CN111129674A - 基于e型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器 - Google Patents

基于e型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器。该滤波器的特征在于：所述滤波器的外形由E型谐振器(1)和多模谐振器组成，保证了滤波器结构的紧凑性；在低阻抗线部分(3)内嵌开路短截线(7)，提高了滤波器的抑制性能，实现了小型化的要求；在单陷波超宽带滤波器的基础上加载一个E型谐振器，E型谐振器包括第一开路谐振枝节(4)，第二开路谐振枝节(6)，中心开路谐振枝节(5)，之间通过耦合可得到三陷波。在第一开路谐振枝节(4)和中心开路谐振枝节(5)的最右侧分别倒置一个小长方形枝节，可以提高陷波抑制特性。此设计可以在不增加滤波器面积的基础上，实现多陷波的功能，且陷波抑制特性优异。

Description

基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器
技术领域：
本发明涉及到微波通信领域，是一种结构紧凑、制作简单，并可用于微波电路进行滤波的基于E型谐振器的超宽带带通滤波器。
背景技术：
目前，在射频和微波领域，使用的比较广泛的电子器件是微带滤波器，因为微带滤波器是平面结构，它可通过调节介质的介电常数来控制工作频率，此外，它具有尺寸小、易于加工、易于和有源电路集成、成本低等许多优点，所以，微带滤波器是近年来专家学者们研究的热点。从有无有源器件(单极型管、集成运放)组成来看，微带滤波器可以分为有源、无源两种。其中，有源滤波器滤波性能好、补偿无功功率以及具有动态补偿无功功率，具有很多优点，但是它也有着许多缺点，如体积大，功耗大，容量小以及成本较高等，这些缺点表明对有源滤波器的研究存在着一定的困难。而与有源滤波器不同的是，无源滤波器无论是在易于集成方面，还是抗噪声干扰和传输增益方面，都具有很大的优势，所以，这导致了更多的专家们对无源滤波器进行研究。
随着科学的发展与进步，越来越多的通信系统出现在我们的生活中，比如出现较早的蓝牙、数字广播、GSM，数据链等各种技术，对频谱的划分要求越来越高。2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)将3.1GHz至10.6GHz的频段批准用于商业通信，这个波段称为超宽带。超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术最初用于军事应用，由于随着该技术的迅速发展和对无线业务的需求不断增加，因此该技术被应用于各种领域。由于UWB系统通带带宽相对较大，通带中许多窄带为无用或者干扰信道，需要采取相应举措对此种窄带信号进行抑制。具体说来，干扰信号包括：频率范围从5.15GHz到5.825GHz的无线局域网(WLAN)、从3.1GHz到3.8GHz的全球微波互联接入系统(WiMAX)、6.1GHz与6.8GHz附近的RFID及从4GHz到8GHz的C波段和从8GHz到12GHz的X波段信号。避免上述信号对UWB系统可能产生的干扰，是当前UWB滤波器设计中提出陷波阻带要求的初衷。此外，上述潜在干扰信号频率和带宽各异，如何采取有效技术手段灵活应对不同中心频率和带宽的干扰信号，已成为当前UWB滤波器设计中的热点和难点问题之一。此滤波器的发明目标是设计具有抑制WiMAX，WLAN和RFID卫星通信系统干扰信号特性的超宽带带通滤波器。
从现有文献来看，已经研究的具有陷波特性的超宽带滤波器主要包括：外加开路枝节陷波滤波器、马刺狭缝结构陷波滤波器、缺陷地结构(DGS)滤波器陷波滤波器等。
发明内容
为了满足微波技术发展的需求，本发明的主要目的是，提供了一种基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器。
本发明提供一种基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的拓扑结构。由于对于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，而只能采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。
商用的高频电磁仿真软件有多种，我采用的是HFSS 13.0对提出的三陷波超宽带滤波器结构进行优化仿真，仿真结果与理论分析一致。
本发明是一种基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器。采用介电常数εr＝2.65，介质厚度h＝1mm的材质进行仿真优化,本发明新型结构的实际尺寸为47mm*9.74mm。
所述基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，微带基板的两侧分布有一对输入信号端口和输出信号端口，分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，馈线宽度为1.16mm。
所述基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的外形由一个E型谐振器和一个三模谐振器组成，其中E型谐振器包括第一开路谐振枝节(4)，第二开路谐振枝节(6)，中心开路谐振枝节(5)，这是滤波器的主体。在E型谐振器最上面的枝节和中间的枝节上设置两个小长方形枝节，组成提高陷波抑制结构。E型谐振器去掉中心开路谐振枝节时，与超宽带滤波器进行耦合产生第二陷波，加上中心开路谐振枝节即产生第三陷波，E型谐振器相应尺寸是经过优化得来的。
所述基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，在三模谐振器的低阻抗线部分(3)内嵌开路短截线(7)，其中开路枝节长为13.1mm，宽为0.1mm，产生第一陷波，能够有效抑制WiMAX波段的干扰，提高了滤波器陷波性能，并且不增加滤波器的面积，保证了滤波器小型化的实现。
在本发明的具体实施例子中，所述E型谐振器结构、耦合线和馈线材质均为铜箔。
从现有文献来看，已经研究的具有陷波特性的超宽带滤波器主要包括：外加开路枝节陷波滤波器、马刺狭缝结构陷波滤波器、缺陷地结构(DGS)滤波器陷波滤波器等。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括一个E型谐振器(1)、一个开路短截线(7)、一个低阻抗线(3)、两个高阻抗线(2)和微带馈线；所述基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器在MMR中低阻抗线部分(3)内嵌一个开路短截线(7)，低阻抗线在两个高阻抗线的中间；在MMR上方0.1mm处加载一个E型谐振器，在E型谐振器的第一开路枝节(4)和中心开路枝节(5)上放置两个小长方形枝节，组成提高陷波抑制结构；微带基板的两侧分布有一对输入信号端口和输出信号端口，分别设置在所述滤波器结构的左侧和右侧，馈线宽度为1.16mm。
本发明的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，具体尺寸如下：
所述的MMR中高阻抗线长为7.8mm，宽为1.1,6mm，低阻抗线长为15.2mm，宽为1.17mm，MMR的耦合线的长度为7.9mm；在低阻抗线部分(3)内嵌一个开路短截线(7)，开路短截线的长为13.1mm，宽为0.1mm，低阻抗线上下平行枝干宽为0.1mm，左右平行枝干宽为1mm；在MMR中低阻抗线的上方0.1mm处加载一个E型谐振器(1)，E型谐振器的宽为0.2mm，E型谐振器的第一开路谐振枝节(4)长为5.3mm，第二开路谐振枝节的长为(6)5.9mm，中心开路谐振枝节的长为(6)5.5mm；在第一开路谐振枝节和中心开路谐振枝节最右边上各朝下方放置一个小长方形枝节，长为2mm，宽为0.2mm。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种新型的多陷波特性的超宽带带通滤波器拓扑结构，即基于E型型谐振器的超宽带带通滤波器；将所仿真优化的具有多陷波特性的超宽带滤波器和理论分析对比，结果表明，本发明滤波器整体性能与理论分析一致；本文设计的具有陷波特性的超宽带滤波器的频率带宽为3.1GHz-10.2GHz,相对带宽为107％,通带内的插入损耗小于1dB,并且通带内的回波损耗均低于10dB；三个陷波中心频率为f1＝3.8GHz，f2＝5.1GHz，f3＝6.6GHz，陷波的插入损耗分别达到-12dB、-14.3dB和-13.2dB，每个陷波的相对带宽为1.5％、1.2％、0.9％，展现出了较好的窄带抑制特性，可以有效的抑制WiMAX、WLAN和RFID频段对超宽带通信频段的干扰。
由上可知，该滤波器不仅结构简单，尺寸较小，而且插入损耗低，回波损耗高，陷波带宽窄，具有良好窄带抑制特性。
附图说明
图1为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的几何结构示意图。
图2为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的超宽带滤波器拓扑图。
图3为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的嵌入式开路枝节拓扑图。
图4为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的单陷波超宽带滤波器拓扑图。
图5为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的单陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。
图6为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的三陷波超宽带滤波器拓扑结构图。
图7为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的三陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。
图8为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的双陷波超宽带滤波器拓扑结构图。
图9为本发明基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的双陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明：
图1为本发明提供的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的几何结构示意图。该滤波器包括：一个E型谐振器、一个三模谐振器、一个开路短截线和微带馈线，其特征在于：一个低阻抗线(3)和两个高阻抗线(2)组成MMR，MMR和微带馈线之间具有耦合间隙，MMR具有多个共振模式，这些模式可以同时激发，形成超宽带通带；在超宽带低阻抗线中内嵌一个开路短截线(7)，保证了滤波器小型化的要求，并实现了良好的陷波抑制特性；在低阻抗线部分的上方加载了一个E型谐振器(1)，在E型谐振器的第一开路谐振枝节(4)和中心开路谐振枝节(5)最右方各倒放一个小长方形枝节，提高了陷波抑制性能，实现了滤波器结构紧凑的要求。
图2为基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的超宽带滤波器拓扑图，一个低阻抗线和两个高阻抗线组成多模谐振器，多模谐振器具有多个共振模式，这些模式可以同时激发，形成超宽带通带。
图3为基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的嵌入式开路枝节拓扑图，在半波长低阻抗线(3)里内嵌开路短截线(7)，能够减少低阻抗线两侧的宽度来增大开路支节的宽度，对此谐振器而言，高频电流主要从两侧的微带线流过，流过开路支节线的电流较少，减少支线开路支节与耦合微带线的耦合，产生的陷波频带较窄，窄带抑制特性好。
图4、图5为基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的单陷波超宽带滤波器拓扑图以及单陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。在原来的超宽带结构的基础上内嵌了一个开路短截线(7)，保证了滤波器结构的小型化，其开路短截线的长宽分别为：L5＝13.1mm,W5＝0.1mm。当内嵌开路短截线L5＝13.1mm时，陷波中心频率为f1＝3.8GHz，陷波达到-12dB，陷波宽带为0.5GHz，3dB处相对带宽为12.9％，能够有效的抑制WiMAX信号产生的干扰。
图6、图7为基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的三陷波超宽带滤波器拓扑图以及三陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。在单陷波超宽带滤波器上加载E型谐振器得到三陷波，在E型谐振器(1)的第一开路谐振枝节(4)和中心开路谐振枝节(5)上最有方各倒置一个小长方形枝节，提高陷波抑制特性。E型谐振器的各部分元件参数为：L6＝5.9mm、L7＝7mm、L8＝5.3mm、L9＝2mm、W7＝0.2mm。加载E型谐振器可以得到三个陷波，陷波中心频率为f1＝3.8GHz，f2＝5.1GHz，f3＝6.6GHz，陷波的插入损耗分别达到-12dB、-14.3dB和-13.2dB，每个陷波的相对带宽为1.5％、1.2％、0.9％。展现出了较好的窄带抑制特性，可以有效的抑制WiMAX、WLAN和RFID频段对超宽带通信频段的干扰。
图8、图9为基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器的双陷波超宽带滤波器拓扑图以及双陷波超宽带滤波器S参数仿真曲线图。当L5长为13.2mm时，表现为双陷波超宽带滤波器，即陷f1＝3.8GHz消失。双陷波中心频率分别为f2＝5.1GHz，f3＝6.6GHz。由此可得，通过调节内嵌开路短截线L5的长度，能够实现双陷波和三陷波之间的转换。
本发明是一种新型的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，具有结构紧凑，性能良好等优点。
以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，微带基片的介电常数为2.65,介质厚度为1mm，包括一个微带基板、一个E型谐振器、一个三模谐振器、一个开路短截线和微带馈线；其特征在于：所述基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器由一个λ/2低阻抗线部分(3)和两个相同的λ/4高阻抗线部分(2)连接组成MMR；MMR和馈线之间通过耦合间隙耦合，形成超宽带；在λ/2低阻抗线里内嵌开路短截线(7)，以减少低阻抗线两侧的宽度来增大开路支节的宽度；高频电流主要从低阻抗线两侧的微带线流过，流过开路支节线的较少，从而减少支线开路支节与耦合微带线之间的耦合；在此基础上加载了一个E型谐振器，E型谐振器包括第一开路谐振枝节(4)，第二开路谐振枝节(6)，中心开路谐振枝节(5)，在E型谐振器最上面的枝节和中间的枝节上设置两个小长方形枝节，组成提高陷波抑制结构；当低阻抗线里内嵌的开路短截线的长为L5-2d时，低阻抗线里相当于没有内嵌开路短截线，此时超宽带滤波器实现双陷波的功能。
2.如权利要求1所述的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，其特征在于：两个所述的三模谐振器耦合线的长度为L3＝7.9mm，平行耦合线的宽度为W3＝0.1mm，平行耦合线之间的耦合间距S＝0.1mm；两个高阻抗线的长度为L4＝7.8mm，宽度为W1＝1.16mm；低阻抗线的长度为L1＝15.2mm，宽度为W1＝1.17mm；低阻抗线内嵌开路短截线的长为L5＝13.1mm，宽为W5＝0.1mm；所述E型谐振器的长度为L7＝7mm，E型谐振器下方枝节为L6＝5.9mm，上方枝节为L8＝5.3mm，中间枝节长为L8＝5.3mm，宽为W7＝0.2mm,E型谐振器和多模超宽带结构之间的耦合距离为S＝0.1mm。
3.如权利要求1所述的基于E型谐振器的三陷波超宽带带通滤波器，其特征在于：所述E型谐振器、三模谐振器和开路短截线材质均为铜箔。
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