CN107146932B - 基于平行耦合线的超宽带带通滤波器 - Google Patents

基于平行耦合线的超宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，包括中间层介质基板、位于介质基板顶层的微带结构、底层的金属接地板和两个输入\输出端口；微带结构包括第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线、第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器；两个输入\输出端口分别与两个枝节加载阶梯阻抗谐振器连接；金属接地板上包括第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元，第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元分别设置在第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线在金属接地板的投影位置。本发明设计简单，结构紧凑，加工方便且通带性能平稳，通带选择性较好。

Description

基于平行耦合线的超宽带带通滤波器
技术领域
本发明涉及超宽带滤波器技术，具体涉及一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器。
背景技术
2001年9月初国内发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。2002年超宽带无线技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC,Federal Communication Commission)的批准,可用于短距离无线通信中,这为超宽带技术产品的商业化应用打开了大门,促进了超宽带系统及其器件的进展。作为UWB通信系统中的关键器件之一，超宽带滤波器得到了广泛研究。
在对UWB滤波器的研究进程中，最早出现的是单模微带线滤波器，而后又出现了双模谐振器，之后引入了环形谐振器结构，但是都各有缺点。随着新技术、新工艺的出现以及人们对超宽带技术的进一步了解，超宽带滤波器的设计理论不断丰富和完善，新型超宽带滤波器不断地诞生和发展。
目前国内外设计超宽带滤波器的主要方法有：(1)双模与多模谐振器法，这类宽带/UWB带通滤波器设计方法简单，结构紧凑；(2)级联低通-高通或带通带阻法，这类超宽带滤波器尺寸较大，不符合小型化的要求，且插入损耗较高；(3)混合微带/CPW法，这种方法虽有紧凑的电路尺寸，但因为采用了双层结构，也需要特殊的安装手段，增加了其与系统集成的复杂度；
2012年王辉在论文《UWB bandpass filter with novel structure and supercompact size》中创新性的提出了三线耦合谐振器，并利用三线耦合谐振器加载枝节实现了超宽带滤波器，该滤波器具有极小的尺寸，但通带选择性仍有待进一步提高。2012年许进在《Sharp rejection UWB bandpass filter with notch band》这篇论文中利用半波长平行耦合谐振器的宽带特性实现了超宽带，并通过在级联的两个四分之一波长耦合线两端加载终端锻炼的平行耦合线实现了较好的通带选择性。但该论文通过背面缝隙和缺陷地(DGS)结构来实现耦合线的强耦合，终端短路的耦合线设计也相对比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，包括中间层介质基板、位于介质基板顶层的微带结构、底层的金属接地板和两个输入\输出端口；
所述的微带结构包括第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线、第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器；第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线串联，第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器并联在第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线的两端；两个输入\输出端口分别与两个枝节加载阶梯阻抗谐振器连接；
所述的金属接地板上包括第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元，第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元分别设置在第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线在金属接地板的投影位置。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明采用枝节加载阶梯阻抗谐振器、半波长平行三线耦合线以及背面缝隙技术，在超宽带频段内具有三个谐振模式，使其具有良好的通带性能；(2)本发明采用的三线耦合线和背面缝隙结构增强耦合，实现了超宽带带宽，相对带宽高达112.1％；(3)本发明采用的枝节加载阶梯阻抗谐振器可以在通带的上、下两侧各产生一个传输零点，极大的提高了通带的选择性能；(4)本发明中的超宽带滤波器充分利用了微带导带和接地单元的空间，有效减小了器件的体积，拓扑结构简单，电路模型紧凑，空间利用率高。
附图说明
图1是本发明超宽带带通滤波器的结构示意图。
图2是本发明超宽带带通滤波器的顶层微带结构示意图。
图3是本发明超宽带带通滤波器的底层金属地板结构示意图。
图4是本发明超宽带带通滤波器频率响应与群延时曲线示意图。
具体实施方式
结合图1，一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，包括中间层介质基板、位于介质基板顶层的微带结构、底层的金属接地板和两个输入\输出端口；
所述的微带结构包括第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线、第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器；第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线串联，第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器并联在第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线的两端；两个输入\输出端口分别与两个枝节加载阶梯阻抗谐振器连接；
所述的金属接地板上包括第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元，第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元分别设置在第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线在金属接地板的投影位置。
进一步的，结合图2，第一平行三线耦合线包括第四微带线4、第五微带线5和第六微带线6；第二平行三线耦合线包括第八微带线8、第九微带线9和第十微带线10；第四微带线4、第五微带线5分别与第一输入\输出端口1相连；第八微带线8、第九微带线9分别与第二输入输出端口14相连；第四微带线4和第八微带线8、第五微带线5和第九微带线9、第六微带线6和第十微带线10分别关于滤波器中心轴左右对称；第六微带线6和第十微带线10串联。
进一步的，第四微带线4、第五微带线5和第六微带线6相互平行，且间距相同；第八微带线8、第九微带线9和第十微带线10相互平行，且间距相同。
进一步的，第一枝节加载阶梯阻抗谐振器包括第二微带线2和第三微带线3；第二枝节加载阶梯阻抗谐振器包括第十二微带线12和第十三微带线13；第二微带线2的一端与第三微带线3相连，第二微带线2的另一端与第一输入\输出端口1相连；第十二微带线12的一端与第十三微带线13相连，第十二微带线12的另一端与第二输入\输出端口14相连。
进一步的，结合图3，所述的第一背面缝隙单元7和第二背面缝隙单元11是在金属单元上刻蚀形成的空气单元。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例基于平行耦合线的超宽带带通滤波器的结构如图1所示，中间层介质板为Rogers 4003C，厚度为0.508mm，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027。使用基于有限元法的3D电磁仿真软件HFSS对本发明提出的基于枝节加载阶梯阻抗谐振器的高选择性超宽带带通滤波器的结构进行优化仿真，最后得出的滤波器各微带线的尺寸参数如下：第四微带线4、第五微带线5、第八微带线8、第九微带线9长度均为7.55mm，宽度均为0.2mm；第六微带线6、第十微带线10长度均为7.55mm，宽度均为0.1mm；第二微带线2、第十二微带线12长度均为6.86mm，宽度为0.11mm；第三微带线3、第十三微带线13长度均为6.26mm，宽度为1.12mm；第一输入\输出端口1与第二输入\输出端口14为50欧姆的均匀传输线，其宽度为1.12mm；第一背面缝隙单元7、第二背面缝隙单元11长度为7.35mm，宽度为1.5mm；滤波器的微带线面积(除去输入输出端口)为15.72*6.79mm2，选择以上微带线的长度和宽度，来获得最优的频带内传输特性、频带选择性。
图4是本实施例中的基于平行耦合线的超宽带带通滤波器带宽S参数与群延时的仿真结果曲线图。从图4中可以看出，本发明的超宽带带通滤波器，工作频带为2.88-10.22GHz，中心工作频率位于6.55GHz处，绝对工作带宽为7.34GHz，3dB相对带宽为112.1％，通带内的插入损耗保持在0.5dB以内，回波损耗保持在-10dB以下。在通带的上侧2.44GHz和下侧11.09GHz处各有一个传输零点，所以通带的低截止边沿衰减斜率为79.78dB/GHz,高截止边沿衰减斜率为39.6dB/GHz，具有良好的通带选择性能。另外，本发明的超宽带带通滤波器的通带时延特性良好，通带内群时延均小于0.66ns。
本发明在实现满足超宽带无线通信频带要求的同时，相较之前的超宽带带通滤波器，具有更宽的工作带宽，更小的插入损耗，更好通带性能以及更高的通带选择性。

Claims (5)

1.一种基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，其特征在于，包括中间层介质基板、位于介质基板顶层的微带结构、底层的金属接地板和两个输入\输出端口；
所述的微带结构包括第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线、第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器；第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线串联，第一枝节加载阶梯阻抗谐振器和第二枝节加载阶梯阻抗谐振器并联在第一平行三线耦合线和第二平行三线耦合线的两端；两个输入\输出端口分别与两个枝节加载阶梯阻抗谐振器连接；
所述的金属接地板上包括第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元，第一背面缝隙单元和第二背面缝隙单元分别设置在第一平行三线耦合线、第二平行三线耦合线在金属接地板的投影位置。
2.根据权利要求1所述的基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，其特征在于，第一平行三线耦合线包括第四微带线(4)、第五微带线(5)和第六微带线(6)；第二平行三线耦合线包括第八微带线(8)、第九微带线(9)和第十微带线(10)；第四微带线(4)、第五微带线(5)分别与第一输入\输出端口(1)相连；第八微带线(8)、第九微带线(9)分别与第二输入输出端口(14)相连；第四微带线(4)和第八微带线(8)、第五微带线(5)和第九微带线(9)、第六微带线(6)和第十微带线(10)分别关于滤波器中心轴左右对称；第六微带线(6)和第十微带线(10)串联。
3.根据权利要求2所述的基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，其特征在于，第四微带线(4)、第五微带线(5)和第六微带线(6)相互平行，且间距相同；第八微带线(8)、第九微带线(9)和第十微带线(10)相互平行，且间距相同。
4.根据权利要求1所述的基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，其特征在于，第一枝节加载阶梯阻抗谐振器包括第二微带线(2)和第三微带线(3)；第二枝节加载阶梯阻抗谐振器包括第十二微带线(12)和第十三微带线(13)；第二微带线(2)的一端与第三微带线(3)相连，第二微带线(2)的另一端与第一输入\输出端口(1)相连；第十二微带线(12)的一端与第十三微带线(13)相连，第十二微带线(12)的另一端与第二输入\输出端口(14)相连。
5.根据权利要求1所述的基于平行耦合线的超宽带带通滤波器，其特征在于：所述的第一背面缝隙单元(7)和第二背面缝隙单元(11)是在金属单元上刻蚀形成的空气单元。
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