CN112332051B - 一种超宽带滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超宽带滤波器。该超宽带滤波器包括由上至下依次设置的金属微带、夹层介质基板和金属地层，金属微带包括金属板以及设置在金属板上的金属微带结构，金属微带结构关于对称面呈左右镜像对称，第一端口连接线连接外部设备，外部设备发送的能量通过第一端口连接线传输至第一U形蜿蜒节，能量经第一U形蜿蜒节高频滤波后传输至第一加载枝节，经第一加载枝节选择后传输至输入耦合段，经输入耦合段耦合后依次传输至六模谐振器、输出耦合段、第二加载枝节、第二U形蜿蜒节、第二端口连接线。本发明具有超宽带宽、高选择性和高阻带抑制性。

Description

一种超宽带滤波器
技术领域
本发明涉及滤波器设计领域，特别是涉及一种超宽带滤波器。
背景技术
随着现代通信系统的迅猛发展，宽带化、高速化成为其主要的发展趋势。由此宽带甚至超宽带通信技术而生。超宽带通信系统由于其传输速率高、抗干扰能力强、功耗低等优点而吸引了众多研究关注，而超宽带带通滤波器作为其关键器件，也成为了研究的重点和热点。据美国联邦通信委(FCC)规定，超宽带滤波器指的是相对带宽大于20％的滤波器。已有多种超宽带滤波器的设计方法被提出，例如通过级联高通与低通滤波器可得到超宽带滤波器，但是这种方式的物理尺寸庞大，不利于小型化；加载短路枝节线是设计超宽带滤波器的又一成熟方法，但是其通带带宽的展宽与带外性能的改善仅可依靠增加短路枝节阶数来完成，结构可控性差。同时，短路枝节中短路通孔的制造也提升了加工的难度；此外，使用加载枝节的多模谐振器是近年来相关设计的主要手段。同样地，由于常需使用短路通孔，也为制造工艺的简化带来压力。
以上多种方法设计所得的超宽带滤波器具有一典型通病，即难以同时兼顾超宽带宽、高选择性和高带外抑制，这一问题也成为目前超宽带滤波器在高标准通信系统的应用瓶颈。为改善以上的带外性能，一些研究方法被提出：在专利“一种基于DGS结构的谐波抑制超宽带滤波器”，通过引入缺陷地结构(DGS)即在金属地层刻蚀图案从而在阻带中产生了多路传输零点，进而提高选择性的同时也改善了带外抑制，但这种方式需要破坏地层结构，同时也不利于简化加工；在专利“一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构”中，使用了多种紧凑微带谐振单元进行高选择性的超宽带滤波器设计，但结构较为复杂，且需要制造多个短路通孔，同样不利于简化加工。此外，值得注意的是，虽然采用了不同方法对带外性能进行了改善，所得超宽带滤波器的阻带抑制水平仍是差强人意，仅为20-30dB，与高性能系统要求仍存在一定距离。
因而，如何设计出具有高选择性和高带外抑制的超宽带滤波器成为相关设计仍未能突破的技术难点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种超宽带滤波器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超宽带滤波器，包括由上至下依次设置的金属微带、夹层介质基板和金属地层，所述金属微带包括金属板以及设置在所述金属板上的金属微带结构，所述金属微带结构关于对称面呈左右镜像对称，所述金属微带结构包括第一端口连接线、第二端口连接线、第一U形蜿蜒节、第二U形蜿蜒节、第一加载枝节、第二加载枝节、输入耦合段、输出耦合段和六模谐振器；
所述第一端口连接线连接外部设备，所述外部设备发送的能量通过所述第一端口连接线传输至所述第一U形蜿蜒节，所述能量经所述第一U形蜿蜒节高频滤波后传输至所述第一加载枝节，经所述第一加载枝节选择后传输至所述输入耦合段，经所述输入耦合段耦合后依次传输至所述六模谐振器、所述输出耦合段、所述第二加载枝节、所述第二U形蜿蜒节以及所述第二端口连接线。
可选地，所述六模谐振器自身结构关于对称面呈现左右镜像对称，所述六模谐振器包括依次排列的四分之一波长高阻抗线、二分之一波长低阻抗线和四份之一高阻抗线。
可选地，所述第一加载枝节和所述第二加载枝节均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。
可选地，所述金属微带和所述金属地层采用沉金金属。
可选地，所述金属微带和所述金属地层厚度均为0.004mm。
可选地，所述金属微带和所述夹层介质基板采用陶瓷材料。
可选地，所述夹层介质基板的相对介电常数为9.6。
可选地，所述夹层介质基板的厚度为0.508mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)同时兼顾了超宽带宽、高选择性和高阻带抑制，可应用于高标准超宽带通信系统中。
(2)无需使用短路通孔或缺陷地结构即可实现高选择性及高阻带抑制，便于简化加工制造，缩减加工成本。
(3)使用多模谐振器构造通带，体积紧凑。
(4)结构简单，仅使用简约的U形蜿蜒节即使阻带抑制水平大幅度提升，实现高抑制水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明金属微带结构组成示意图；
图2为本发明金属微带背面示意图；
图3为本发明金属微带结构具体尺寸示意图；
图4为本发明金属微带背面具体尺寸示意图；
图5为本发明超宽带滤波器S参数响应示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
通常地，超宽带带通滤波器的选择性较低、带外抑制水平较差，严重制约超宽带带通滤波器性能发展以及在高性能系统中的应用。本发明旨在解决超宽带带通滤波器在超宽通带、高选择性以及高带外抑制三个方面的兼顾问题。图1为本发明金属微带结构组成示意图。如图1所示，一种超宽带滤波器包括由上至下依次设置的金属微带、夹层介质基板和金属地层，图2为本发明金属微带背面示意图，所述金属微带包括金属板以及设置在所述金属板上的金属微带结构，所述金属微带结构关于对称面呈左右镜像对称，所述金属微带结构包括第一端口连接线1、第二端口连接线2、第一U形蜿蜒节3、第二U形蜿蜒节4、第一加载枝节5、第二加载枝节6、输入耦合段7、输出耦合段8和六模谐振器9。
所述第一端口连接线1连接外部设备，所述外部设备发送的能量通过所述第一端口连接线1传输至所述第一U形蜿蜒节3，所述能量经所述第一U形蜿蜒节3高频滤波后传输至所述第一加载枝节5，经所述第一加载枝节5选择后传输至所述输入耦合段7，经所述输入耦合段7耦合后依次传输至所述六模谐振器9、所述输出耦合段8、所述第二加载枝节6、所述第二U形蜿蜒节4、第二端口连接线2。
所述六模谐振器9自身结构关于对称面呈现左右镜像对称，所述六模谐振器9包括依次排列的四分之一波长高阻抗线、二分之一波长低阻抗线和四份之一高阻抗线。由于其阶梯阻抗和对称结构特性，可形成六种模式谐振，用以组建具有超带宽的滤波通带。
所述第一加载枝节5和所述第二加载枝节6均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。所述第一加载枝节5和所述第二加载枝节6用以形成四分之一波长基波型谐振和四分之三波长谐波型谐振，从而分别在宽通带低频侧和高频侧形成多路传输零点，以提高滤波器的选择性及矩形系数。
所述第一U形蜿蜒节3和所述第二U形蜿蜒节4分别与第一端口连接线1及第二端口连接线2级联，均用以引入等效电感效应，从而形成低通滤波效果，以提高超宽带宽通带高频侧的带外抑制水平。
所述金属微带和所述金属地层采用沉金金属。所述金属微带和所述金属地层厚度均为0.004mm。所述金属微带和所述夹层介质基板采用陶瓷材料。所述夹层介质基板的相对介电常数为9.6。所述夹层介质基板的厚度为0.508mm。具体尺寸标注如图3和图4所示：L1＝2mm，L2＝2.64mm，L3＝1.3mm，L4＝3.65mm，L5＝3.32mm，L6＝2mm，L7＝6mm，L8＝3.35mm，L9＝19.9mm，L10＝6.33mm，W1＝0.48mm，W2＝0.2mm，W3＝1mm，W4＝0.1mm，W5＝0.08mm，W6＝1mm，W7＝1.2mm，W8＝0.05mm。
所得具有高选择性和高带外抑制的超宽带滤波器S参数(散射参数)仿真结果如图5所示。可见，该滤波器的3dB工作频段为4.7-12.5GHz，对应相对带宽为91％，具有超宽带带宽；插入损耗小于-1dB，回波损耗优于-15dB；同时，由于通带低频侧两路传输零点和高频侧一路传输零点的存在，选择性大大提高，低频侧及高频侧的带外滚降率为91dB/GHz和39dB/GHz；此外，由于低通U形蜿蜒节的使用，带外抑制水平得到大幅度提高，其中，在0-4GHz的低频阻带中，抑制水平优于-40dB，在14-18GHz的高频阻带中，抑制水平优于-55dB。由此可见，所得超宽带滤波器同时兼有超宽带带宽、高选择性和高带外抑制，具有良好的实际应用潜力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种超宽带滤波器，其特征在于，包括由上至下依次设置的金属微带、夹层介质基板和金属地层，所述金属微带包括金属板以及设置在所述金属板上的金属微带结构，所述金属微带结构关于对称面呈左右镜像对称，所述金属微带结构包括第一端口连接线、第二端口连接线、第一U形蜿蜒节、第二U形蜿蜒节、第一加载枝节、第二加载枝节、输入耦合段、输出耦合段和六模谐振器；
所述第一端口连接线连接外部设备，所述外部设备发送的能量通过所述第一端口连接线传输至所述第一U形蜿蜒节，所述能量经所述第一U形蜿蜒节高频滤波后传输至所述第一加载枝节，经所述第一加载枝节选择后传输至所述输入耦合段，经所述输入耦合段耦合后依次传输至所述六模谐振器、所述输出耦合段、所述第二加载枝节、所述第二U形蜿蜒节以及所述第二端口连接线；
所述六模谐振器自身结构关于对称面呈现左右镜像对称，所述六模谐振器包括依次排列的四分之一波长高阻抗线、二分之一波长低阻抗线和四份之一高阻抗线。
2.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述第一加载枝节和所述第二加载枝节均为四分之一波长阶梯阻抗谐振器。
3.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述金属微带和所述金属地层采用沉金金属。
4.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述金属微带和所述金属地层厚度均为0.004mm。
5.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述金属微带和所述夹层介质基板采用陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述夹层介质基板的相对介电常数为9.6。
7.根据权利要求1所述的超宽带滤波器，其特征在于，所述夹层介质基板的厚度为0.508mm。
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