CN105070990A - 一种基于新型王字型多模谐振器的微带超宽带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

超宽带滤波器是超宽带通信系统中的关键器件，其性能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，它基于一种新型王字型多模谐振器(由开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35)。另外，通过在输入端口接入匹配枝节(短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)和开路传输线节14)和输出端口处接入匹配枝节(短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)和开路传输线节24)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高性能小型化等优点。

Description

一种基于新型王字型多模谐振器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王字型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(即第I层)刻蚀如图3所示的图案。其特征在于：开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35，构成一个王字型多模谐振器。输入馈线1通过一个渐变阻抗传输线节11，再由所连接的传输线节15和传输线节16与这个多模谐振器进行输入能量耦合。输出馈线2通过一个渐变阻抗传输线节21，再由所连接的传输线节25和传输线节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处连接了一个短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)和一个开路传输线节14。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线2处连接了一个短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)和一个开路传输线节24。

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王字型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是本发明所述王字型多模谐振器的结构示意图。

图5是本发明所述王字型多模谐振器的说明图。

图6(a)是本发明所述王字型多模谐振器的奇模等效电路。

图6(b)是本发明所述王字型多模谐振器的偶模等效电路。

图7是本发明所述王字型多模谐振器的结构尺寸标注。

图8是改变王字型多模谐振器的结构参数l₄对于其谐振特性的影响。

图9是本发明所述微带超宽带带通滤波器的结构尺寸标注。

图10是针对本发明实施例的S参数仿真和测试结果。

图11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、渐变阻抗传输线节11、短路传输线节12(短路由金属化通孔13来实现)、开路传输线节14、开路传输线节15、开路传输线节16、开路传输线节31、平行耦合线节32、开路传输线节33、平行耦合线节34、平行耦合线节35、开路传输线节36、开路传输线节26、开路传输线节25、开路传输线节24、短路传输线节22(短路由金属化通孔23来实现)、渐变阻抗传输线节21、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、渐变阻抗传输线节11、短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)、开路传输线节14、开路传输线节15、开路传输线节16、开路传输线节31、平行耦合线节32、开路传输线节33、平行耦合线节34、平行耦合线节35、开路传输线节36、开路传输线节26、开路传输线节25、开路传输线节24、短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)、渐变阻抗传输线节21及输出馈线2。其特征在于：开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35，构成一个多模谐振器，如图4所示。输入馈线1通过一个渐变阻抗传输线节11，再由所连接的开路传输线节15和开路传输线节16与这个多模谐振器进行输入能量耦合。输出馈线2通过一个渐变阻抗传输线节21，再由所连接的开路传输线节25和开路传输线节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处连接了一个短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)和一个开路传输线节14。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线2处连接了一个短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)和一个开路传输线节24。

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王字型多模谐振器，此多模谐振器的结构如图4所示，开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35，构成此王字型多模谐振器多模谐振器。如图5所示，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'处放置短路面，则得到多模谐振器的奇模等效电路，如图6(a)所示；如果在中心平面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(b)所示。为下面分析方便，设θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅和θ₆分别是图5中所示各个传输线节的电长度。另外，设Y₁是电长度为θ₁的传输线节的特征导纳；Y_2o和Y_2e是电长度为θ₂的平行耦合线节的奇模和偶模特征导纳；Y_3o和Y_3e是电长度为θ₃的平行耦合线节的奇模和偶模特征导纳；Y₄是电长度为θ₄的传输线节的特征导纳；Y_5o和Y_5e是电长度为θ₅的平行耦合线节的奇模和偶模特征导纳；Y₆是电长度为θ₆的传输线节的特征导纳；Y_ino1、Y_ino2、Y_ino3、Y_ino4和Y_ino是图6(a)中所示的各个位置处的输入导纳；Y_ine1、Y_ine2、Y_ine3、Y_ine4和Y_ine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Y_ino为

$Y_{ino}=Y_1\frac{(Y_{ino2}+Y_{ino4})+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+j(Y_{ino2}+Y_{ino4}){\mathrm{tan\θ}}_1}$

其中

Z₁₁＝-j0.5(1/Y_5e+1/Y_5o)cotθ₅

Z₃₁＝-j0.5(1/Y_5e-1/Y_5o)cotθ₅

$Y_{ino1}=\frac{Z_{11}}{Z_{11}^2-Z_{31}^2}$

$Y_{ino2}=Y_{3o}\frac{Y_{ino1}+{\mathrm{jY}}_{3o}{\mathrm{tan\θ}}_3}{Y_{3o}+{\mathrm{jY}}_{ino1}{\mathrm{tan\θ}}_3}$

Y_ino3＝jY₄tanθ₄-jY₆cotθ₆

$Y_{ino4}=Y_{2o}\frac{Y_{ino3}+{\mathrm{jY}}_{2o}{\mathrm{tan\θ}}_2}{Y_{2o}+{\mathrm{jY}}_{ino3}{\mathrm{tan\θ}}_2}$

让Y_ino＝0即可确定奇模谐振频率。

由图6(b)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Y_ine为

$Y_{ine}=Y_1\frac{(Y_{ine2}+Y_{ine4})+{\mathrm{jY}}_1{\mathrm{tan\θ}}_1}{Y_1+j(Y_{ine2}+Y_{ine4}){\mathrm{tan\θ}}_1}$

其中

$Y_{ine1}=\frac{1}{Z_{11}}$

$Y_{ine2}=Y_{3e}\frac{Y_{ine1}+{\mathrm{jY}}_{3e}{\mathrm{tan\θ}}_3}{Y_{3e}+{\mathrm{jY}}_{ine1}{\mathrm{tan\θ}}_3}$

Y_ine3＝jY₄tanθ₄+jY₆tanθ₆

$Y_{ine4}=Y_{2e}\frac{Y_{ine3}+{\mathrm{jY}}_{2e}{\mathrm{tan\θ}}_2}{Y_{2e}+{\mathrm{jY}}_{ine3}{\mathrm{tan\θ}}_2}$

让Y_ine＝0即可确定偶模谐振频率。

为了结合实例深入了解该多模谐振器的谐振特性，采用基片RogersRT/duroid5880(相对介电常数为2.2,基片厚度为0.508mm)设计了一个多模谐振器，如图7所示，结构参数取为：l₁＝9.6mm,l₂＝3.48mm,l₃＝1.76mm,l₄＝2mm,l₅＝2mm,w＝0.12mm。如果按照此多模谐振器的尺寸直接对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，第一个谐振频率f_o1和第三个谐振频率f_o2是奇模谐振频率，第二个谐振频率f_e1和第四个谐振频率f_e2是偶模谐振频率。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它影响，这说明了奇偶模分析结果的正确性。

	fo1	fe1	fo2	fe2
					仿真结果	4.63	7.14	9.41	10.83
分析结果	4.62	7.20	9.54	10.54

为了进一步了解多模谐振器的结构参数与其谐振频率之间的关系，对结构参数l₄选择了不同的值进行了电磁仿真，仿真结果如图8所示。可以看到，随着结构参数l₄的增加，奇模谐振频率f_o1和f_o2几乎没有变化，偶模谐振频率f_e1略为降低，而第二个偶模谐振频率f_e2则有明显的降低。因此，通过调节结构参数l₄可以控制多模谐振器的谐振特性。

基于这个多模谐振器，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通过一个渐变阻抗传输线节11，再由所连接的传输线节15和传输线节16与这个多模谐振器进行输入能量耦合。输出馈线2通过一个渐变阻抗传输线节21，再由所连接的传输线节25和传输线节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处连接了一个短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)和一个开路传输线节14。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线2处连接了一个短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)和一个开路传输线节24。

基于前面的分析，在基片RogersRT/duroid5880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＝9.6mm,l₂＝3.48mm,l₃＝1.76mm,l₄＝2mm,l₅＝2mm,l₆＝7.4mm,l₇＝0.5mm,l₈＝3.8mm,l₉＝0.8mm,l₁₀＝3.3mm,w＝0.12mm,s₁＝0.57mm,s₂＝0.6mm,a＝0.8mm,d＝0.5mm。滤波器的整个尺寸为0.69λ_g×0.18λ_g，其中λ_g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。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。从图中可以看出，滤波器的3dB带宽覆盖3.2-11.2GHz，相对带宽为111％。整个通带内的回波损耗优于10.5dB。在通带外的频率范围11.86-15.13GHz内能够获得大于40dB的抑制，具有良好的频率特性。群时延在0.6-0.8ns之间波动，在整个通带内相对来说比较平坦。

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.本发明提供一种新型王字型多模谐振器。该多模谐振器的特征在于：在微带的金属上覆层I内包括开路传输线节31、平行耦合线节32、开路传输线节33、平行耦合线节34、平行耦合线节35和开路传输线节36；由开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35，构成此王字型多模谐振器。

2.根据权利要求1，由奇偶模分析方法可知，该多模谐振器有四个主要的谐振模式。其中，第一个谐振频率f_o1和第三个谐振频率f_o2是奇模谐振频率，第二个谐振频率f_e1和第四个谐振频率f_e2是偶模谐振频率。

3.根据权利要求1，调整结构参数l₄可以灵活得控制王字型多模谐振器的第二个偶模谐振频率f_e2。

4.根据权利要求1，可构造一个微带超宽带滤波器，它在微带的金属上覆层I内包括如下图案：输入馈线1、渐变阻抗传输线节11、短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)、开路传输线节14、开路传输线节15、开路传输线节16、开路传输线节31、平行耦合线节32、开路传输线节33、平行耦合线节34、平行耦合线节35、开路传输线节36、开路传输线节26、开路传输线节25、开路传输线节24、短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)、渐变阻抗传输线节21及输出馈线2。其特征在于：开路传输线节31和开路传输线节36分别连接到平行耦合线节32，平行耦合线节32的一端连接开路传输线节33，平行耦合线节32的另外一端连接平行耦合线节34和平行耦合线节35，构成一个多模谐振器，如图4所示。输入馈线1通过一个渐变阻抗传输线节11，再由所连接的开路传输线节15和开路传输线节16与这个多模谐振器进行输入能量耦合。输出馈线2通过一个渐变阻抗传输线节21，再由所连接的开路传输线节25和开路传输线节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处连接了一个短路传输线节12(通过金属化通孔13来实现短路)和一个开路传输线节14。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线2处连接了一个短路传输线节22(通过金属化通孔23来实现短路)和一个开路传输线节24。