CN104900947B - 具有良好频率选择特性的微带超宽带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
超宽带滤波器是超宽带通信***中的关键器件，其性能决定了***的整体性能。本发明涉及一种微带超宽带带通滤波器，它基于一种新型多模谐振器，其特征在于第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)两端；闭合外圆环(32)通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，闭合外圆环(32)和闭合内圆环(34)具有相同的圆心，只是半径不同；传输线节(33)向圆心进行延伸，即为第三开路传输线节(35)。研究表明，本发明所述超宽带带通滤波器具有良好的频率选择性、尺寸紧凑等优点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种微带超宽带带通滤波器。
背景技术
在2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1GHz～10.6GHz之间的频段开放为通信领域的应用。因为其高传输速率和低传输损耗等优点，超宽带通信受到了广泛的重视并得到了迅猛的发展。作为超宽带通信***中的关键器件，超宽带带通滤波器的性能决定了***的整体性能。然而，设计小型化、高性能和低成本的超宽带带通滤波器仍是一大挑战。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的超宽带带通滤波器不足，提供了一种微带超宽带带通滤波器。该滤波器具有良好的通带频率选择性、尺寸较小、容易调试等优点。
典型微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的微带超宽带带通滤波器的结构如图2所示。滤波器的正面如图3所示，所采用的技术方案是：在微带线的金属上覆层(I)里刻蚀如图3所示的图案。其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到一个闭合外圆环(32)两端；闭合外圆环(32)通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，闭合外圆环(32)和闭合内圆环(34)具有相同的圆心，只是半径不同；传输线节(33)向圆心进行延伸，即为第三开路传输线节(35)。这些部分构成一个多模谐振器。输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(10)，再由所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行输入能量耦合。输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(20)，再由所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了第一短路传输线节(13)，短路由第一金属化通孔(14)来实现，和第八开路传输线节(15)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(23)，短路由第二金属化通孔(24)来实现，和第九开路传输线节(25)。
本发明的有益效果是：与现有的滤波器相比，本发明的滤波器所含的谐振器是一个多模谐振器。所构成的滤波器的带宽可以覆盖超宽带频率范围，通带的频率选择性较好，带外抑制性能较好、尺寸较小等优点。
附图说明
图1是本发明用于加工微带滤波器的复合材料层。
图2是本发明所述超宽带带通滤波器的结构示意图。
图3是本发明所述超宽带带通滤波器的正面视图。
图4是一个具有三个主要谐振模式的谐振器(简称：三模谐振器)的结构示意图。
图5(a)是三模谐振器的奇模等效电路。
图5(b)是三模谐振器的偶模等效电路。
图6是针对三模谐振器的弱耦合电磁仿真结果。
图7是基于三模谐振器的一个微带超宽带带通滤波器的结构示意图。
图8是针对基于三模谐振器的微带超宽带带通滤波器的电磁仿真结果。
图9是一个具有五个主要谐振模式的谐振器(简称：五模谐振器)的结构示意图。
图10(a)是五模谐振器的奇模等效电路。
图10(b)是五模谐振器的偶模等效电路。
图11是针对五模谐振器的弱耦合电磁仿真结果。
图12是对图9中五模谐振器进行变形后得到的一个谐振器结构(简称：变形谐振器)。
图13是基于变形谐振器的一个微带超宽带带通滤波器的结构示意图。
图14是针对基于五模谐振器的微带超宽带滤波器的电磁仿真结果。
图15是一个具有多个谐振模式的谐振器(简称：多模谐振器)的结构示意图。
图16是基于多模谐振器的一个微带超宽带带通滤波器的结构示意图。
图17是针对基于多模谐振器的微带超宽带带通滤波器的S参数测试和仿真结果。
图18是针对基于多模谐振器的微带超宽带带通滤波器的群时延测试和仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例的示意图如图2所示，实施例的正面视图如图3所示，在微带的金属上覆层I内包括如下图案：50欧姆输入馈线(1)、第一渐变阻抗传输线节(10)、第四开路传输线节(11)、第五开路传输线节(12)、第一短路传输线节13、第一金属化通孔(14)、第八开路传输线节(15)、第一开路传输线节(31)、闭合外圆环(32)、传输线节(33)、闭合内圆环(34)、第三开路传输线节(35)、第二开路传输线节(36)、第六开路传输线节(21)、第七开路传输线节(22)、第二渐变阻抗传输线节(20)、第二短路传输线节(23)、第二金属化通孔(24)、第九开路传输线节(25)及50欧姆的输出馈线(2)。其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)的两端，闭合外圆环(32)通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，传输线节(33)延伸至第三开路传输线节(35)，构成一个具有多个谐振模式的谐振器(简称：多模谐振器)。基于这个多模谐振器可以构造超宽带带通滤波器，即输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(10)，再由所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行能量输入耦合。输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(20)，再由所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量输出耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了第一短路传输线节(13)，短路由第一金属化通孔(14)来实现，和第八开路传输线节(15)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(23)，短路由第二金属化通孔(24)来实现，和第九开路传输线节(25)。
为了进一步的证明本发明结构的非显而易见性，下面针对实施例进行深入分析。先考虑如图4所示的一个谐振器结构，其连接关系如下：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)的两端。这个结构是关于中心平面P是左右对称的，因此可以采用对称网络的奇偶模分析方法来进行分析。如果在图4所示的中心平面P放置短路面，则得到奇模等效电路，如图5(a)所示。其中，Y1和Y2是各自对应传输线的特征导纳，θ1和θ2是各自对应传输线的电长度。于是，可以求得奇模等效电路的输入导纳Yino为
当谐振器处于奇模谐振时，奇模输入导纳Yino＝0。由上式可以得到奇模谐振方程：
为方便讨论，不失一般性，这里考虑一种特殊情况，即Y1＝Y2和θ1＝θ2，式子(2)可简化为
tan2θ1＝2 (3)
其在通带范围内的解有两个：θ1＝54.73°，θ1＝125.27°。对应的谐振频率为
fodd1＝4.21GHz，fodd2＝9.61GHz
如果在图4所示的中心平面P放置开路面，则得到偶模等效电路，如图5(b)所示。偶模等效电路的输入导纳Yine：
当谐振器处于偶模谐振时，偶模输入导纳Yine＝0。由公式(4)可以得到偶模谐振条件：
tanθ1＝tanθ2＝0 (5)
对应的解为：θ1＝kπ，其中k＝1,2,…为自然数，然而这些解所对应的频率在通带之外，故不予考虑。由公式(4)还可以得到另外一个偶模谐振条件，即
tanθ2＝∞
可得解得谐振频率：feven＝6.91GHz。
为了验证上述理论分析结果，对如图4所示的谐振器结构进行弱耦合电磁仿真，对应的频率响应仿真结果如图6所示。可以清楚地得到该谐振器在通带范围内的三个谐振模式，分别为4.21GHz，6.84GHz，9.58GHz。可见，谐振频率的计算值和电磁仿真值吻合度较好，表明了奇偶模等效电路的正确性。在本发明中，将如图4所示的谐振器称为三模谐振器。通过以上计算和分析可知，在使用该谐振器设计滤波器时，根据三模谐振器的奇偶模等效电路导出的谐振器条件，选择恰当的结构参数使其三个主要谐振频率近似均匀分布在所要求的频带内，然后通过平行耦合结构对其进行馈电，最后结合电磁仿真软件进行优化即可得到通带滤波特性。例如，在图7中给出了一个基于三模谐振器的超宽带带通滤波器的实施例。输入馈线(1)通过所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行能量输入耦合。输出馈线(2)通过所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量输出耦合。通过电磁仿真，在图8中给出了这个超宽带带通滤波器的频率响应仿真结果，可见它的通带能够覆盖所需的频率范围3.1GHz～10.6GHz。
然而，基于前述的三模谐振器的超宽带带通滤波器的通带频率选择性不是很好。为了进一步改善其频率选择性，构造了另外一个谐振器结构，如图9所示，其连接关系如下：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)的两端；闭合外圆环(32)再通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接。这个谐振器也是关于中心平面P是左右对称的，因此可以采用对称网络的奇偶模分析方法来进行分析。如果在图9所示的中心平面P放置短路面，则得到奇模等效电路，如图10(a)所示。其中，Y1和Y2是各自对应传输线的特征导纳，θ1和θ2是各自对应传输线的电长度。此奇模等效电路与三模谐振器的奇模等效电路是一样的，故分析过程是一致的。
如果在图9所示的中心平面P放置开路面，则得到偶模等效电路，如图10(b)所示。其中，Y1、Y2和Y3是各自对应传输线的特征导纳，θ1、θ2和θ3是各自对应传输线的电长度。可以导出偶模等效电路的输入导纳Yine：
其中YL＝jY2[tanθ2+tan(θ2+θ3)]。为简化计算过程，此处令Y1＝Y2＝Y3，θ1＝θ2＝θ3/2，偶模等效电路的输入导纳Yine可转化为：
令Yine＝0可以得到偶模谐振条件，即
2tanθ1+tan(3θ1)＝0 (8a)
1-tanθ1(tanθ1+tan(3θ1))＝∞ (8b)
由方程(8a)可以得到两个解，即
θ1＝40.2°和θ1＝139.8°
它们对应两个谐振频率，即
feven1＝3.09GHz，feven2＝10.72GHz
由方程(8b)可得一个解为
θ1＝90°
对应一个谐振频率，即
feven3＝6.91GHz
由偶模等效电路的输入阻抗Zine＝0，注意Zine＝1/Yine，则得到
1-3tan2θ1＝0
对应两个解分别为：
θ1＝30°和θ1＝150°
于是，可以得到两个传输零点对应的频率为：
fzero1＝2.32GHz，fzero2＝11.51GHz
通过以上分析可知，该环形谐振器有五个主要的谐振模式，其中两个为奇模谐振频率，三个为偶谐振频率。为了验证上述理论分析结果，对如图9所示的谐振器结构进行弱耦合仿真，对应的频率响应仿真结果如图11所示。可以清楚地得到该谐振器在通带范围内的五个谐振模式，分别为fe1＝3.25GHz，fo1＝4.26GHz，fe2＝6.91GHz，fo2＝9.62GHz，fe3＝11.03GHz。另外，仿真得到的两个传输零点分别位于fz1＝3.01GHz，fz2＝11.55GHz，可见，谐振频率的计算值和仿真值吻合较好，验证了理论分析的正确性。在本发明中，将图9所示的谐振器称为五模谐振器。
为了进一步减小图9所示的五模谐振器的面积，可以将其变形，得到如图12所示的谐振器，其连接关系为：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)的两端；闭合外圆环(32)再通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接。电磁仿真结果表明，两者的谐振特性基本相似。于是，基于如图12所示的谐振器，可以构造超宽带带通滤波器，如图13所示。输入馈线(1)通过所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行能量输入耦合。输出馈线(2)通过所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量输出耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了第一短路传输线节(13)，短路由第一金属化通孔(14)来实现，和第八开路传输线节(15)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(23)，短路由第二金属化通孔(24)来实现，和第九开路传输线节(25)。这个超宽带带通滤波器的频率响应仿真结果在图14中给出，可见它的通带能够覆盖所需的频率范围3.1GHz～10.6GHz。另外，在通带两侧各有一个传输零点，从而极大改善了通带的频率选择性。
然而，在图14中的频率响应中，在通带中间出现了一个明显的凹陷。为了消除它，在图12中的五模谐振器中添加了第三开路传输线节(35)，得到如图15所示的谐振器。其连接关系如下：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)的两端，闭合外圆环(32)通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，传输线节(33)延伸至第三开路传输线节(35)。于是，基于这个多模谐振器，可以构造超宽带带通滤波器，如图3所示。基于这个多模谐振器可以构造超宽带带通滤波器，即输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(10)，再由所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行能量输入耦合。输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(20)，再由所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量输出耦合。为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了第一短路传输线节(13)，短路由第一金属化通孔(14)来实现，和第八开路传输线节(15)。为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(23)，短路由第二金属化通孔(24)来实现，和第九开路传输线节(25)。
为了进一步验证前面的分析，对如图3所示的超宽带带通滤波器进行了加工测试。选用基片为RT/Duorid5880，相对介电常数为2.2，介质厚度为0.508mm。具体尺寸如图16所示为：w1＝w2＝w3＝0.12mm，l1＝8.4mm，l2＝3.12mm，l3＝4.2mm，l4＝0.37mm，l5＝2.2mm，l6＝2.6mm，r1＝4.68mm，r2＝5.38mm，r3＝5.52mm，r4＝5.8mm。使用矢量网络分析仪对该滤波器进行测试，测试结果如图17和图18所示。从图17中可知，该滤波器的3dB带宽为3.01GHz～10.70GHz，相对带宽为112％，完全覆盖UWB带宽要求。通带内插损小于1.8dB，回波损耗大于7dB。另外，30dB带宽为2.81GHz～11.01GHz，可得矩形系数为1.066，表明其良好的频率选择特性。群迟延在0.5ns～0.8ns，较为平坦。除了因为加工误差和测量仪器误差造成的回波损耗恶化外，实施例的测试结果和仿真结果吻合度较好。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种微带多模谐振器，在微带的金属上覆层(I)内包括如下图案：第一开路传输线节(31)、闭合外圆环(32)、传输线节(33)、闭合内圆环(34)、第三开路传输线节(35)和第二开路传输线节(36)；其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)两端；闭合外圆环(32)通过传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，闭合外圆环(32)和闭合内圆环(34)具有相同的圆心，只是半径不同；传输线节(33)向圆心进行延伸，即为第三开路传输线节(35)。
2.一种微带超宽带滤波器，在微带的金属上覆层(I)内包括如下图案：输入馈线(1)、第一渐变阻抗传输线节(10)、第四开路传输线节(11)、第五开路传输线节(12)、第一短路传输线节(13)、第一金属化通孔(14)、第八开路传输线节(15)、输出馈线(2)、第二渐变阻抗传输线节(20)、第六开路传输线节(21)、第七开路传输线节(22)、第二短路传输线节(23)、第二金属化通孔(24)、第九开路传输线节(25)、第一开路传输线节(31)、闭合外圆环(32)、传输线节(33)、闭合内圆环(34)、第三开路传输线节(35)和第二开路传输线节(36)；其特征在于：第一开路传输线节(31)和第二开路传输线节(36)分别连接到闭合外圆环(32)两端；闭合外圆环(32)通过一个传输线节(33)与闭合内圆环(34)连接，闭合外圆环(32)和闭合内圆环(34)具有相同的圆心，只是半径不同；传输线节(33)向圆心进行延伸，即为第三开路传输线节(35)；所述第一开路传输线节(31)、闭合外圆环(32)、传输线节(33)、闭合内圆环(34)、第三开路传输线节(35)和第二开路传输线节(36)构成一个多模谐振器；输入馈线(1)通过第一渐变阻抗传输线节(10)，再由所连接的第四开路传输线节(11)和第五开路传输线节(12)与这个多模谐振器进行输入能量耦合；输出馈线(2)通过第二渐变阻抗传输线节(20)，再由所连接的第六开路传输线节(21)和第七开路传输线节(22)与这个多模谐振器进行能量耦合；为了改善输入阻抗匹配，在输入馈线(1)处连接了第一短路传输线节(13)，短路由第一金属化通孔(14)来实现，和第八开路传输线节(15)；为了改善输出阻抗匹配，在输出馈线(2)处连接了第二短路传输线节(23)，短路由第二金属化通孔(24)来实现，和第九开路传输线节(25)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171027 Termination date: 20190520 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |