CN111092283A

CN111092283A - 一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器及应用

Info

Publication number: CN111092283A
Application number: CN202010006071.8A
Authority: CN
Inventors: 曾志斌; 白磊; 庄奕琪; 叶川
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111092283B

Abstract

本发明涉及一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器及应用，包括一个大扇形开路枝节、第一小扇形开路枝节、第二小扇形开路枝节、两个矩形缺陷地结构、四个螺旋形缺陷地结构谐振器以及第一平行耦合线和第二平行耦合线。加载的两对共四个螺旋形缺陷地结构谐振器，每个螺旋形缺陷地结构谐振器内部嵌入一个变容二极管，并且同样每对螺旋形缺陷地结构谐振器各设置一个独立的直流电压源进行独立调节。本发明可在通带内大约2.8GHz~7GHz的一个大范围内实现陷波阻带位置的连续调节且陷波深度均能保证在‑10dB以下，可以根据现场干扰情况，灵活调节来抑制干扰严重的窄带通信频带，能够满足各种不同的应用场景需求。

Description

一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器及应用

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，本发明涉及一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器及应用。

背景技术

美国联邦通讯委员会(FCC)早在2002年就已免费开放了3.1GHz ~ 10.6GHz这一7.5GHz的宝贵频段作为商用。超宽带（UWB）滤波器在超宽带系统中发挥着至关重要的作用。3.1GHz~10.6GHz的UWB频段内还存在一些现有的其它窄带通信系统，包括无线局域网WLAN(5.15~5.35GHz及5.725~5.85GHz)、X波段卫星通信系统(7.25~7.75 GHz及7.9~8.395GHz)、全球微波互联接入系统Wimax(3.4~3.6GHz)、RFID(5.8GHz)等。为了适应多种不同的应用环境，国内外对于陷波可调的研究也在不断的进行探索与尝试，也提出了多种不同的实现方案。包括在滤波器与微带线谐振器之间加载齐纳二极管的方式，可以实现多个位置处陷波有与无之间的随意切换；通过在微带线谐振器与地之间加载变容二极管(Varactor Diode)的方式实现了陷波位置的可调，在保证陷波阻带内插入损耗大于10dB的前提下，能使陷波的位置在一个大约2GHz的频率范围内实现连续的调节。但是国内外目前的研究中用于实现陷波可调的方式仍然比较局限，并且效果也并不尽如人意，所以亟待探索一些新的方法。

当今社会通信技术的发展日新月异，不断地有新的通信系统被开发出来，例如5G通信，它们可能会占用一些新的频段，而即使是现有的一些窄带通信系统也可能会占用一些新的频段。故而在UWB通信系统3.1~10.6GHz的通带内存在的被开发的窄带通信频段并不一定总是固定的，一成不变的，并且当UWB滤波器应用于不同的地方不同的环境时遇到的窄带通信系统的干扰频段也可能各不相同。所以，如果能实现UWB通带内陷波阻带的位置乃至带宽的可调节的话就可有效解决这个问题，就能让UWB带通滤波器适用于多种不同的应用环境了。而可调滤波器作为射频前端的重要部件，具有很大的应用市场和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对目前的陷波可调方式局限、效果又不尽人意的问题，提出了一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器，实现陷波位置在一个较大的范围内可调。

本发明采用的技术方案是：

一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器，包括

上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属，所述上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面，所述下层接地金属附着在中间层介质基板的下表面，

所述上层微带结构中可调滤波器的第一端口和第二端口分位于介质基板的上层，分别位于介质基板的两侧，第一微带线和第二微带线分别与对应的第一端口和第二端口连接，且第一微带线与第二微带线位于同一水平线上；所述第一端口通过第一微带线与第一平行耦合线的位于上下部的耦合线的一端连接，所述第一平行耦合线的位于中部的耦合线的另一端与第三微带线一端连接；所述第二端口通过第二微带线与第二平行耦合线的位于上下部的耦合线的一端连接，所述第二平行耦合线的位于中部的耦合线的另一端与第四微带线一端连接；所述第三微带线的另一端和第四微带线的另一端分别与大扇形开路枝节两端连接，通过平行耦合实现滤波；

在第一平行耦合线和第二平行耦合线的正下方分别设置有一个矩形缺陷地结构，用于增强第一平行耦合线和第二平行耦合线的输入输出端的耦合，所述2个矩形缺陷地结构均刻蚀在接地金属层上；

在第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线的正下方分别设置有一个螺旋形缺陷地结构谐振器，且4个螺旋形缺陷地结构谐振器均刻蚀在接地金属层上，位于所述第一微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器和位于所述第二微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器分别通过电源线与第一直流电源连接，位于所述第三微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器与所述第四微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器分别通过电源线与第二直流电源连接；

在每个螺旋形缺陷地结构谐振器的第一狭缝内部均加载有可调元件，通过调节可调元件的反向电压实现陷波阻带位置的连续调节。

优选的，在四个螺旋形缺陷地结构谐振器的第一狭缝内部均加载有变容二极管，在每个螺旋形缺陷地结构谐振器的第二狭缝内部均加载有隔直电容，所述隔直电容用于将地面与直流电源隔离，所述隔直电容采用的是贴片电容，其电容值可选为100nF。

优选的，在变容二极管与隔直电容之间设置有压焊块，所述压焊块用于焊接变容二极管、隔直电容以及电源线，所述变容二极管的型号为MA46H120。

优选的，所述大扇形开路枝节两端还设置有第一小扇形开路枝节和第二小扇形开路枝节，所述第一小扇形开路枝节连接在第三微带线上，所述第二小扇形开路枝节连接在第四微带线上；

所述大扇形开路枝节上的扇形结构的半径R₁=4.1mm，其张角为52°，所述第一小扇形开路枝节和第二小扇形开路枝节上的扇形结构的半径均为R₂=1.12，其张角为53°。

优选的，所述第一微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向与所述第二微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向相互对称，所述第三微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向与所述第四微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向相互对称。

优选的，所述第一直流电源和所述第二直流电源与螺旋形缺陷地结构谐振器连接之间串联有电阻元件和电感元件，所述电阻元件加载到螺旋形缺陷地结构谐振器旁边，所述电阻元件的面积S=0.25mm²，所述电感元件加载在远离螺旋形缺陷地结构谐振器的凹槽内；

所述电感元件均包括寄生电阻和电感，所述电感元件的型号为Coilcrafl 0603CS82N，其电感值为200nH，所述电阻元件为贴片电阻。

优选的，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线的长度均为L₁=3.5mm，其宽度为W₁=1.38mm，所述第一平行耦合线和第二平行耦合线均包括3根传输线，且每根传输线的长度均为L₂=6.5mm，其宽度为W₂=0.2mm，所述2个矩形缺陷地结构的长度均为L₃=6.4mm，其宽度为W₃=1.1mm。

优选的，所述第一狭缝宽度大于变容二极管的宽度，所述第一狭缝高度与变容二极管高度相同，具体为，所述第一狭缝宽度为W₄=0.4mm，所述变容二极管的宽度为W₅=0.3mm，其高度均为H₁=0.3mm；

所述介质基板的型号为Rogers RT/duroid 5880，所述介质基板的厚度为H₂=1mm，其相对介电常数为2.2。

一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器在超短波电台中的应用，其调节动态范围大、抗干扰性强，通信距离远。

一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器在广播电视网无线系统中的应用。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明中两组（4个）相同的螺旋形缺陷地结构谐振器的第一狭缝内部各加载1个变容二极管，通过调节变容二极管的反向电压能够实现陷波阻带位置的连续调节，并在每个螺旋形缺陷地结构谐振器的第二狭缝内部加载一个隔直电容，将地面与直流电源进行隔离，然后还在变容二极管与隔直电容之间设置一个压焊块（patch），用于焊接变容二极管、隔直电容以及电源线，并通过电源线连接直流电源，且每组螺旋形缺陷地结构谐振器各自设置有一个直流电源来进行单独控制，便于在发生偏差时进行调节。同时，在第一直流电源和第二直流电源与螺旋形缺陷地结构谐振器之间均串联一个电阻元件和电感元件，所述电阻元件加载到螺旋形缺陷地结构谐振器旁边，所述电感元件加载在远离螺旋形缺陷地结构谐振器的凹槽内。通过在第一平行耦合线和第二平行耦合线的正下方设置矩形缺陷地结构，增强第一平行耦合线和第二平行耦合线的输入输出端耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器的示意图；

图2为图1中扇形开路枝节的示意图；

图3为加载变容二极管和隔直电容后的螺旋形缺陷地结构谐振器的示意图；

图4为加载变容二极管及电源网络后的螺旋形缺陷地结构谐振器的示意图；

图5为加载变容二极管、隔直电容和电阻元件后的螺旋形缺陷地结构谐振器的示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器的频率响应曲线。

其中，1-第一端口；2-第二端口；3-第一微带线；4-第二微带线；5-第一平行耦合线；6-第二平行耦合线；7-第三微带线；8-第四微带线；9-缺陷地结构；10-大扇形开路枝节；11-螺旋形缺陷地结构谐振器；12-变容二极管；13-隔直电容；14-电源线；15-第一小扇形开路枝节；16-第二小扇形开路枝节；17-第一直流电源；18-第二直流电源；19-电阻元件；20-电感元件；21-压焊块；22-第一狭缝；23-第二狭缝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明具体公开了一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器，包括上层微带结构、中间层介质基板和下层接地金属，所述上层微带结构附着在中间层介质基板的上表面，所述下层接地金属附着在中间层介质基板的下表面，所述上层微带结构中可调滤波器的第一端口1和第二端口2位于介质基板的上层，分别位于介质基板的两侧，第一微带线3和第二微带线4分别与对应的第一端口1和第二端口2连接，且第一微带线3与第二微带线4位于同一水平线上；所述第一端口1通过第一微带线3与第一平行耦合线5的位于上下部的耦合线的一端连接，所述第一平行耦合线5的位于中部的耦合线的另一端与第三微带线7一端连接；所述第二端口2通过第二微带线4与第二平行耦合线6的位于上下部的耦合线的一端连接，所述第二平行耦合线6的位于中部的耦合线的另一端与第四微带线8一端连接；所述第三微带线7的另一端和第四微带线8的另一端分别与大扇形开路枝节19两端连接，通过平行耦合实现滤波。

在第一平行耦合线5和第二平行耦合线6的正下方分别设置有一个矩形缺陷地结构9，用于增强第一平行耦合线5和第二平行耦合线6的输入输出端的耦合，获得较为平坦的通带波纹，所述2个矩形缺陷地结构均刻蚀在接地金属层上。

在第一微带线3、第二微带线4、第三微带线7和第四微带线8的正下方分别设置有一个螺旋形缺陷地结构谐振器11，且4个螺旋形缺陷地结构谐振器11均刻蚀在接地金属层上，位于所述第一微带线3正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11和位于所述第二微带线4正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11分别通过电源线14与第一直流电源17连接，位于所述第三微带线7正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11与所述第四微带线8正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11分别通过电源线与第二直流电源18连接。

在每个螺旋形缺陷地结构谐振器11的第一狭缝22内部均加载有可调元件，通过调节可调元件的反向电压实现陷波阻带位置的连续调节。

在本实施例中，可调元件包括MEMS可调电容及开关、PIN二极管、液晶可调电容、铁电可调电容等；在本发明中优选使用变容二极管，由于变容二极管成本低，尺寸小，易于集成，控制方便。

在本实施例中，第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线均为50欧姆的微带线；第一微带线3正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11的设置方向与所述第二微带线4正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11的设置方向相互对称，所述第三微带线7正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11的设置方向与所述第四微带线8正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器11的设置方向相互对称。

上述所述的两组相互对称的螺旋形缺陷地结构谐振器11的第一狭缝22内部各加载一个变容二极管12，并且每组螺旋形缺陷地结构谐振器11各连接一个直流电源进行独立调节，同时通过两个矩形缺陷地结构9增强第一平行耦合线5和第二平行耦合线6的输入输出端的耦合。

如图2所示，所述大扇形开路枝节10两端还设置有第一小扇形开路枝节和第二小扇形开路枝节，所述第一小扇形开路枝节15连接在第三微带线7上，所述第二小扇形开路枝节16连接在第四微带线8上；所述大扇形开路枝节10上的扇形结构的半径R₁=4.1mm，其张角为52°，所述第一小扇形开路枝节15和第二小扇形开路枝节16上的扇形结构的半径均为R₂=1.12，其张角为53°，所述第一微带线3、第二微带线4、第三微带线7和第四微带线8的长度均为L₁=3.5mm，其宽度为W₁=1.38mm，所述第一平行耦合线5和第二平行耦合线6均包括3根传输线，且每根传输线的长度均为L₂=6.5mm，其宽度为W₂=0.2mm。

螺旋形缺陷地结构谐振器11产生陷波的原理是它可以等效为一个L、C的并联谐振电路与原滤波器并联，滤波器在它的谐振频率点处会产生传输零点，从而形成陷波阻带。因此，若能实现螺旋形缺陷地结构谐振器11等效电感值L或等效电容值C的可调节，就能实现其谐振频率的可调节，从而就能实现陷波位置的可调节，但实现等效电感L的可调节比较困难，而螺旋形缺陷地结构谐振器11的等效电容C主要是由其狭缝来实现的，所以在螺旋形缺陷地结构谐振器11的狭缝内部加载一个变容二极管12，就相当于在原来的等效电容C的基础上并联了一个电容二极管的电容，再在变容二极管12两端加上反向偏压，则可通过调节反向偏压就可以调节变容二极管12的等效电容值，进而就可以调节螺旋形缺陷地结构谐振器11的等效电容值，从而实现陷波位置的调节。如图3和5所示，由于螺旋形缺陷地结构谐振器11的狭缝宽度一般只有零点几毫米，变容二极管的尺寸一般都比它大，并且还要考虑留足够的空间来加电源网络，所以必须要将狭缝的局部加宽，再加载变容二极管，具体为，所述第一狭缝22宽度为W₄=0.4mm，所述变容二极管12的宽度为W₅=0.3mm，其高度均为H₁=0.3mm。

除了在螺旋形缺陷地结构谐振器11的狭缝内部加载一个变容二极管12，还需要在螺旋形缺陷地结构谐振器11的另一个狭缝内部加载一个隔直电容13，将地面与直流电源进行隔离，然后还需要在变容二极管12与隔直电容13之间设置一个压焊块（patch），用于焊接变容二极管12、隔直电容13以及电源线14，并通过电源线14与直流电源连接。

如图4所示，事实上，仅仅通过在螺旋形缺陷地结构谐振器11的另一个狭缝内部加载一个隔直电容23，还远远达不到理想的隔离效果，因为地面上的电磁波能量仍然可能通过隔直电容23耦合到直流电源网络中而损失掉，并且也可能因电流太大而烧毁电路，因此，还需要在直流电源与螺旋形缺陷地结构谐振器之间再串联一个电阻元件19或电感元件20，就能更好的实现隔离效果。

上述所述的电阻元件19是直接加载到螺旋形缺陷地结构谐振器11旁边的，由于电感元件20尺寸比较大，为了避免对螺旋形缺陷地结构谐振器11影响太大，采用在离DGS结构较远的位置挖槽然后再加载。此外，由于变容二极管12的焊接空间有限，为了更方便焊接，将螺旋形缺陷地结构谐振器11内部靠近变容二极管12的微带馈线突出了一部分。

然后，在上述所述的变容二极管12与隔直电容13之间设置有压焊块（patch）21，所述压焊块（patch）21用于焊接变容二极管12、隔直电容13以及电源线14，所述变容二极管12的型号为MA46H120

上述所述的介质基板选用Rogers RT/duroid 5880型号，其厚度为1mm，相对介电常数2.2；变容二极管12型号为MA46H120，当反向偏压在0~12V之间变动时，其等效电容能在1.3pF~0.12pF之间连续变化；电感元件20的型号为Coilcrafl 0603CS82N，电感值为200nH；电阻元件19选择贴片电阻；隔直电容13为贴片电容，容值可选为100nF。

本发明的频率响应曲线如图6所示，具体可以参照实质审查参考资料，当变容二极管12电容值从0.12pF到1.3pF变动时，滤波器能在通带内产生陷波，陷波位置大约能从7GHz变化到2.8GHz，即陷波位置能在一个高达4.2GHz的范围内随意调节，所有位置处的陷波深度基本均能大于15dB，而通带其他部分仍能保持良好特性。同时，为了避免由于某些加工偏差导致两对螺旋形缺陷地结构谐振器在相同电压下产生的传输零点位置不一致而使陷波发生分裂，为两对螺旋形缺陷地结构谐振器各设置一个直流电压源来进行独立控制，便于在发生偏差时进行调节。

本发明的具有可调陷波的超宽带带通滤波器实现了UWB通带内陷波阻带的位置乃至带宽的可调节，其在超短波电台及广播电视网无线系统中均有应用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，包括

在第一平行耦合线和第二平行耦合线的正下方分别设置有一个矩形缺陷地结构，用于增强第一平行耦合线和第二平行耦合线的输入输出端的耦合，2个矩形缺陷地结构均刻蚀在接地金属层上；

2.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，在内个螺旋形缺陷地结构谐振器的第一狭缝内部均加载有变容二极管，在每个螺旋形缺陷地结构谐振器的第二狭缝内部均加载有隔直电容，所述隔直电容用于将地面与直流电源隔离，所述隔直电容采用的是贴片电容，其电容值可选为100nF。

3.根据权利要求2所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，在变容二极管与隔直电容之间设置有压焊块，所述压焊块用于焊接变容二极管、隔直电容以及电源线，所述变容二极管的型号为MA46H120。

4.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述大扇形开路枝节两端还设置有第一小扇形开路枝节和第二小扇形开路枝节，所述第一小扇形开路枝节连接在第三微带线上，所述第二小扇形开路枝节连接在第四微带线上；

所述大扇形开路枝节上的扇形结构的半径R₁＝4.1mm，其张角为52°，所述第一小扇形开路枝节和第二小扇形开路枝节上的扇形结构的半径均为R₂＝1.12，其张角为53°。

5.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向与所述第二微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向相互对称，所述第三微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向与所述第四微带线正下方的螺旋形缺陷地结构谐振器的设置方向相互对称。

6.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一直流电源和所述第二直流电源与螺旋形缺陷地结构谐振器连接之间串联有电阻元件和电感元件，所述电阻元件加载到螺旋形缺陷地结构谐振器旁边，所述电阻元件的面积S＝0.25mm²，所述电感元件加载在远离螺旋形缺陷地结构谐振器的凹槽内；

7.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线的长度均为L₁＝3.5mm，其宽度为W₁＝1.38mm，所述第一平行耦合线和第二平行耦合线均包括3根传输线，且每根传输线的长度均为L₂＝6.5mm，其宽度为W₂＝0.2mm，所述2个矩形缺陷地结构的长度均为L₃＝6.4mm，其宽度为W₃＝1.1mm。

8.根据权利要求1所述的具有可调陷波的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一狭缝宽度大于变容二极管的宽度，所述第一狭缝高度与变容二极管高度相同，具体为，所述第一狭缝宽度为W₄＝0.4mm，所述变容二极管的宽度为W₅＝0.3mm，其高度均为H₁＝0.3mm；

所述介质基板的型号为Rogers RT/duroid 5880，所述介质基板的厚度为H₂＝1mm，其相对介电常数为2.2。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器在超短波电台中的应用，其调节动态范围大、抗干扰性强，通信距离远。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种具有可调陷波的超宽带带通滤波器在广播电视网无线系统中的应用。