CN102361111A

CN102361111A - 具有陷波特性的超宽带滤波器

Info

Publication number: CN102361111A
Application number: CN2011102950611A
Authority: CN
Inventors: 张鲁红; 马哲旺; 杨在峰; 熊晗; 翟清波
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种具有陷波特性的超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层和中间层的介质板。金属微带线由四分之一波长的梳状耦合微带线和半波长的微带线间隔连接形成直线型级联微带线结构，半波长的微带线带有微带缝隙，两个梳状耦合微带线的外端均匀传输部分别与输入输出接口电性连接，两个梳状耦合微带线的外端均匀传输部还分别与两段四分之一波长短路枝节电性连接，四分之一波长短路枝节的自由端与反面部分的金属镀层电性连接。本发明滤波器具有良好陷波特性，耦合系数高，体积小，容易加工，通带内具有一个陡峭的陷波，且相对带宽大于125%，有陡峭的边带特性，有很好的频率选择性，实现了小型化的要求。

Description

具有陷波特性的超宽带滤波器

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的滤波器，具体涉及一种具有超宽带功能、紧凑型、并具有网络干扰信号抑制功能的平面滤波器。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们对信息传输***的要求越来越高。在此背景下，UWB超宽带技术以其***简单、成本低、功耗小、数据传输速度快、安全性高等优点成为目前通信领域的一个研究热点。从20世纪60年代出现到20世纪90 年代之前，UWB技术主要采用其最初的脉冲通信形式，并主要应用于军事上的雷达和低截获率的通信***。近年来，随着微电子器件的技术和工艺的提高，UWB技术开始应用于民用领域，并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮。而超宽带***及其器件的研究越来越受到人们的关注，如UWB天线、UWB滤波器、UWB放大器等。

现有技术中，平行耦合线结构与其他耦合滤波器结构相比，通过调节平行耦合线的线宽和间距就能够得到较大的耦合系数，因而这种结构常常被用于设计相对带宽较大的微波滤波器。但是，用平行耦合结构设计相对带宽大于100%超宽带滤波器会产生一些问题，如图1，在滤波器中采用传统的四分之一波长平行耦合线结构，滤波器体积会随着级数的增加而增加，相对带宽会减小，中心频率处出现寄生通带等等。

近年来，WLAN无线局域网技术发展迅速，相继发布了IEEE802.11系列的很多标准。其中，5.8GHz是WLAN的一个使用频率段，为避免WLAN与UWB之间的互相干扰，我们需要在UWB滤波器的5.8GHz频段产生一个陷波。而产生陷波的方法有很多，大致可以分为三类：一类是在谐振器通过间距耦合一个SIR型枝节，该方法缺点是增大滤波器体积。另一类是在滤波器部分级联四分之一开路枝节，如图3，采用传统的实现陷波特性的四分之一波长开路枝节结构，缺点也是增大滤波器体积。再有一类是可以在滤波器上使用缝隙产生一个陡峭的陷波，但是之前的研究主要集中是在输入输出部分增加陷波特性的缝隙结构，也增大了滤波器体积。

目前通信***的发展，对滤波器的边带要求越来越高，有效的提高滤波器的边带特性的方法主要有两类：一个是增加滤波器的级数，缺点是滤波器体积会很大。一个是通过增加短路或是开路枝节来提高边带特性。所以寻求以平行耦合线结构为基础，制作具有陡峭陷波的超宽带滤波器是具有重要意义的。但目前的超宽带滤波器的功能还不够理想，不能满足各种不同领域对高品质、高性能滤波器的大量需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足并提供一种具有陷波特性的超宽带滤波器，这种滤波器具有良好陷波特性，耦合系数高，体积小，容易加工，通带内具有一个陡峭的陷波，且相对带宽大于125%，有陡峭的边带特性，有很好的频率选择性，实现了小型化的要求。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：

1.为了增加耦合结构的耦合系数，在传输平行耦合的基础上，提出了新型的四线耦合结构，实现了更好的滤波性能。

2.为在通带内增加一个陡峭的陷波，且不增加滤波器的体积，我们采用在半波长微带线上开槽，即微带缝隙。

3.在输入输出端口处连接两个短路枝节，实现了边带的陡峭特性，为了使得滤波器更易于加工，采用了金属通孔的短路方式。

4.本发明采用如下的介质板材料：介质基板选用介电常数为

Figure 2011102950611100002DEST_PATH_IMAGE002

=9.8，厚度h=1.27mm。

5.加工后的电路板共分三层，即正面为金属微带线结构，中间是介质板层、金属通孔及输入输出端口，介质板材背面为一层金属镀层，其中输入输出端口处焊接两个SMA接头，用于实际测量。正面金属微带线结构是由两段具有金属通孔的短路枝节，两段四线耦合结构和一段有缝隙的微带线结构组成，实现了陡峭陷波的超宽带滤波特性。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种具有陷波特性的超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层和中间层的介质板，中间层的介质板具有两个SMA接头，所述SMA接头分别与输入输出接口电连接。金属微带线由四分之一波长的梳状耦合微带线和半波长的微带线间隔连接形成直线型级联微带线结构，半波长的微带线带有微带缝隙，直线型级联微带线结构的两端分别设有两段梳状耦合微带线，直线型级联微带线结构的馈入和馈出电磁信号的两端分别为两个梳状耦合微带线的外端均匀传输部，梳状耦合微带线的内端均匀传输部与半波长的微带线的端部电性连接，梳状耦合微带线的外端均匀传输部和内端均匀传输部皆为非耦合部位，两个梳状耦合微带线的外端均匀传输部分别与输入输出接口电性连接，两个梳状耦合微带线的外端均匀传输部还分别与两段四分之一波长短路枝节电性连接，短路枝节与直线型级联微带线结构并联，即四分之一波长短路枝节的自由端与反面部分的金属镀层电性连接。

作为本发明的一种技术方案，上述金属微带线由两段梳状耦合微带线、一段半波长微带线和两段短路枝节成，半波长微带线位于中间，两段梳状耦合微带线分别对称设置于半波长微带线的两侧，两段梳状耦合微带线和一段半波长微带线形成简短式的直线型级联微带线结构。

上述梳状耦合微带线由四段相同的微带线通过相同的间隙四线交插耦合形成，其中的两段不相邻的微带线通过梳状耦合微带线内端均匀传输部与半波长的微带线两端电性连接，另两段相邻的微带线与梳状耦合微带线的外端均匀传输部电性连接，与半波长的微带线连接的两段相邻的微带线***另外两段不相邻的微带线所形成的空隙中，形成一组四线交插的梳状耦合微带线结构，与传统的平行耦合结构性比，实现了性能更好的新的耦合结构。

上述半波长微带线包括一个具有内部空隙的闭环微带线，在内部空隙中引出一段与闭环微带线电连接的指形开放式微带线，指形开放式微带线与闭环微带线之间形成宽度均匀的U形的微带缝隙。本发明的半波长微带线中的缝隙结构，实现了5.8GHz的陡峭的陷波特性，且不增加滤波器的体积。

上述四分之一波长短路枝节与梳状耦合微带线的四条互相平行的均匀微带线垂直，增强了滤波器的边带特性。

作为本发明的改进，上述中间层的介质板具有两个金属化通孔，金属化通孔使短路枝节的自由端与反面部分的金属镀层电性连接。

短路枝节的自由端与一个金属连接部电连接，金属连接部直接通过金属化通孔与反面部分的金属镀层电性连接，使短路枝节与金属镀层实现间接电性连接，金属连接部具有一个与金属化通孔尺寸相同、位置对应的通孔，使得滤波器更易于加工制作。

两段上述梳状耦合微带线的形状和尺寸相同，左右位置对称。

两段上述短路枝节的形状和尺寸相同，左右位置对称。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明采用新型的四线耦合结构，与传统的平行耦合结构性比，体积相同，但具有通带性能更好，通带相对带宽更大的优点。

2. 在滤波器内部采用微带缝隙实现陷波特性，可以实现更陡峭的陷波特性，且不会额外增大滤波器体积。

3. 采用并联短路枝节，虽然不产生传输零点，但是可以很大程度改善滤波器带外性能。

4. 本谐振器结构的馈线方式采用的是直接接入，直接接入法是用特性阻抗为50欧姆的微带线直接接到谐振器上。

5.具有良好的带内和带外特性，结构简单，易于加工。

附图说明

图1是现有技术滤波器的四分之一波长平行耦合线结构示意图。

图2是现有技术滤波器的具有陷波特性的开路枝节结构示意图。

图3是本发明滤波器的四线耦合结构示意图。

图4是本发明滤波器的实现陷波特性的微带缝隙结构示意图。

图5是本发明具有良好陷波特性的超宽带滤波器结构示意图。

图6是本发明具有良好陷波特性的超宽带滤波器的频率响应意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图3和图4，一种具有陷波特性的超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层8和中间层的介质板9，中间层的介质板9具有两个SMA接头，输入输出接口1和输入输出接口5分别与SMA接头电连接，其特征在于：金属微带线由四分之一波长的梳状耦合微带线2和半波长的微带线4间隔连接形成直线型级联微带线结构，半波长的微带线4带有微带缝隙3，直线型级联微带线结构的两端分别设有两段梳状耦合微带线2，直线型级联微带线结构的馈入和馈出电磁信号的两端分别为两个梳状耦合微带线2的外端均匀传输部，梳状耦合微带线2的内端均匀传输部与半波长的微带线4的端部电性连接，梳状耦合微带线2的外端均匀传输部和内端均匀传输部皆为非耦合部位，两个梳状耦合微带线2的外端均匀传输部分别与输入输出接口1和输入输出接口5电性连接，两个梳状耦合微带线2的外端均匀传输部还分别与两段四分之一波长短路枝节7电性连接，短路枝节7与直线型级联微带线结构并联，即四分之一波长短路枝节7的自由端与反面部分的金属镀层8电性连接。在本实施例中，在传输平行耦合的基础上，四分之一波长的梳状耦合微带线2增加耦合结构的耦合系数，可实现了更好的滤波性能；采用在半波长的微带线4上开槽，即微带缝隙，使通带内增加一个陡峭的陷波，且不增加滤波器的体积；在输入输出接口1和输入输出接口5处分别连接两段四分之一波长短路枝节7，实现了边带的陡峭特性。本谐振器结构的馈线方式采用的是直接接入，直接接入法是用特性阻抗为50欧姆的微带线直接接到谐振器上。

参见图5，本实施例的金属微带线优选由两段梳状耦合微带线2、一段半波长微带线4和两段短路枝节7组成，半波长微带线4位于中间，两段梳状耦合微带线2分别对称设置于半波长微带线4的两侧，两段梳状耦合微带线2和一段半波长微带线4形成简短式的直线型级联微带线结构。本实施例超宽带滤波器包括三层结构：正面包括两段四分之一波长短路枝节7、两段梳状耦合微带线2和一段半波长微带线4，中间包括介质层、输入输出的SMA接头，背面包括完整的金属镀层。

本实施例的梳状耦合微带线2由四段相同的微带线通过相同的间隙四线交插耦合形成，其中的两段不相邻的微带线通过梳状耦合微带线2内端均匀传输部与半波长的微带线4两端电性连接，另两段相邻的微带线与梳状耦合微带线2的外端均匀传输部电性连接，与半波长的微带线4连接的两段相邻的微带线***另外两段不相邻的微带线所形成的空隙中，形成一组四线交插的梳状耦合微带线2结构。本实施例的新型四线耦合结构如示意图如图3所示，它是在如图1所示的传统平行耦合线结构的基础上改进的，与传统的平行耦合结构性比，体积相同，但具有通带性能更好，通带相对带宽更大的优点。四线耦合结构克服了平行耦合结构对间隙精度很高的缺点同时实现了更大的耦合系数，具有更好的回波特性，增加了耦合性能，可是使得滤波器在通带内的滤波性能更好。

本实施例的半波长微带线4包括一个具有内部空隙的闭环微带线，在内部空隙中引出一段与闭环微带线电连接的指形开放式微带线，指形开放式微带线与闭环微带线之间形成宽度均匀的U形的微带缝隙3。增加带内陷波特性的方法很多，通常采用两种：一种是在输入输出四分之一波长处并联四分之一波长的开路枝节，该方法缺点滤波器体积增大，如图2是传统的实现陷波特性的四分之一波长开路枝节结构示意图；另一种可以在滤波器内部采用微带缝隙3实现陷波特性，该方法可以实现更陡峭的陷波特性，且不会额外增大滤波器体积，在本实施例中，采用的微带缝隙3结构可实现的陡峭陷波特性，如图4所示。

参见图5，本实施例的四分之一波长短路枝节7与梳状耦合微带线2的四条互相平行的均匀微带线垂直。提高滤波器带外特性的方法大致可以分为：一是增加滤波器级数，缺点是滤波器体积太大。另一种是并联枝节，其中又包括采用开路或是短路枝节两种，采用开路枝节可以在通带两端增加传输零点，提高带外特性，缺点是通带的相对带宽不能超过110%，而短路枝节7虽然不产生传输零点，但是可以很大程度改善滤波器带外性能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图5，本实施例的中间层的介质板9具有两个金属化通孔6，金属化通孔6使短路枝节7的自由端与反面部分的金属镀层8电性连接。本实施例的中间层的介质板9采用了金属化通孔6的短路方式。

为了使得滤波器更易于加工制作，短路枝节7的自由端优选与一个金属连接部电连接，金属连接部直接通过金属化通孔6与反面部分的金属镀层8电性连接，使短路枝节7与金属镀层8实现间接电性连接，金属连接部具有一个与金属化通孔6尺寸相同、位置对应的通孔。

上述实施例的两段梳状耦合微带线2的形状和尺寸相同，左右位置对称。便于加工制作，方便调整和确定通带的范围。

上述实施例的两段短路枝节7的形状和尺寸相同，左右位置对称。便于加工制作，便于调整边带的陡峭特性的实现效果。

本新型的具有良好陷波特性的超宽带滤波器，包括三层结构：正面包括两段四分之一波长短路枝节7、四线耦合微带线结构和带有微带缝隙的半波长微带线4结构，中间包括介质层、两个金属通孔、输入输出的SMA接头，背面包括完整的金属镀层。金属微带线、中间的金属通孔部分、反面部分的金属镀层可以是导电性能较好的金属材料，如金、或银、或铜。中间层的介质板的介电常数可以是各种数值，因为介电常数与谐振器的长度的平方成反比，所以介电常数越高则对应滤波器的尺寸越小。

实施例三：

本实施例与实施例一和实施例二基本相同，特别之处在于：

图5是本实施例的结构示意图，经过设计、仿真和优化，最终确定新型的具有良好陷波特性的超宽带滤波器的主要材质参数和具体尺寸如下：

中间层的介质板9为介电常数

=9.8的介质板，该介质板厚度h =1.27mm，金属化通孔6为打孔后内壁覆导电金属；梳状耦合微带线2的四线交插耦合微带线的长度皆为L3=4.4mm，其宽度皆为W1=0.1mm，相邻的耦合微带线的间隙宽度G=0.1mm；半波长的微带线4的总长度L4=8.4mm，其总宽度W5=1.7mm，其内部空隙长度L5=5.9mm，其内部空隙宽度W2=0.2mm，其指形开放式微带线的开放端与所述半波长的微带线4的闭环微带线的距离W4=0.6mm；短路枝节7的长度L1=4.4mm，其宽度W3=0.3mm；金属化通孔6的半径R=0.92mm；金属连接部沿所述短路枝节7延伸方向的长度为L2=1.32mm。

参见图6，基于上述方法设计了中心频率为6.65GHz，相对带宽约为126.3%的超宽带滤波器，通过电磁仿真软件HFSS进行仿真，调试。

参见图6，图中显示了本实施例具有良好陷波特性的超宽带滤波器的频率响应，结果表明本实施例滤波器的两个边带都比较陡峭，带内***损耗较小，带内的5.8GHz的陷波很陡峭，相对带宽达到126.3%。而且滤波器的结构简单，不仅实现了5.8GHz的陡峭的陷波特性，有效避免了与WLN***干扰，而且实现了小型化。

以上结果表明：

1.通带带宽约为8.4GHz，带内***损耗均小于0.2dB。

2.通带截止边沿陡峭。

3.陷波中心频率为5.8GHz,***损耗达到25dB，陷波-3dB带宽仅为0.2GHz,达到了陡峭的特性。

4.带内，带外性能良好，同时结构简单，易于加工。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合具有陷波特性的超宽带滤波器的结构和构造原理，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有陷波特性的超宽带滤波器，包括正面部分的金属微带线、反面部分的金属镀层（8）和中间层的介质板（9），所述中间层的介质板（9）具有两个SMA接头，所述SMA接头分别与输入输出接口（1、5）电连接，其特征在于：所述金属微带线由四分之一波长的梳状耦合微带线（2）和半波长的微带线（4）间隔连接形成直线型级联微带线结构，所述半波长的微带线（4）带有微带缝隙（3），所述直线型级联微带线结构的两端分别设有两段梳状耦合微带线（2），所述直线型级联微带线结构的馈入和馈出电磁信号的两端分别为两个所述梳状耦合微带线（2）的外端均匀传输部，所述梳状耦合微带线（2）的内端均匀传输部与所述半波长的微带线（4）的端部电性连接，所述梳状耦合微带线（2）的外端均匀传输部和内端均匀传输部皆为非耦合部位，两个所述梳状耦合微带线（2）的外端均匀传输部分别与输入输出接口（1、5）电性连接，两个所述梳状耦合微带线（2）的外端均匀传输部还分别与两段四分之一波长短路枝节（7）电性连接，所述短路枝节（7）与所述直线型级联微带线结构并联，即所述四分之一波长短路枝节（7）的自由端与所述反面部分的金属镀层（8）电性连接。

2.根据权利要求1所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述金属微带线由两段梳状耦合微带线（2）、一段半波长微带线（4）和两段短路枝节（7）组成，所述半波长微带线（4）位于中间，两段所述梳状耦合微带线（2）分别对称设置于所述半波长微带线（4）的两侧，两段所述梳状耦合微带线（2）和一段所述半波长微带线（4）形成简短式的直线型级联微带线结构。

3.根据权利要求1或2所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述梳状耦合微带线（2）由四段相同的微带线通过相同的间隙四线交插耦合形成，其中的两段不相邻的微带线通过所述梳状耦合微带线（2）内端均匀传输部与所述半波长的微带线（4）两端电性连接，另两段相邻的微带线与所述梳状耦合微带线（2）的外端均匀传输部电性连接，与所述半波长的微带线（4）连接的两段相邻的微带线***另外两段不相邻的微带线所形成的空隙中，形成一组四线交插的梳状耦合微带线（2）结构。

4.根据权利要求3所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述半波长微带线（4）包括一个具有内部空隙的闭环微带线，在所述内部空隙中引出一段与所述闭环微带线电连接的指形开放式微带线，所述指形开放式微带线与所述闭环微带线之间形成宽度均匀的U形的微带缝隙（3）。

5.根据权利要求4所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述四分之一波长短路枝节（7）与所述梳状耦合微带线（2）的四条互相平行的均匀微带线垂直。

6.根据权利要求5所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述中间层的介质板（9）具有两个金属化通孔（6），所述金属化通孔（6）使所述短路枝节（7）的自由端与所述反面部分的金属镀层（8）电性连接。

7.根据权利要求6所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：所述短路枝节（7）的自由端与一个金属连接部电连接，所述金属连接部直接通过所述金属化通孔（6）与所述反面部分的金属镀层（8）电性连接，使所述短路枝节（7）与所述金属镀层（8）实现间接电性连接，所述金属连接部具有一个与所述金属化通孔（6）尺寸相同、位置对应的通孔。

8.根据权利要求4所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：两段所述梳状耦合微带线（2）的形状和尺寸相同，左右位置对称。

9.根据权利要求8所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：两段所述短路枝节（7）的形状和尺寸相同，左右位置对称。

10.根据权利要求9所述的具有陷波特性的超宽带滤波器，其特征在于：特性的超宽带滤波器的主要材质参数和具体尺寸如下：

所述中间层的介质板9为介电常数 =9.8的介质板，该介质板厚度h =1.27mm，金属化通孔6为打孔后内壁覆导电金属；

所述梳状耦合微带线（2）的四线交插耦合微带线的长度皆为L3=4.4mm，其宽度皆为W1=0.1mm，相邻的耦合微带线的间隙宽度G=0.1mm；

所述半波长的微带线（4）的总长度L4=8.4mm，其总宽度W5=1.7mm，其内部空隙长度L5=5.9mm，其内部空隙宽度W2=0.2mm，其指形开放式微带线的开放端与所述半波长的微带线（4）的闭环微带线的距离W4=0.6mm；

所述短路枝节（7）的长度L1=4.4mm，其宽度W3=0.3mm；

所述金属化通孔（6）的半径R=0.92mm；

所述金属连接部沿所述短路枝节（7）延伸方向的长度为L2=1.32mm。