CN108736117B - 一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，下层微带线结构中采用高低阻抗级联的开路枝节，可利用高低阻抗微带线的低通特性对高频信号产生传输零点；上层微带线结构中采用阶梯阻抗级联的开路枝节，可实现更好的宽带匹配，得到低插入损耗、过渡带陡峭、超宽阻带、群时延低的超宽带滤波器。同时，上层微带线中阶梯阻抗微带线的长度与下层微带线中高低阻抗微带线的长度不等，这种非对称的结构不仅能满足上、下层微带线与中间的槽线谐振器良好的匹配，还能在滤波器通带内增加传输极点，在滤波器高频阻带内增加传输零点，使得滤波器通带内纹波较好，具有良好的过渡带和较好的阻带性能。

Description

一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器

技术领域

本发明涉及带通滤波器，具体涉及一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器。

背景技术

新型通信系统的持续增加与频谱资源有限性之间的矛盾不断加深，不仅需要提高原有频率的利用率，更高容量和更快速率的新技术也亟待发明。超宽带技术以其得天独厚的优异性能被各界寄予厚望，成为近十多年通信系统中最具有应用潜力的技术之一。作为超宽带系统前端核心组件的超宽带滤波器，其性能将直接对整个系统产生重大影响，成为了研究热点。

为了保证邻近超宽带系统之间不能相互干扰，超宽带滤波器需要有比较陡峭的过渡带和较好的阻带性能。另外，超宽带系统采用的是脉冲方式传输信息，由于脉冲信号产生和消失的时间非常短暂，因此要求整个系统具有较小且平坦的群时延特性。作为超宽带系统的一部分，滤波器也必须满足以上要求。为了适应微波集成电路小型化的要求，滤波器不仅需要优良的性能，而且要求体积小、结构紧凑，便于集成于互联网。近年来，超宽带滤波器的设计不断被提出，新技术、新工艺的出现使得超宽带滤波器的设计理论方法得到不断丰富和完善。这些技术大致可以分为多模谐振器法、优化短路枝节线法、滤波器级联法、复合左右手传输结构和微带垂直过渡结构等。其中，基于微带垂直过渡结构的超宽带滤波器因其具有立体电路的特点，结构简单，易于微波电路集成等优点，而被广泛应用。

然而，基于微带垂直过渡结构的超宽带滤波器谐波抑制度差，使得通带外的寄生通带明显，阻带极窄，在实际应用中容易引入杂波，造成邻近超宽带通信系统相互干扰。此外，目前大多数超宽带滤波器通带内的群时延较大，平坦度也不够，会引起到达接收端的信号因各频率分量的相移或时延不同而产生相位关系的紊乱，即相位失真。为了使超宽带滤波器有比较好的过渡带和较好的阻带性能，通常采用多阶级联等方式，不仅导致滤波器的插入损耗大，还会牺牲滤波器整体尺寸，不利于系统的小型化。如图1所示，为目前常用的基于微带垂直过渡结构的超宽带滤波器的结构示意图。其中，开路枝节长度等于通带中心频率处对应波长的四分之一，随着频率增加、波长减小，开路枝节长度交替地等于四分之一波长的奇数倍和四分之一波长的偶数倍，开路枝节在槽线的正上方交替地等效为短路、开路，加上槽线谐振器有电耦合、磁耦合作用，最终导致滤波器产生很多寄生通带，其中二次寄生通带和三次寄生通带影响最大。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的上层微带线结构、共地金属板结构和下层微带线结构；其中，上层微带线结构包括上层基板7，以及设置于上层基板7上表面的依次连接的第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3，所述第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3为宽度递增的三级阶梯阻抗；所述下层微带线结构包括下层基板8，以及设置于下层基板8下表面的依次连接的第四微带线4、第五微带线5和第六微带线6，所述第五微带线5和第六微带线6级联，形成高低阻抗微带线结构，且第五微带线5为高阻抗线，第六微带线6为低阻抗线；所述共地金属板结构包括共地金属板9，以及设置于共地金属板9之上的槽线谐振器10，所述槽线谐振器10包括一条垂直于上层微带线传输方向的条形槽，以及位于条形槽两端的直线型或折线形槽，所述条形槽位于第一微带线和第二微带线连接处的正下方，以及第五微带线和第六微带线连接处的正上方。

进一步地，所述第一微带线1为输入或输出微带线，其特征阻抗为50欧姆；所述第二微带线2和第三微带线3级联形成阶梯阻抗微带线结构，且第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3的阻抗依次递增。

进一步地，所述第二微带线和第三微带线的长度之和为L₁，λ₀/2＞L₁＞λ₀/4，其中，λ₀为通带中心频率对应的波长。

进一步地，所述第四微带线4为输入或输出微带线，其特征阻抗为50欧姆；所述第五微带线5和第六微带线6级联，形成高低阻抗微带线结构，且第五微带线5为高阻抗线，第六微带线6为低阻抗线。

进一步地，所述第五微带线5和第六微带线6的长度之和为L₂，L₂＜λ₀/4，其中，λ₀为通带中心频率对应的波长。

进一步地，所述上层基板7和下层基板8可根据实际应用选取不同材质的基板，具体可以为FR4(玻璃纤维环氧树脂)、Rogers RO4003C或Rogers RT/duroid 5880等；不同材质的基板具有不同的相对介电常数，在工作频率相等的情况下，相对介电常数越大，滤波器尺寸越小，反之越大。

进一步地，所述共地金属板9的材料为金属，位于上层基板7和下层基板8之间，其形状和大小与上层基板7和下层基板8完全相同，其厚度会影响电磁耦合强度，该共地金属板主要是作为上层微带线结构和下层微带线结构的公共接地金属平板。

进一步地，所述槽线谐振器10为共地金属板9上刻蚀镂空形成的槽，包括一条垂直于上层微带线传输方向的条形槽，以及位于条形槽两端的直线型或折线形槽，所述槽线谐振器为对称结构。

进一步地，所述槽线谐振器10为“工”字形槽，槽的长宽影响槽线谐振器的耦合强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，采用非对称的上层微带线和下层微带线结构，不仅能满足上、下层微带线与中间的槽线谐振器良好的匹配，还能在滤波器通带内增加传输极点，在滤波器高频阻带内增加传输零点，使得滤波器通带内纹波较好，具有良好的过渡带和较好的阻带性能。

2、本发明提供的一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器中，下层微带线结构中采用高低阻抗级联的开路枝节，可利用高低阻抗微带线的低通特性对高频信号产生传输零点；上层微带线结构中采用阶梯阻抗级联的开路枝节，可实现更好的宽带匹配，得到低插入损耗、过渡带陡峭、超宽阻带、群时延低的毫米波滤波器。

3、本发明提供的一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，相较于多级级联滤波器，其结构简单，易于加工，性能优异，整体尺寸小于0.5×1cm²，有利于实现系统小型化。

附图说明

图1为背景技术中基于微带垂直过渡结构的超宽带滤波器的结构示意图；

图2为本发明提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器的结构示意图；

图3为本发明提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器的等效电路图；

图4为实施例得到的毫米波带通滤波器的传输特性测试曲线；

图5为实施例得到的毫米波带通滤波器的群时延特性测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图2所示，为本发明提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器的结构示意图；其中，X轴垂直于第一、第二和第三微带线，Y轴平行于第一、第二和第三微带线，Z轴垂直于上、下层基板。包括自上而下依次设置的上层微带线结构、共地金属板结构和下层微带线结构；其中，上层微带线结构包括上层基板7，以及设置于上层基板7上表面的第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3，所述第一微带线1用于输入或者输出微波信号的超低损耗传输，其特征阻抗为50欧姆，第二微带线2和第三微带线3级联形成阶梯阻抗微带线结构，且沿Y轴正方向，第一微带线1、第二微带线2和第三微带线3的阻抗依次递增；所述下层微带线结构包括下层基板8，以及设置于下层基板8下表面的第四微带线4、第五微带线5和第六微带线6，所述第四微带线4用于输入或者输出微波信号的超低损耗传输，其特征阻抗为50欧姆，第五微带线5和第六微带线6级联，形成高低阻抗微带线结构，且沿Y轴负方向，第五微带线5为高阻抗线，第六微带线6为低阻抗线，两段微带线长度之和为L₂，L₂＜λ₀/4，其中，λ₀为通带中心频率对应的波长；所述共地金属板结构包括共地金属板9，以及设置于共地金属板之上的槽线谐振器10，所述共地金属板9的材料为金属，其形状和大小与上层基板7和下层基板8完全重合，所述槽线谐振器10为共地金属板9上刻蚀镂空形成的槽，包括一条沿X轴的条形槽，以及位于条形槽两端的直线型或折线形槽，槽线谐振器关于X轴和Y轴对称，比如“工”字形槽；其中，第一微带线和第二微带线连接处、槽线谐振器10的中心、第五微带线和第六微带线连接处在同一条垂线Z轴上。

本发明提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其整体结构为互易结构，第一微带线1和第四微带线4既可以作为信号输入端，也可以作为信号输出端(当第一微带线1为信号输入端时，第四微带线4为信号输出端；当第一微带线1为信号输出端时，第四微带线4为信号输入端)，得到的滤波效果是完全相同的。假设，微波信号从第四微带线4输入，第六微带线6一端开路，经过第五微带线5和第六微带线6构成的四分之一波长开路枝节后，阻抗表现为短路，而短路处磁场最强，即第四微带线4和第五微带线5连接处的磁场最强，第五微带线5和第六微带线6级联形成高低阻抗微带线结构，具有低通特性，对包含二次寄生、三次寄生通带等高频信号有很好抑制作用，从而保证了滤波器超宽的上阻带；绝大部分电磁场被束缚在下层基板8中，从而激励位于下层基板8上表面的槽线谐振器10；槽线谐振器10采用对称结构设计，磁场方向与槽线方向一致，微波信号主要通过磁耦合到槽线谐振器10，实现了超宽带的带通滤波效果；第二微带线2和第三微带线3级联形成阶梯阻抗微带线结构，具有宽带匹配特性，保证了第一微带线1输出端与槽线谐振器10之间能够低插损地传输宽带微波信号。其中，第二微带线和第三微带的长度之和L₁≠第五微带线5和第六微带线6的长度之和L₂，在通带内增加了传输极点，上阻带增加了传输零点，进一步拓宽了阻带带宽。微带线2、3、5、6的长宽以及槽线谐振器10中槽的长宽影响层间电路的匹配，通过优化设计，能实现层间电路匹配良好，实现通带内插损小、平坦度好、过渡带陡峭，具有超宽的阻带，且通带内群时延低，群时延平坦度好的技术效果。

本发明的工作原理如下：

如图3所示，为本发明提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器的等效电路图。其中，第二微带线2和第三微带线3级联形成的阶梯阻抗微带线开路枝节等效为纯抗性元件，引入的阻抗等效为jXm，使得第一微带线1与槽线谐振器10之间能实现宽带匹配效果；第五微带线5和第六微带线6级联形成的高低阻抗微带线开路枝节也等效为纯抗性元件，引入的阻抗等效为jXn，具有低通特性，对包括二次寄生通带、三次寄生通带等高频信号进行反射抑制；槽线谐振器10与上下层微带线之间的耦合等效为磁耦合器，耦合系数为n，槽线谐振器引入的阻抗等效为jX1。通过优化微带线2、3、5、6的长宽以及槽线谐振器10中槽的长宽，使得jX1与jXm、jX1与jXn之间通过磁耦合器阻抗变换后达到良好的阻抗匹配，就会实现低插入损耗、过渡带陡峭、超宽阻带的带通滤波器性能。

实施例

本实施例提供的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器中，上层基板7和下层基板8的材质为Rogers RT/duroid 5880，大小为4.5×10mm²，厚度为0.254mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；第一、二、三、四、五、六微带线金属层厚度为17μm，材质为金属铜；第一微带线1的长度为5mm、宽度为0.67mm，第二微带线2的长度为2.49mm、宽度为1.29mm，第三微带线3的长度为1.51mm、宽度为2mm，第四微带线4的长度为5mm、宽度为0.67mm，第五微带线5的长度为0.63mm、宽度为0.13mm，第六微带线6的长度为2.67mm、宽度为2mm；共地金属板9的材质为金属铜，厚度为17μm，大小为4.5×10mm²；槽线谐振器10中，沿X轴的条形槽的长度为3.7mm、宽度为0.2mm，沿Y轴的两个条形槽的长度为4.7mm、宽度为0.2mm，槽线谐振器关于X轴和Y轴对称。所述带通滤波器整体尺寸为10mm×4.5mm×0.559mm。

下面通过商用三维电磁仿真软件HFSS对实施例得到的滤波器进行仿真：如图4所示，为实施例得到的毫米波带通滤波器的传输特性测试曲线；如图5所示，为实施例得到的毫米波带通滤波器的群时延特性测试曲线。由图4可知，实施例得到的毫米波带通滤波器，3dB通带为4.3GHz～20.5GHz，相对带宽约为131％；带内插损低于0.7dB，6.2GHz～19.6GHz的回波损耗小于-15dB，且通带上下边带陡峭，矩形系数高。特别地，滤波器上阻带从23GHz到60GHz以外，阻带带宽大于40GHz，阻带内的S₂₁均低于13dB，大部分低于15dB。由图5可知，实施例得到的毫米波带通滤波器在6GHz～19.6GHz的通带范围的群延时最小为0.74ns，最大为1.13ns，群时延平坦度小于0.39ns。表明本发明得到的毫米波带通滤波器具有超宽的阻带和极小且平坦的群时延，能够保证相邻超宽带系统互不干扰，保证超宽带系统信号不失真的传输。

本发明提供的一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器中，下层微带线结构中采用高低阻抗级联的开路枝节，可利用高低阻抗微带线的低通特性对高频信号产生传输零点；上层微带线结构中采用阶梯阻抗级联的开路枝节，可实现更好的宽带匹配，得到低插入损耗、过渡带陡峭、超宽阻带、群时延低的超宽带滤波器。同时，上层微带线中阶梯阻抗微带线的长度与下层微带线中高低阻抗微带线的长度不等，这种非对称的结构不仅能满足上、下层微带线与中间的槽线谐振器良好的匹配，还能在滤波器通带内增加传输极点，在滤波器高频阻带内增加传输零点，使得滤波器通带内纹波较好，具有良好的过渡带和较好的阻带性能。另外，相较于多级级联滤波器，其结构简单，易于加工，性能优异，整体尺寸小于0.5×1cm²，有利于实现系统小型化。

Claims (5)

1.一种具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的上层微带线结构、共地金属板结构和下层微带线结构；其中，上层微带线结构包括上层基板(7)，以及设置于上层基板(7)上表面的第一微带线(1)、第二微带线(2)和第三微带线(3)，所述第一微带线(1)、第二微带线(2)和第三微带线(3)为宽度递增的三级阶梯阻抗；所述下层微带线结构包括下层基板(8)，以及设置于下层基板(8)下表面的第四微带线(4)、第五微带线(5)和第六微带线(6)，所述第五微带线(5)和第六微带线(6)级联，形成高低阻抗微带线结构，且第五微带线(5)为高阻抗线，第六微带线(6)为低阻抗线；所述共地金属板结构包括共地金属板(9)，以及设置于共地金属板(9)之上的槽线谐振器(10)，所述槽线谐振器(10)为共地金属板(9)上刻蚀镂空形成的槽，包括一条沿X轴的条形槽，以及位于条形槽两端的直线型或折线形槽，槽线谐振器关于X轴和Y轴对称，所述条形槽位于第一微带线和第二微带线连接处的正下方，以及第五微带线和第六微带线连接处的正上方。

2.根据权利要求1所述的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，所述第二微带线和第三微带线的长度之和为L₁，λ₀/2＞L₁＞λ₀/4，其中，λ₀为通带中心频率对应的波长。

3.根据权利要求1所述的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，所述第五微带线和第六微带线的长度之和为L₂，L₂＜λ₀/4，其中，λ₀为通带中心频率对应的波长。

4.根据权利要求1所述的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，所述上层基板(7)和下层基板(8)根据实际应用选取不同材质的基板，为FR4、Rogers RO4003C或RogersRT/duroid 5880。

5.根据权利要求1所述的具有超宽阻带的毫米波带通滤波器，其特征在于，所述槽线谐振器(10)为“工”字形槽。

Images