CN113708030A - 基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器 - Google Patents

基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于缝隙多模谐振器的平衡超宽带带通滤波器，解决了共模干扰强、通带窄、选择性低和尺寸大的问题。滤波器包括介质基板上表面印制的两个U型与矩形微带线，金属地板上蚀刻有两条第一、第二阶梯阻抗缝隙线和多模缝隙谐振器。矩形微带线与金属底板上第一、第二阶梯阻抗缝隙线穿插处位置重合，形成了三线交指耦合结构。本发明运用U型微带转矩形缝隙线结构，将共模与差模分离，实现良好的共模抑制；三线交指耦合结构加强输入输出信号耦合；用多模缝隙谐振器对滤波器陷波特性调整。本发明拥有超带宽、小尺寸、高选择性及良好的共模抑制特性，应用于电磁微波及射频电路与系统领域中。

Description

基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器
技术领域
本发明属于电磁微波和射频技术领域，主要涉及尺寸小、频带宽的带通滤波器，具体是一种基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器，可应用于射频微波电路及系统。
背景技术
在现有的许多无线通信系统中，对微波元件带宽和传输速率提出了更高的要求。微波滤波器作为现代通信系统中一个重要组成部分，滤波器的性能关乎到整个系统的通信质量。其中，具有小尺寸、频带宽、性能稳定等优点的超宽带(Ultra-wideband，UWB)滤波器被广泛应用，信号具有较强的穿透力和抗干扰能力是UWB技术的显著优点。近年来，超宽带滤波器的设计方法被不断提出，超宽带滤波器根据功能的不同有多种设计方法，其中多模谐振器法成为最广泛应用的方法。多模谐振器利用其产生的高次谐振模式，对馈线端口与谐振器之间的耦合进行加强。传统微带技术的超宽带多模滤波器存在阻带较窄、带外选择性较差以及尺寸较大的缺点，无法满足超宽带滤波器高性能的要求，所以研究具有良好带外抑制特性且具有小型化特点的超宽带滤波器具有重大的意义。另一方面，随着现代电磁环境的日益复杂，抗共模抑制能力要求越来越高，因此差分电路被提出并受到广泛关注。差分电路因其出色的抗共模(CM)干扰能力，提高系统动态范围而被广泛采用。微带-缝隙线(MS)过渡结构，因其固有的抗CM干扰能力和独立的差模(DM)响应，被广泛用于差分无源器件中。为了提升差分超宽带带通滤波器的性能，包括带内陷波、带外抑制、带外选择性、共模抑制度等，差分超宽带带通滤波器的研究受到了国内外众多学者越来越多的关注。
例如，2020年Wei Feng等学者在2015IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters(vol.25,no.2,pp.76-78,Feb.2015.)上发表的“Compact Balanced Dual-andTri-band Bandpass Filters Based on Stub Loaded Resonators,”论文中，提出了一种新型的具有高共模(CM)抑制的双带或三频差模(DM)带通滤波器。该滤波器设计了双带平衡带通滤波器和三带平衡带通滤波器。该滤波器采用四种矩形变形地面结构来增加I/O端口与开路加载枝节之间的耦合，从而提高了DM通带性能。该滤波器输入端口采用两个并联四分之一波长的开放存根三波段滤波器可以导致第一和第二通带之间的一个传输零点，从而实现高选择性。通过在该滤波器双模开路负载谐振器上再添加两个存根，可以获得三模单反。该滤波器第二和第三DM频率可以分别独立控制，通过改变类似于双模谐振器的中心加载的开螺负载的长度，可以在不影响DM频率的情况下调整CM频率，这类似于双模谐振器。
但由于不同频带之间的相互依赖性比双波段滤波器更强，因此很难实现对第二和第三通带带宽的独立控制，且由于该滤波器只能通过开载螺根谐振器形成两种谐振模，无法引入多传输极点，从而导致带宽较窄，且该滤波器无法对陷波特性进行便捷调整。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种高选择性和有良好共模抑制的基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器。
本发明是一种基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，设XOY直角坐标系的原点位于介质基板的中心，在印制有金属地板的介质基板上设计有带通滤波器结构，在金属地板上蚀刻有缝隙线结构，带通滤波器结构及缝隙线结构均相对于XOY直角坐标系中的Y轴对称，其特征在于，
介质基板1的上表面印制有两个开口相背的U型微带线2与两个矩形微带线3，该两个U型微带线2与两个矩形微带线3均关于分布在介质基板1上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称；且U型微带线2开口处与介质基板1边缘处重合，U型微带线2中平行于X轴的矩形微带臂和垂直于X轴的矩形微带底的微带线宽度相等，微带底的长宽比在4:1-5:1范围内，微带臂的长宽比在3:1-4:1范围内；矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线3的长宽比在1:1-2:1范围内，矩形微带线3与U型微带线2之间的间距范围为0.1mm-0.5mm。
金属地板4表面上关于Y轴镜像蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线5，第二阶梯阻抗缝隙线6和多模缝隙线谐振器7，其中的第一阶梯阻抗缝隙线5包括有矩形缝隙线和连接在矩形缝隙线内侧短边中心沿X轴延伸的单线形缝隙线；第二阶梯阻抗缝隙线6为相互平行的双线形缝隙线，双线形缝隙线的上侧缝隙线为L型缝隙线，L型缝隙线短边位于双线形缝隙线外侧一端，且位于X轴上侧，双线形缝隙线的下侧缝隙线为直线形缝隙线，第二阶梯阻抗缝隙线6中的双线形缝隙线平行且夹持于第一阶梯阻抗缝隙线5的单线形缝隙线两侧；所述第一阶梯阻抗缝隙线5的矩形低阻抗缝隙线位于U型微带线2正下方投影位置；所述多模缝隙线谐振器7关于Y轴镜像对称，由上矩形缝隙线，下矩形缝隙线和一段垂直于上、下矩形缝隙线的线形缝隙线共同构成一个“工”字形缝隙线，或者说，是由一个T型枝节缝隙线和一个矩形缝隙线构成，下矩形缝隙线位于X轴上方，且平行于X轴，其中心点与坐标原点重合，该矩形缝隙线短边边缘分别与其两侧第二阶梯阻抗缝隙线6内端相连；介质基板1上表面的矩形微带线3与金属地板4上蚀刻的第一阶梯阻抗缝隙线5以及第二阶梯阻抗缝隙线6位置有重合，共同构成三线交指耦合结构。
本发明解决了尺寸小、频带窄、选择性低及共模干扰强的技术问题。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
多谐振点实现UWB带通特性：本发明在介质基板下表面的金属地板上蚀刻有多模缝隙线谐振器，本发明首次提出五模谐振器，通过调整多模缝隙线谐振器中的上、下矩形缝隙线的尺寸，可以在通频带内引入多传输极点，在各个传输极点间通过强耦合作用，实现滤波器的超宽带特性。
带外抑制性能较好：本发明在金属地板上蚀刻有关于XOY平面直角坐标系的Y轴投影位置蚀刻有多模缝隙线谐振器，该多模缝隙线谐振器包括中心点位于XOY平面直角坐标系原点的均匀矩形缝隙线和一个纵向线形枝节，通过更改矩形缝隙线的长短边尺寸，可以调整谐振中心频率，因其固有特性可增加传输零点，有效抑制高次谐波，提高带通滤波器的带外抑制性能。
陷波特性方便更改：本发明在金属地板上蚀刻有第二阶梯阻抗缝隙线，其中第二阶梯阻抗缝隙线中的上线形L型缝隙线，通过改变L型缝隙线的短边枝节尺寸大小，可以控制陷波带的中心频率。结构简单灵活，不增加滤芯尺寸。
尺寸小型化，共模抑制效果较好：本发明在介质基板的上表面使用了U型微带线结构，在金属地板上蚀刻有关于XOY平面直角坐标系的Y轴镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线，两者共同构成微带转缝隙结构，使差模信号相较于共模信号独立出来，实现良好的共模抑制，并且U型微带线结构有效的减小了尺寸，实现了板材的小型化。
信号输入输出耦合较强：本发明在介质基板的上表面使用了矩形微带线，矩形微带线与位于金属地板上蚀刻的第一、第二阶梯阻抗缝隙线穿插处共同构成容性三线交指耦合，使信号在输入输出端传输紧密，有效加强耦合度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明介质基板上下表面各结构的相互关系图；
图3为本发明介质基板上表面各结构位置尺寸图；
图4为本发明介质基板下表面各结构位置尺寸图；
图5为本发明的差模回波响应和差模插入损耗的S参数实测图；
图6为本发明的共模回波响应和共模插入损耗的S参数实测图。
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
具体实施方式
实施例1
微波滤波器作为现代通信系统中一个重要组成部分，滤波器的性能关乎到整个系统的通信质量。现有微波滤波器大多尺寸较大，且随着现代电磁环境的日益复杂，通带外信号噪声干扰较多，传统微带技术的超宽带多模滤波器存在阻带较窄、带外选择性较差以及尺寸较大的缺点，无法满足超宽带滤波器高性能的要求，所以研究具有良好带外抑制特性且具有小型化特点的超宽带滤波器具有重大的意义和实际需求。因此本发明提出了一种基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器。
本发明是一种基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，定义XOY直角坐标系的原点位于介质基板的中心，介质基板具有一定厚度，金属地板作为敷铜，敷于介质基板下方，且介质基板与金属地板大小相等，可看为统一体；在印制有金属地板的介质基板的上表面设计带通滤波器结构，在金属地板下表面上蚀刻有缝隙线结构，带通滤波器结构及缝隙线结构均相对于XOY直角坐标系中的Y轴对称，参见图1及图2，本发明的介质基板1的上表面印制有两个开口相背的U型微带线2与两个矩形微带线3，该两个U型微带线2与两个矩形微带线3均关于分布在介质基板1上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称；且U型微带线2开口处与介质基板1边缘处重合，U型微带线2中平行于X轴的矩形微带臂和垂直于X轴的矩形微带底的微带线宽度相等；两个矩形微带线3短边中点的连线，与平面直角坐标系XOY的X轴重合。
金属地板4表面上关于Y轴镜像蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线5，第二阶梯阻抗缝隙线6和多模缝隙线谐振器7，其中的第一阶梯阻抗缝隙线5包括有矩形缝隙线和连接在矩形缝隙线内侧短边中心沿X轴延伸的单线形缝隙线；第二阶梯阻抗缝隙线6为相互平行的双线形缝隙线，双线形缝隙线的上侧缝隙线为L型缝隙线，L型缝隙线短边位于双线形缝隙线外侧一端，且位于X轴上侧，双线形缝隙线的下侧缝隙线为直线形缝隙线，第二阶梯阻抗缝隙线6中的双线形缝隙线平行且夹持于第一阶梯阻抗缝隙线5的单线形缝隙线两侧；第一阶梯阻抗缝隙线5的对称轴，以及第二阶梯阻抗缝隙线6的对称轴，与平面直角坐标系XOY的X轴的投影重合。第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与介质基板1上表面的U型微带线共同构成微带线转缝隙线结构。本发明的多模缝隙线谐振器7关于Y轴镜像对称，由上矩形缝隙线，下矩形缝隙线和一段垂直于上、下矩形缝隙线的线形缝隙线共同构成一个“工”字形缝隙线，或者说，是由一个T型阶梯阻抗枝节缝隙线和一个矩形缝隙线构成，T型阶梯阻抗枝节缝隙线，其对称轴与平面直角坐标系XOY的Y轴的投影重合，T型阶梯阻抗枝节缝隙线的横向臂的长边为与X轴投影平行的边。下矩形缝隙线位于X轴上方，且平行于X轴，其中心点与坐标原点重合，该矩形缝隙线短边边缘分别与其两侧第二阶梯阻抗缝隙线6内端相连；介质基板1上表面的矩形微带线3与金属地板4上蚀刻的第一阶梯阻抗缝隙线5以及第二阶梯阻抗缝隙线6位置有重合，共同构成三线交指耦合结构。通过多模缝隙线谐振器7产生五模谐振模式，调整多模缝隙线谐振器中的上、下矩形缝隙线的尺寸，可在通频带内引入多传输极点，在各个传输极点间通过强耦合作用，实现滤波器的超宽带特性。且该多模缝隙线谐振器7可调整谐振中心频率，因其固有特性增加传输零点，有效抑制高次谐波，提高带通滤波器的带外抑制性能。
传统微带技术的超宽带多模滤波器存在阻带较窄、带外选择性较差以及尺寸较大的缺点，无法满足超宽带滤波器高性能的要求。本发明利用U型微带转缝隙结构、容性三线交指耦合器结构和多模缝隙线谐振器结构综合给出了一个基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的技术方案，解决了上述问题。
本发明中信号由一侧的U型微带线输入，差模信号与共模信号同时进入，差模信号向下进入同一侧的第一阶梯阻抗缝隙线，激励起其电场，而共模信号无法进入下方同一侧的第一阶梯阻抗缝隙线结构，因此差模信号与共模信号分离，共模信号得到抑制。差模信号从第一阶梯阻抗缝隙线耦合至同一侧的第二阶梯阻抗缝隙线，并通过上方矩形微带线对信号的输入输出耦合度进行加强，信号到达第二阶梯阻抗缝隙线L型线形缝隙线部分时，通过改变L型线形缝隙线的长度及宽度，可以改变滤波器陷波的频率，对陷波特性进行有效控制。信号传入中间多模缝隙线谐振器结构，通过五模谐振器，调整多模缝隙线谐振器中的上、下矩形缝隙线的尺寸，可以在通频带内引入多传输极点，在各个传输极点间通过强耦合作用，实现滤波器的超宽带特性。通过更改矩形缝隙线的长短边尺寸，可以调整谐振中心频率，因其固有特性可增加传输零点，有效抑制高次谐波，提高带通滤波器的带外抑制性能。最后信号从另一侧的U型微带线输出，实现基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器。
本发明给出了一个基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的整体技术方案，通过U型微带线转第一阶梯阻抗缝隙线的微带转缝隙结构馈电方式，提高本发明的共模抑制；利用矩形微带线与下方第一阶梯阻抗缝隙线、第二阶梯阻抗缝隙，共同形成三线交指耦合结构，提高信号耦合度；通过调节第二阶梯阻抗缝隙线中的L型线形缝隙线的尺寸，可以调整陷波中心频点位置；利用多模缝隙线谐振器，可以调整滤波器带宽以及传输零点位置。
本发明是基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，该滤波器具有高共模抑制、超带宽以及高带外信号抑制的优点。
实施例2
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1，本发明微带底的长宽比在4:1-5:1范围内，微带臂的长宽比在3:1-4:1范围内。在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线3的长宽比在1:1-2:1范围内，矩形微带线3与U型微带线2之间的间距范围为0.1mm-0.5mm，矩形微带线3与U型微带线2位于同一侧。
通常认为，参见图3，L1表示的长度为微带底长度，L2不包括微带线宽的长度为微带臂长度。
本实施例中本发明的微带底的长宽比为4:1，微带臂的长宽比为3:1。在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线3的长宽比为1:1，矩形微带线3与U型微带线2之间的间距为0.1mm。
本实例基于对滤波器宽带宽的需要，给出的尺寸范围经过作者的大量仿真与优化，在此尺寸范围内，各个结构的功能可以达到最优，信号由一侧的U型微带线输入后，差模信号与共模信号同时进入，差模信号因U型微带线转缝隙结构与共模信号分离，共模信号得到抑制。差模信号通过三线交指耦合结构对输入输出耦合度进行加强，信号到达第二阶梯阻抗缝隙线L型线形缝隙线部分时，通过改变L型线形缝隙线的长度及宽度，可以调整滤波器的陷波特性；信号传入中间多模缝隙线谐振器结构，通过均匀矩形缝隙线引起五模缝隙线谐振，滤波器产生多传输极点，从而形成超宽带特性，并且由于多模缝隙线谐振器的固有特性，可引入传输零点，提高带外抑制性；最后信号从另一侧的U型微带线输出，实现基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器。
本发明通过U型微带线转第一阶梯阻抗缝隙线的微带转缝隙结构馈电方式，提高本发明的共模抑制；利用矩形微带线与下方第一阶梯阻抗缝隙线、第二阶梯阻抗缝隙，共同形成三线交指耦合结构，提高信号耦合度；利用L型枝节及多模缝隙线谐振器调整滤波器陷波的位置以及通频带的长短。
实施例3
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-2，本例中微带底的长宽比为4.5:1，微带臂的长宽比为3.5:1。在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线3的长宽比为1.5:1，矩形微带线3与U型微带线2之间的间距为0.25mm。
实施例4
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-3，本例中微带底的长宽比为5:1，微带臂的长宽比为4:1。在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线3的长宽比为2:1，矩形微带线3与U型微带线2之间的间距为0.5mm。
本发明可根据带宽、陷波位置要求的不同，对微带线的尺寸进行合理调整。
实施例5
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-4，本发明U型微带线2的两个微带臂关于平面直角坐标系XOY的X轴镜像对称，微带臂的线宽为50Ω阻抗线宽。
目前提出的带通滤波器均需在端口进行负载匹配，本发明将微带臂的线宽设置为50Ω阻抗线宽，可以使负载得到良好的匹配，并且易于加工。
实施例6
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-5，第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中的线形缝隙线外端的间距范围为2.5mm-3mm；第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙线的内端与多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的短边间的间距范围为0.5mm-1mm。
实施例7
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-5，第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中的线形缝隙线外端的间距为2.5mm；第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙线的内端与多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的短边间的间距为0.5mm。
实施例8
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-5，第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中的线形缝隙线外端的间距为2.75mm；第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙线的内端与多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的短边间的间距为0.75mm。
实施例9
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-8，第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中的线形缝隙线外端的间距为3mm；第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙线的内端与多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的短边间的间距为1mm。
实施例10
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-9，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线长宽比在2:1-3:1范围内。
实施例11
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-10，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线长宽比为2:1。
实施例12
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-11，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线长宽比为2.5:1。
实施例13
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-12，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线长宽比为3:1。
本发明可根据带宽、传输零点位置与陷波位置要求的不同，对微带线的尺寸进行合理调整。
下面给出一个更加详细的例子，对本发明进一步说明。
实施例11
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-10，参照图1，本发明包括介质基板1，介质基板1下表面敷有金属地板4，介质基板1采用相对介电常数为2.2，大小为45.2mm×20.0mm，厚度为0.8mm的矩形Rogers RT/duroid 5880材料。
参照图2，本发明在介质基板1的上表面印制有两个开口相背的U型微带线2与两个矩形微带线3，该两个U型微带线2与两个矩形微带线3均关于分布在介质基板1上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称；且U型微带线2开口处与介质基板1边缘处重合，U型微带线2中平行于X轴的矩形微带臂和垂直于X轴的矩形微带底的微带线宽度相等，在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，短边与X轴垂直。
参照图2，金属地板4表面上关于Y轴镜像蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线5，第二阶梯阻抗缝隙线6和多模缝隙线谐振器7，其中的第一阶梯阻抗缝隙线5包括有矩形缝隙线和连接在矩形缝隙线内侧短边中心沿X轴延伸的单线形缝隙线；第二阶梯阻抗缝隙线6为相互平行的双线形缝隙线，双线形缝隙线的上侧缝隙线为L型缝隙线，L型缝隙线短边位于双线形缝隙线外侧一端，且位于X轴上侧，可用来引入通带内传输零点，增加通带外选择性，双线形缝隙线的下侧缝隙线为直线形缝隙线，第二阶梯阻抗缝隙线6中的双线形缝隙线平行且夹持于第一阶梯阻抗缝隙线5的单线形缝隙线两侧；多模缝隙线谐振器7关于Y轴镜像对称，由上矩形缝隙线，下矩形缝隙线和一段垂直于上、下矩形缝隙线的线形缝隙线共同构成一个“工”字形缝隙线，或者说，是由一个T型枝节缝隙线和一个矩形缝隙线构成，下矩形缝隙线位于X轴上方，且平行于X轴，其中心点与坐标原点重合，可用来调整滤波器通频带范围及传输零点位置，该矩形缝隙线短边边缘分别与其两侧第二阶梯阻抗缝隙线6内端相连；介质基板1上表面的矩形微带线3与金属地板4上蚀刻的第一阶梯阻抗缝隙线5以及第二阶梯阻抗缝隙线6位置有重合，共同构成三线交指耦合结构，提高输入输出信号间的耦合度。
参照图3，介质基板1的上表面印制有两个U型微带线2，该两个U型微带线开口相背，U型微带线2由两条平行于X轴的矩形微带线和一条垂直于X轴的矩形微带线组成，在一侧输入共模信号与差模信号的同时，另一侧输出滤波后的共模信号与差模信号，本发明中平行于X轴的微带臂和垂直于X轴的微带底微带宽度相等，均为50Ω阻抗线宽，以带来良好的端口匹配。本例中U型微带线2的微带底的长度L1＝10.0mm，宽度W1＝2.2mm，两条微带臂的长度L2＝8.0mm，线宽W2＝2.2mm，两条微带臂与所在一侧的介质板边界的距离d＝5.0mm。
参照图3，两个U型微带线2的U型底边之间印制有两个矩形微带线3，矩形微带线3关于分布在介质基板1上表面上的XOY平面直角坐标系的Y轴镜像对称，矩形微带线3的长边与U型微带线2的U型底边平行，其与介质基板1下表面蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线6共同构成容性三线交指耦合结构，本发明中矩形微带线3与位于金属地板4上蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线6共同构成容性三线交指耦合，使信号在输入输出端传输紧密，有效加强了耦合度。本发明的上述特征用以在传输信号时加强耦合信号，矩形微带线3的投影与金属地板4上蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线6的中间部位重合，用以增强信号间的耦合，并且节约尺寸，降低了滤波器的插入损耗。两个矩形微带线3的尺寸为3.0mm×2.5mm，矩形微带线3与所在同一侧的U型微带线2之间的间距g1＝0.7mm，两个矩形微带线3间的间距g2＝18.4mm。
参照图4，介质基板1的下表面印制有金属地板4，该金属地板4上蚀刻有关于XOY平面直角坐标系的Y轴镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线5，第一阶梯阻抗缝隙线5由一个矩形低阻抗缝隙和一个线行缝隙拼接而成，其与U型微带线2共同构成微带转缝隙结构，用以输入和输出信号的传输，且将差模信号与共模信号独立，可在传输差模信号的同时抑制共模信号。本例中第一阶梯阻抗缝隙线5的矩形缝隙长度L3＝6.0mm，宽度为W3＝5.0mm，直线形缝隙横向长度为L4＝10.6mm，线宽为W4＝0.15mm。
参照图4，介质基板1的下表面的金属地板4上蚀刻有关于XOY平面直角坐标系的Y轴镜像对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线6，第二阶梯阻抗缝隙线6由两个关于XOY平面直角坐标系的X轴镜像对称的线形高阻抗缝隙线组成，第一阶梯阻抗微带线5中的线形缝隙线插入到所述第二阶梯阻抗微带线6的两个线形缝隙线中，其与介质基板1的上表面印制的两个矩形微带线3共同构成容性三线交指耦合结构，增强输入与输出信号，加强模型耦合度。第二阶梯阻抗缝隙线6由两个关于XOY平面直角坐标系的X轴镜像对称的线形高阻抗缝隙线组成，两个线形缝隙线与X轴平行，且通过改变位于X轴上方的L型线形缝隙线的枝节长度和宽度，可以对滤波器陷波频率进行调整。本例中第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中的线形缝隙线间的间距为g3＝0.1mm，第一阶梯阻抗缝隙线5中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗微带线6中的线形缝隙线间的间距为g4＝2.7mm。第二阶梯阻抗缝隙线6的两个关于XOY平面直角坐标系的X轴镜像对称的线形高阻抗缝隙线长度和宽度相等，长度为L5＝8.4mm,宽度为0.15mm。L型线形缝隙线外端向上突出的枝节的长度L6＝1.25mm，宽度为0.15mm。
参照图4，金属地板4上关于XOY平面直角坐标系的Y轴投影位置蚀刻有多模缝隙线谐振器7，该多模缝隙线谐振器7包括中心点位于XOY平面直角坐标系原点的下矩形缝隙线、上矩形缝隙线和一段线形缝隙线，且上矩形缝隙线和下矩形缝隙线与L型线形缝隙线的突出枝节位于X轴投影同侧。通过更改多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的长短边尺寸，可以增加多个传输极点，并引入传输零点，有效抑制高次谐波，提高带通滤波器的带外抑制性能。多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线位于X轴上方，且平行于X轴，其中心点与坐标原点重合，该矩形缝隙线短边边缘分别与其两侧第二阶梯阻抗缝隙线6内端相连。矩形微带线3与第一阶梯阻抗缝隙线5和第二阶梯阻抗缝隙线6形成的容性三指耦合传输方式，可以加强输入与输出信号耦合，并且增加传输零点，提高滤波器的通带外选择性。本例中多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线横向长度为L7＝7mm，宽度为W5＝3mm，多模缝隙线谐振器7中的上矩形缝隙线尺寸为13mm×1.5mm，多模缝隙线谐振器7中的线形缝隙线尺寸为6mm×0.2mm。参见图4，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的边缘到第一阶梯阻抗缝隙线5中线形缝隙线内端的间距为g6＝0.5mm，多模缝隙线谐振器7中的下矩形缝隙线的边缘两侧分布相同。
本发明的工作原理是：信号由一侧的U型微带线输入，差模信号与共模信号同时进入，差模信号向下进入第一阶梯阻抗缝隙线，激励起其电场，而共模信号无法进入下方第一阶梯阻抗缝隙线结构，因此差模信号与共模信号分离，共模信号得到抑制；差模信号从第一阶梯阻抗缝隙线耦合至第二阶梯阻抗缝隙线，并通过上方矩形微带线对信号的输入输出耦合度进行加强，信号到达第二阶梯阻抗缝隙线L型均匀阻抗缝隙线部分时，通过改变L型均匀阻抗缝隙线的长度及宽度，可以改变滤波器陷波的频率；信号传入中间多模缝隙线谐振器结构，通过均匀矩形缝隙线，滤波器引入多个传输极点，通过强耦合拓宽通带范围，并在通带两端产生传输零点，增强滤波器的通带外选择性；当信号到达多模缝隙线谐振器的纵向枝节部分时，通过调整纵向线形枝节中的矩形缝隙线及线形缝隙线的尺寸，可以形成一个差分超宽带通带；最后信号从另一侧的U型微带线输出，实现基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器。
本发明基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的整体技术方案，通过U型微带线转第一阶梯阻抗缝隙线的微带转缝隙结构馈电方式，提高本发明的共模抑制；利用矩形微带线与下方第一阶梯阻抗缝隙线、第二阶梯阻抗缝隙，共同形成三线交指耦合结构，提高信号耦合度；利用多模缝隙线谐振器调整滤波器传输零点位置以及通频带的长短。
本发明的滤波器除了具有良好的共模抑制特性外，还具有狭窄的缺口频段，通过调整负载的开短枝节和多模缝隙线谐振器，可以获得所需的缺口频带和带宽，包括上表面印制的两个U型微带线与两个矩形微带线，中间层为介质层，下表面为金属地板，金属地板上蚀刻有两条第一阶梯阻抗缝隙线、两条第二阶梯阻抗缝隙线和多模缝隙线谐振器，所述第一阶梯阻抗缝隙线由矩形低阻抗缝隙线与一个线性高阻抗缝隙线拼接而成；所述第二阶梯阻抗缝隙线由两条线性高阻抗缝隙线沿水平轴线对称分布而成，其中上方线性高阻抗缝隙线起始端连接有L型均匀阻抗缝隙线；金属地板上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器，该多模缝隙线谐振器包括两个矩形低阻抗缝隙线与一个纵向线性高阻抗缝隙线，两个矩形低阻抗缝隙线分别连在纵向线性高阻抗缝隙线首尾端。
下面结合实测结果，对本发明的技术效果再作说明：
实施例12
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-11。
测量实验条件与内容：
使用矢量网络分析仪N5230A对本发明中的基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器进行了测量实验一和二，输入信号为共模信号和差模信号，输出信号为经过本发明滤波后的共模信号和差模信号。
实验一测试本发明平衡超宽带带通滤波器的差模回波响应|S1 d 1 d|和差模插入损耗|S2 d 1 d|，实验结果见图5，图5为本发明的差模回波响应和差模插入损耗的S参数实测图。
测量实验结果与分析：
参见图5，图5为本发明基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器的差模回波响应|S1 d 1 d|和差模插入损耗|S2 d 1 d|的S参数实测图，图5的横坐标表示响应频率，单位为GHz，图5的纵坐标表示差模回波响应|S1 d 1 d|及差模插入损耗|S2 d 1 d|的数值大小，单位为dB，其中，带有空心圆图标的曲线表示差模回波响应|S1 d 1 d|，也就表示信号从端口输入后，从同一端口反射回来的信号；带有黑色方块图标的曲线表示差模插入损耗|S2 d 1 d|，也就表示信号从一侧端口进入后，从另一侧端口反射出来的信号。本实施例中超宽带带通滤波器的3dB带宽范围为3.04～10.88GHz，相对带宽约为111％；通带内中心频率为6.32GHz处形成陷波，在2.63GHz和12.44GHz处产生两个传输零点，提高带外选择性；陷波带也具有较高的选择性，3dB相对带宽为1％，在6.60GHz处衰减超过13.2dB；在通频带除陷波频带外的实测群时延均小于0.5ns；通带内最大差模回波响应|S1 d 1 d|为38.0dB，最小差模插入损耗|S2 d 1 d|为2.2dB；从图5可以看到，验证了本发明滤波器的带外抑制性能优良。
实施例13
基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器的总体结构同实施例1-11，测量实验条件同实施例12。
测量实验内容：
实验二测试了该平衡超宽带带通滤波器的共模回波响应|Sc 11 c|和共模插入损耗|Sc 21 c|，实验结果见图6，图6为本发明的共模回波响应和共模插入损耗的S参数实测图。
测量实验结果与分析：
参见图6，图6为本发明基于多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器的共模回波响应|Sc 11 c|和共模插入损耗|Sc 21 c|的S参数实测图，图6的横坐标表示响应频率，单位为GHz，图6的纵坐标表示共模回波响应|Sc 11 c|及共模插入损耗|Sc 21 c|的数值大小，单位为dB，其中带有黑色方块图标的曲线表示共模回波响应|Sc 11 c|，带有空心圆图标的曲线表示共模插入损耗|Sc 21 c|。图6中的共模回波响应|Sc 11 c|在工作频段范围内小于等于0.43dB，共模插入损耗|Sc 21 c|在整个工作频段内均大于等于43.6dB，其中在工作频带内极值为50.0dB，本发明的滤波器在整个工作频带内较为稳定。从图6的实验数据验证了本发明平衡超宽带带通滤波器显著的共模抑制效果。
综上所述，本发明的一种基于缝隙多模缝隙线谐振器的平衡超宽带带通滤波器，解决了目前市场上滤波器的共模干扰强、通带窄、选择性低、尺寸大等技术问题。本发明滤波器包括介质基板上表面印制的两个U型微带线与两个矩形微带线，介质基板下表面敷金属地板，金属地板上蚀刻有两条第一阶梯阻抗缝隙线、两条第二阶梯阻抗缝隙线和多模缝隙线谐振器，第一阶梯阻抗缝隙线、两条第二阶梯阻抗缝隙线沿着X轴分布，且关于X轴镜像对称，第二阶梯阻抗缝隙线中的L型线形缝隙线短边朝上，第一阶梯阻抗缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线穿插衔接，多模缝隙线谐振器布局于金属地板的中央位置，居于X轴及其上方。本发明介质基板上表面的矩形微带线与金属底板上蚀刻的第一、第二阶梯阻抗缝隙线穿插处位置重合，形成了三线交指耦合结构。本发明运用U型微带线转底层矩形缝隙线结构，将共模与差模分离，从而实现良好的共模抑制；本发明运用三条线形缝隙线与一个矩形微带线组成三线交指耦合结构，对输入输出信号耦合进行加强；本发明运用多模缝隙线谐振器，对滤波器的传输零点进行调整，并引入多传输极点，实现超宽带带宽特性。本发明拥有超带宽、小尺寸、高选择性以及良好的共模抑制特性的优点，广泛应用于电磁微波及射频电路与系统领域中。

Claims (5)

1.一种基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，XOY直角坐标系的原点位于介质基板的中心，在印制有金属地板的介质基板上设计有带通滤波器结构，在金属地板下表面上蚀刻有缝隙线结构，带通滤波器结构及缝隙线结构均相对于XOY直角坐标系中的Y轴对称，其特征在于，
介质基板(1)的上表面印制有两个开口相背的U型微带线(2)与两个矩形微带线(3)，该两个U型微带线(2)与两个矩形微带线(3)均关于分布在介质基板(1)上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称；且U型微带线(2)开口处与介质基板(1)边缘处重合，且U型微带线(2)中平行于X轴的矩形微带臂和垂直于X轴的矩形微带底的微带线宽度相等；
金属地板(4)表面上关于Y轴镜像蚀刻有第一阶梯阻抗缝隙线(5)，第二阶梯阻抗缝隙线(6)和多模缝隙线谐振器(7)，其中的第一阶梯阻抗缝隙线(5)包括有矩形缝隙线和连接在矩形缝隙线内侧短边中心沿X轴延伸的单线形缝隙线；第二阶梯阻抗缝隙线(6)为相互平行的双线形缝隙线，双线形缝隙线的上侧缝隙线为L型缝隙线，L型缝隙线短边位于双线形缝隙线外侧一端，且位于X轴上侧，双线形缝隙线的下侧缝隙线为直线形缝隙线，第二阶梯阻抗缝隙线(6)中的双线形缝隙线平行且夹持于第一阶梯阻抗缝隙线(5)的单线形缝隙线两侧；所述多模缝隙线谐振器(7)关于Y轴镜像对称，由上矩形缝隙线，下矩形缝隙线和一段垂直于上、下矩形缝隙线的线形缝隙线共同构成一个“工”字形缝隙线，其中心点与坐标原点重合，该矩形缝隙线短边边缘分别与其两侧第二阶梯阻抗缝隙线(6)内端相连；介质基板(1)上表面的矩形微带线(3)与金属地板(4)上蚀刻的第一阶梯阻抗缝隙线(5)以及第二阶梯阻抗缝隙线(6)位置有重合，共同构成三线交指耦合结构。
2.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，其特征在于，微带底的长宽比在4:1-5:1范围内，微带臂的长宽比在3:1-4:1范围内；矩形微带线(3)的长边与X轴平行，短边与X轴垂直，两个矩形微带线(3)的长宽比在1:1-2:1范围内，矩形微带线(3)与U型微带线(2)之间的间距范围为0.1mm-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，其特征在于，所述U型微带线(2)的两个微带臂关于平面直角坐标系XOY的X轴镜像对称，微带臂的线宽为50Ω阻抗线宽。
4.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，其特征在于，所述金属地板(4)上的第一阶梯阻抗缝隙线(5)中的矩形缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线(6)中的线形缝隙线外端的间距范围为2.5mm-3mm；第一阶梯阻抗缝隙线(5)中的线形缝隙线的内端与多模缝隙线谐振器(7)中的下矩形缝隙线的短边间的间距范围为0.5mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的平衡宽带带通滤波器，其特征在于，多模缝隙线谐振器(7)中的下矩形缝隙线长宽比在2:1-3:1范围内。
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