CN212571298U

CN212571298U - 一种基于csrr的小型双频带通滤波器

Info

Publication number: CN212571298U
Application number: CN202021842264.9U
Authority: CN
Inventors: 张冠茂; 茹佳丽; 梅中磊; 杨硕; 翟明洋; 索军红; 车宗娥; 岳娟; 伦雨鹏; 李智航
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2030-08-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于CSRR的小型双频带通滤波器，其包括介质基板、设置在介质基板上表面的第一金属涂覆层、设置在介质基板下表面用作接地层的第二金属涂层以及分别设置在基板四角的金属过孔；所述第一金属涂覆层刻蚀有两个大互补开口环谐振器CSRR和两个小互补开口环谐振器CSRR；大互补开口环谐振器CSRR和小互补开口环谐振器CSRR交错设置；两个大互补开口环谐振器CSRR和两个小互补开口环谐振器CSRR分别在金属涂覆层上呈对角线设置；所述的两个大互补开口环谐振器CSRR大小相同，所述的两个小互补开口环谐振器CSRR大小相同；本实用新型解决了现有微波滤波器存在的尺寸过大、单频带、插入损耗过大、结构复杂等问题。

Description

一种基于CSRR的小型双频带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及双通带滤波器，具体涉及一种基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器。

背景技术

目前，5G通信技术因其高传输速率而备受关注，各个频段的相关通信器件研发也吸引了许多研究者的注意。多波段滤波器是满足未来5G移动通信容量和覆盖要求的重要组成部分，其结构和性能对整个通信系统的特性有着直接影响。另外，滤波器件的损耗程度、尺寸，加工难易也与整个系统的集成相关。为了满足现代通信终端小型化的趋势，要求所设计的器件应具有更小的尺寸和体积，而传统滤波器的传输性能较差，尺寸也较大。因此，设计一款适用于5G通信的双频段、低损耗、小尺寸、结构简单的带通滤波器显得尤为重要。在保证滤波器传输性能良好的前提下，小型化多频段滤波器在未来有着广阔的应用前景。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种基于CSRR的小型双频带通滤波器，旨在解决现有微波滤波器存在的尺寸过大、单频带、插入损耗过大，结构复杂等问题。

本实用新型采用的技术方案是：一种基于CSRR的小型双频带通滤波器，其包括介质基板、设置在介质基板上表面的第一金属涂覆层、设置在介质基板下表面用作接地层的第二金属涂层以及分别设置在基板四角的金属过孔；所述第一金属涂覆层刻蚀有两个大互补开口环谐振器CSRR和两个小互补开口环谐振器CSRR；大互补开口环谐振器CSRR和小互补开口环谐振器CSRR交错设置；两个大互补开口环谐振器CSRR和两个小互补开口环谐振器CSRR分别在金属涂覆层上呈对角线设置；所述的两个大互补开口环谐振器CSRR大小相同，所述的两个小互补开口环谐振器CSRR大小相同；所述介质基板两侧设有集总端口，用于馈电。

进一步地，所述的两个大互补开口环谐振器CSRR用于第一通带中心频率3.45GHz的谐振，所述的两个小互补开口环谐振器CSRR用于第二通带中心频率4.82GHz的谐振。

更进一步地，所述第一金属涂覆层与第二金属涂层均为铜箔，所述介质基板采用相对介电常数为2.2，厚度为0.8mm 的Rogers 5880材料。

更进一步地，所述基于CSRR的小型双频带通滤波器的四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，用于改善频带传输特性。

更进一步地，所述基于CSRR的小型双频带通滤波器包含两个信号通频带，分别为3.28GHz ～ 3.62GHz和4.53GHz ～5.11GHz，覆盖了当前5G通信工作频段。

本实用新型的优点：

本实用新型解决了现有微波滤波器存在的尺寸过大、单频带、插入损耗过大，结构复杂等问题。它可以实现双频带、尺寸小、结构简单、插入损耗低等特性，具有十分良好的传输性能。

本实用新型整体尺寸较小，体积为17.2mm*16.2mm*0.8mm，满足现代5G通信设备小型化的需要。

本实用新型选用Rogers 5880材料，损耗低，吸湿率低，性能稳定，便于在特定环境下使用。

本实用新型包含两个信号通频带，分别为3.28GHz ～ 3.62GHz和4.53GHz ～5.11GHz，覆盖了当前5G通信的工作频段。

本实用新型介质基板上表面刻蚀的四个正方形CSRR关于基板中心呈对称分布，不同尺寸的CSRR则提供不同的谐振频率。第一通带中心频率3.45GHz处主要在大的CSRR附近谐振，而第二通带中心频率4.82GHz主要在小的CSRR附近谐振。

本实用新型的基板四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，以改善频带传输特性。

本实用新型的通带插入损耗小于0.95dB，回波损耗优于14.7dB，整体传输性能良好。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1 是本实用新型的三维结构示意图；

图2 是本实用新型的顶面示意图；

图3 是本实用新型的侧面示意图；

图4 是本实用新型的四种传输特性对比图；

图5 是本实用新型的传输特性仿真曲线图；

图6 是本实用新型的传输特性实测曲线图与实物图。

附图标记：

1为介质基板、2为第一金属涂覆层、3为第二金属涂层、4为金属过孔、5为集总端口、6为大互补开口环谐振器CSRR及7为小互补开口环谐振器CSRR。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1至图3，如图1至图3所示，一种基于CSRR (Complementary Split RingResonators)的小型双频带通滤波器，其包括介质基板1、设置在介质基板上表面的第一金属涂覆层2、设置在介质基板下表面用作接地层的第二金属涂层3以及分别设置在基板四角的金属过孔4；第一金属涂覆层2刻蚀有两个大互补开口环谐振器（CSRR）6和两个小互补开口环谐振器（CSRR）7；大互补开口环谐振器（CSRR）6和小互补开口环谐振器（CSRR）7交错设置；两个大互补开口环谐振器(CSRR)6和两个小互补开口环谐振器(CSRR)7分别在金属涂覆层2上呈对角线设置；两个大互补开口环谐振器(CSRR)6大小相同，两个小互补开口环谐振器(CSRR)7大小相同；介质基板1两侧设有集总端口5，用于馈电。

本实施例中，两个大互补开口环谐振器（CSRR）6用于第一通带中心频率3.45GHz的谐振，两个小互补开口环谐振器（CSRR）7用于第二通带中心频率4.82GHz的谐振。

本实施例中，第一金属涂覆层2与第二金属涂层3均为铜箔，介质基板1采用相对介电常数为2.2，厚度为0.8mm 的Rogers 5880材料。

本实施例中，基于CSRR的小型双频带通滤波器的四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，用于改善频带传输特性。

本实施例中，基于CSRR的小型双频带通滤波器包含两个信号通频带，分别为3.28GHz ～ 3.62GHz和4.53GHz ～5.11GHz，覆盖了当前5G通信工作频段。

本实施例中，基于CSRR的小型双频带通滤波器的通带插入损耗小于0.95dB，回波损耗优于14.7dB。

基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器的介质基板上表面刻蚀的四个正方形CSRR关于对角两两对称相等，不同尺寸的CSRR提供不同的谐振频率，以实现双频带。其中第一通带中心频率3.45GHz处主要在大的CSRR附近谐振，而第二通带中心频率4.82GHz主要在小的CSRR附近谐振。具体来说，CSRR的谐振频率为f_CSRR=1/[2π(L_rC_r)^1/2] ，其中的Lr与Cr分别是金属盘与地板之间的等效电感与等效电容。研究得知，当减小CSRR的边长时，等效电感值Lr减小，则引起CSRR的谐振频率增大，即在频率较高处发生谐振。通过探究四种结构：①四个等大的CSRR；②减小上方或下方的两个CSRR；③减小左或右的两个CSRR；④减小对角位置的两个CSRR，得到了四种不同的传输特性。其中④的通带特性最优，经过优化设计后，实现了覆盖5G工作频段的双带通滤波器。

其中，方案4两个通频带的中心频率分别为3.45 GHz和4.82 GHz。通带的插入损耗小于0.95 dB，回波损耗大于14.7 dB，满足5G通信系统的滤波要求。

基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器的上表面金属涂覆层与下表面接地金属涂覆层均为铜箔，介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.8mm 的Rogers 5880材料。

基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，该金属过孔贯穿介质基板的上表面和下表面，优化了低频段的插入损耗与回波损耗，增强了通带选择性，从而改善频带传输特性。

基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器采用狭缝微带线来实现匹配，进一步减小了滤波器的物理尺寸。

基于CSRR的可用于5G通信的小型双频带通滤波器的尺寸为17.2mm*16.2mm*0.8mm。其中大的CSRR外环边长为6.4mm，内环边长为4.4mm，小的CSRR外环边长为5mm，内环边长为3mm。环的宽度均为0.3mm，开口长度均为1mm，内外环间距为0.7mm，大的CSRR与小的CSRR之间的缝隙为0.4mm。另外端口宽度为2.5mm，基片厚度为0.8mm，金属过孔半径为0.2mm，过孔与基板边缘距离为0.5mm。

双频段是通过四个CSRR结构实现的，已有的研究是两个CSRR结构实现单频段，而其谐振频率大小与环的尺寸有关，通过增加环的数量增加一个频段，并减小环的尺寸来实现两个不同频段（环尺寸减小，谐振点移向高频）。两个频段是按照5G sub 6以下频段3.3-3.6GHz与4.8-5.0GHz通过结构参数的扫描与优化得到。

CSRR本身是一种左手材料，其抑制谐波和结构紧凑特性在滤波器的设计方面应用很多。通过观察CSRR的电场分布与磁场分布发现CSRR主要由垂直于环平面的电场激励，从而产生谐振，在谐振频率附近时，可以将其等效为一个电偶极子，不同尺寸的CSRR可提供不同的谐振频率。

本实用新型的基板四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，这四个孔为金属接地孔，未加过孔前滤波器的低频特性不好，在四角加载金属过孔后，可以发现，在低频附近S₂₁被拉低，频率选择性变好，从电场分布图来看，四角的电场最小；从而实现改善频带传输特性的目的。

本实用新型采用了Rogers 5880材料，损耗角正切为0.0009，对于滤波器来说，可以实现很低的损耗。本实用新型的通带插入损耗小于0.95dB，回波损耗优于14.7dB，整体传输性能良好。

参考图5，本方案的传输特性仿真曲线图，本实用新型包含两个信号通频带，分别为3.28GHz ～ 3.62GHz和4.53GHz ～5.11GHz，覆盖了当前5G通信的主要工作频段。本实用新型的中心频率分别为3.45GHz和4.82GHz，通带宽度分别为340MHz和580MHz。回波损耗在通带附近优于14.7dB,插入损耗在通带附近小于0.95dB，具有良好的带通效果。

参考图6，本方案的传输特性实测曲线图，由于SMA接头的连接损耗，测量结果与模拟仿真结果略有偏差，但总体结果一致性良好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于CSRR的小型双频带通滤波器，其特征在于，包括介质

基板（1）、设置在介质基板上表面的第一金属涂覆层（2）、设置在介质基板下表面用作接地层的第二金属涂层（3）以及分别设置在基板四角的金属过孔（4）；所述第一金属涂覆层（2）刻蚀有两个大互补开口环谐振器CSRR（6）和两个小互补开口环谐振器CSRR（7）；大互补开口环谐振器CSRR（6）和小互补开口环谐振器CSRR（7）交错设置；两个大互补开口环谐振器CSRR（6）和两个小互补开口环谐振器CSRR（7）分别在金属涂覆层（2）上呈对角线设置；所述的两个大互补开口环谐振器CSRR（6）大小相同，所述的两个小互补开口环谐振器CSRR（7）大小相同；所述介质基板（1）两侧设有集总端口（5），用于馈电。

2.根据权利要求1所述的基于CSRR的小型双频带通滤波器，其特征在

于，所述的两个大互补开口环谐振器CSRR（6）用于第一通带中心频率3.45GHz的谐振，所述的两个小互补开口环谐振器CSRR（7）用于第二通带中心频率4.82GHz的谐振。

3.根据权利要求1所述的基于CSRR的小型双频带通滤波器，其特征在

于，所述第一金属涂覆层（2）与第二金属涂层（3）均为铜箔，所述介质基板（1）采用相对介电常数为2.2，厚度为0.8mm 的Rogers 5880材料。

4.根据权利要求1所述的基于CSRR的小型双频带通滤波器，其特征在

于，所述基于CSRR的小型双频带通滤波器的四角分别设置四个半径为0.2mm的金属过孔，用于改善频带传输特性。

5.根据权利要求1所述的基于CSRR的小型双频带通滤波器，其特征在

于，所述基于CSRR的小型双频带通滤波器包含两个信号通频带，分别为3.28GHz ～3.62GHz和4.53GHz ～5.11GHz，覆盖了当前5G通信工作频段。