CN105048032B - 利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,包括介质基板,介质基板的上表面中央设置有耦合传输结构,介质基板的下表面设置有一层方环形金属镀层,方环形金属镀层的中央还设置有关于介质基板下表面的中心对称的鱼骨型周期慢波结构。本发明中,首先改进交指结构实现了使耦合紧密度增强、带宽增加的双交指结构,该双交指结构耦合得更加紧密,能量传输得更好;然后在此双交指结构的基础上,利用蚀刻周期性谐振方孔及鱼骨型周期性慢波结构共同作用实现超宽带滤波器。本发明相比于传统超宽带滤波器,它的耦合度更高,能量传输更好,抗干扰性更强,更适合应用于现代微波毫米波电路集成中。

Description

利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器
技术领域
本发明涉及一种利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,属于射频微波技术领域。
背景技术
目前,随着无线通信技术以及短距离通信系统的快速发展,人们可以利用的无线频谱资源越来越少。研究者在提高现有频谱利用率的同时,更愿意开发出新的,更宽的频带以满足人们的需求。为了解决这一瓶颈问题,2002年美国联邦通信委员会(FCC)通过了超宽带(UWB,Ultra-wideband)技术的商用许可(3.1GHz-10.6GHz),UWB技术自此受到研究人员的广泛关注和深入研究。为了适应超宽带技术的发展,作为射频前端的核心器件之一,超宽带带通滤波器的研究已经成为无数研究者的关注对象。
超宽带带通滤波器是一种射频微波电路中的滤波器件,实现传输信号通带内传输,通带外截止。传统的超宽带滤波器尺寸较大,耦合度比较小,容易受到外界信号的干扰,性能不够稳定。对于现代的无线通信领域,耦合度强,抗干扰能力强,尺寸小的超宽带滤波器性能极为重要。由于周期谐振结构有抑制带内寄生谐波,双交指耦合结构耦合度紧密,能够抵制来自其他地方的干扰。该新型周期结构滤波器利用周期谐振结构与双交指结构共同实现的超宽带滤波器,具有的高品质因素、低插入损耗、高集成度、大功率容量等特点,可以很好地运用到现代毫米波微波通信领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,本发明设计结构简单,尺寸小,微带结构易集成到射频通信系统中,工作带宽大,双交指结构耦合强度高,更适合应用于现代微波毫米波电路集成中。
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周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,包括介质基板;介质基板的上表面中央设置有耦合传输结构,耦合传输结构关于介质基板短边方向的对折线对称;耦合传输结构包括第一、第二交指结构以及金属贴片、第一至第四传输线,第一传输线、第四传输线分别位于介质基板的两端,第二传输线的一端与第一传输线连接,第三传输线的一端与第四传输线连接,第二传输线的另一端与第一交指结构的一端连接,第三传输线的另一端与第二交指结构的一端连接,第一交指结构的另一端与第二交指结构的另一端通过金属贴片连接;金属贴片包括第一矩形金属片,第一矩形金属片的四个边沿中间分别连接第二至第五矩形金属片,第一交指结构的另一端与第二交指结构的另一端分别通过第二和第四矩形金属片与第一矩形金属片的一对对边连接;介质基板的下表面设置有一层方环形金属镀层,方环形金属镀层的外边延伸至介质基板的边沿;沿介质基板的短边方向,在方环形金属镀层上对称设置三组第一矩形孔;方环形金属镀层的中央还设置有关于介质基板下表面的中心对称的鱼骨型周期慢波结构;在鱼骨型周期慢波结构上,沿介质基板的短边方向,在短边方向的对折线上设置第二矩形孔,在短边方向的对折线两侧设置三组第三矩形孔。
作为本发明的进一步优化方案,鱼骨型周期慢波结构由两种大小不同的周期性矩形贴片组合而成。
作为本发明的进一步优化方案,三组第三矩形孔与对折线之间的距离分别为0.5-0.7mm、0.6mm-0.9mm、0.9-1.2mm。
作为本发明的进一步优化方案,鱼骨型周期慢波结构与方环形金属镀层之间的距离为0.2-0.4mm。
作为本发明的进一步优化方案,第一、第二、第三矩形孔的长边均与介质基板的短边平行。
作为本发明的进一步优化方案,三组第一矩形孔与对折线之间的距离分别为7.6-8mm、8-8.6mm、8.6mm-9.4mm。
作为本发明的进一步优化方案,第一、第二交指结构均为5-9指。
作为本发明的进一步优化方案,第二、第三矩形孔的尺寸相同。
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:本发明中的双交指结构耦合强度高,鱼骨型慢波结构配合蚀刻周期性渐变金属方孔抑制带内谐波,增强滤波器的抗干扰能力,相比普通超宽带滤波器耦合强度高,抗干扰性强;本发明滤波器的相对带宽FBW达到了106%,更适合应用于现代微波毫米波电路集成中;本发明中,交指强耦合结构配合使用鱼骨型慢波结构以及蚀刻周期性渐变金属方孔结构对交指指间缝隙距离的要求减小,降低了加工难度;本发明滤波器设计结构简单、尺寸小、整体性能好、耦合紧密、抗干扰能力强,成本低、微带结构易集成到射频通信系统中、工作带宽大,非常适合现代无线微波通信领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是耦合传输结构的示意图。
图3是介质基板下表面的结构示意图。
图4是鱼骨型周期慢波结构的示意图。
图5是介质基板下表面的矩形孔的示意图。
其中,1-第一传输线;2-第二传输线;3-金属贴片;4-第三传输线;5-第四传输线;6-介质基板;7-方环形金属镀层;8-鱼骨型周期慢波结构;9-输入端口;10-输出端口;11-第一矩形孔;12-第一交指结构;13-第二交指结构。
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周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,如图1所示,包括介质基板。介质基板的上表面中央设置有耦合传输结构,耦合传输结构关于介质基板短边方向的对折线对称;如图2所示,耦合传输结构包括第一、第二交指结构以及金属贴片、第一至第四传输线,第一传输线、第四传输线分别位于介质基板的两端,第二传输线的一端与第一传输线连接,第三传输线的一端与第四传输线连接,第二传输线的另一端与第一交指结构的一端连接,第三传输线的另一端与第二交指结构的一端连接,第一交指结构的另一端与第二交指结构的另一端通过金属贴片连接。如图3所示,介质基板的下表面设置有一层方环形金属镀层,方环形金属镀层的外边延伸至介质基板的边沿;沿介质基板的短边方向,在方环形金属镀层上对称设置三组第一矩形孔;方环形金属镀层的中央还设置有关于介质基板下表面的中心对称的鱼骨型周期慢波结构;在鱼骨型周期慢波结构上,沿介质基板的短边方向,在对折线上设置第二矩形孔,在对折线两侧设置三组第三矩形孔。
第一、第二传输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、第四传输线的作用与之相同。
金属贴片包括金属贴片包括第一矩形金属片,第一矩形金属片的四个边沿中间分别连接第二至第五矩形金属片。第一矩形金属片长宽分别为1.8-2.8mm、2.8-3.8mm,第二至第四矩形金属片的大小可以相同也可以不同;当与第一、第二交指结构相连的第二、第四矩形金属片略大,尺寸为1.6mm*0.75mm,而另外与第一、第二交指结构不相连的第三、第五矩形金属片略小,尺寸为0.45mm*1.6mm时,滤波器的整体性能最好,带内带外S参数性能达到最优。
鱼骨型周期慢波结构由两种大小不同的周期性矩形贴片组合而成,如图4所示,其中,大的矩形贴片的长宽分别为3.4-3.8mm、1.3-1.7mm,小的矩形贴片的长宽分别为3.0-3.4mm、0.2-0.6mm。其中,当大的矩形贴片的尺寸为3.6mm*1.5mm,小的矩形贴片的尺寸为3.2mm*0.4mm时,滤波器的带内带外性能最优,抗干扰性能最强。鱼骨型周期慢波结构与方环形金属镀层之间的距离为0.2-0.4mm。
第一、第二、第三矩形孔的长边均与介质基板的短边平行,对折线两侧的第一矩形孔的间距从内向外逐渐变大,第三矩形孔的间距同样从内向外逐渐变大,三组第一矩形孔与对折线之间的距离分别为7.6-8mm、8-8.6mm、8.6mm-9.4mm,三组第三矩形孔与对折线之间的距离分别为0.5-0.7mm、0.6mm-0.9mm、0.9-1.2mm。第一、第二、第三矩形孔一样大时,能够实现滤波器的性能。而第二、第三矩形孔的尺寸相同,长宽分别为为2.2mm-2.4mm、0.15mm-0.25mm;第一矩形孔相较第二和第三矩形孔略大时,即长宽分别为2.6-2.8mm、0.3-0.4mm时,滤波器的带内带外性能更佳,抗干扰性能更好。
本发明中,介质基板上表面的耦合传输结构为双交指结构,实现紧耦合、进行能量传输,交指结构一般为5-9指。介质基板下表面加载的鱼骨型慢波结构为金属材质,它能够加强上表面双交指结构的耦合作用,同时能够改善滤波器的性能,增强滤波器的抗干扰能力,抑制通带内产生的寄生谐波的作用。介质基板下表面设置的第一、第二、第三矩形孔,为周期性渐变方孔,如图5所示,它能够改善滤波器带内带外的性能,抑制通带内的寄生谐波,加强上层交指间的耦合度,减少交指强耦合对交指指头间的缝隙间隔的要求,减少加工难度。通过交指结构、鱼骨型周期慢波结构和周期性渐变方孔的共同作用,超宽带滤波器特性得以实现,而且具有很好的性能。通过周期结构的作用,滤波器具有很好的耦合特性,而且具有很好的抗干扰特性,能够抑制带内谐波以及来自其他电路系统的干扰信号的作用。
本发明利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器的物理解释为:能量从双交指的耦合传输结构传输,其中,双交指的耦合传输结构与下表面的设置的第一至第三矩形孔以及鱼骨型慢波结构共同作用,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。下表面的鱼骨型周期慢波结构与周期性渐变方孔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。
本实施例中,介质基板采用Rogers 6002介质板,介电常数为2.94,厚度为0.508毫米。鱼骨型慢波结构距离方环形金属贴片的边缘为0.3mm。
本发明的工作原理为:第一传输线连接输入端口,第四传输线连接输出端口,输入端口外接信号源,使激励信号能够通过第一、第二传输线,再依次通过第一交指结构、金属贴片、第二交指结构以及第四、第五传输线,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;而下表面的方环形金属镀层配合鱼骨型周期慢波结构以及蚀刻的周期渐变孔阵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;通过与交指结构共同作用实现性能优越的超宽带滤波器。
图6和7本发明的仿真结果,由此可知,本发明的-3dB带宽为2.4GHz~7.8GHz,相对带宽FBW=106%。滤波器带内外的性能均很好,其中带内S21达到-1.2dB,S11达到-22dB,同时,滤波器的带外抑制也很好,抑制带宽很宽,达到了3GHz。
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 (8)

1.利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,包括介质基板;介质基板的上表面中央设置有耦合传输结构,耦合传输结构关于介质基板短边方向的对折线对称;耦合传输结构包括第一、第二交指结构以及金属贴片、第一至第四传输线,第一传输线、第四传输线分别位于介质基板的两端,第二传输线的一端与第一传输线连接,第三传输线的一端与第四传输线连接,第二传输线的另一端与第一交指结构的一端连接,第三传输线的另一端与第二交指结构的一端连接,第一交指结构的另一端与第二交指结构的另一端通过金属贴片连接;金属贴片包括第一矩形金属片,第一矩形金属片的四个边沿中间分别连接第二至第五矩形金属片,第一交指结构的另一端与第二交指结构的另一端分别通过第二和第四矩形金属片与第一矩形金属片的一对对边连接;介质基板的下表面设置有一层方环形金属镀层,方环形金属镀层的外边延伸至介质基板的边沿;沿介质基板的短边方向,在方环形金属镀层上对称设置三组第一矩形孔;方环形金属镀层的中央还设置有关于介质基板下表面的中心对称的鱼骨型周期慢波结构;在鱼骨型周期慢波结构上,沿介质基板的短边方向,在短边方向的对折线上设置第二矩形孔,在短边方向的对折线两侧设置三组第三矩形孔。
2.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,鱼骨型周期慢波结构由两种大小不同的周期性矩形贴片组合而成。
3.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,三组第三矩形孔与对折线之间的距离分别为0.5-0.7mm、0.6mm-0.9mm、0.9-1.2mm。
4.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,鱼骨型周期慢波结构与方环形金属镀层之间的距离为0.2-0.4mm。
5.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,第一、第二、第三矩形孔的长边均与介质基板的短边平行。
6.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,三组第一矩形孔与对折线之间的距离分别为7.6-8mm、8-8.6mm、8.6mm-9.4mm。
7.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,第一、第二交指结构均为5-9指。
8.根据权利要求1所述的利用周期结构与双交指耦合结构共同实现的超宽带滤波器,其特征在于,第二、第三矩形孔的尺寸相同。
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