属贴片上蚀刻有周期圆孔阵，且金属贴片关于介质基板下表面的中心对称。
7.根据权利要求6所述的利用UC-PBG与交指结构实现的微带超宽带滤波器，其特征在于，周期圆孔阵的中心与金属贴片的中心重合。
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