CN109638395B

CN109638395B - 一种微带超宽带带通滤波器

Info

Publication number: CN109638395B
Application number: CN201811489456.3A
Authority: CN
Inventors: 吕志清; 安翔; 邰媛; 王英飞; 单孝通
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN109638395A

Abstract

本发明提出了一种微带超宽带带通滤波器，用于解决现有微带超宽带带通滤波器通带效果差及难以对各个陷波的特性进行单独调节的问题。包括介质基板、印制在介质基板上表面的环形谐振器和下表面的金属地板；该环形谐振器内设置有T型谐振器且其Y轴的两侧各设置一个微带馈线，微带馈线上开有E型缝隙，一个微带馈线两侧各设置一个S型谐振器，另一个的两侧各设置一个工字型谐振器，两个S型谐振器和两个工字型谐振器关于整个滤波器的对称轴非对称排布，短路枝节通过金属过孔接地；金属地板上蚀刻有矩形缝隙；本发明具有通带效果良好，三陷波独立调节。

Description

一种微带超宽带带通滤波器

技术领域

本发明属于微波通信器件技术领域，涉及一种超宽带带通滤波器，具体涉及一种具有陷波效应的微带超宽带带通滤波器，可用于微波毫米波电路的设计。

背景技术

随着通信技术的快速发展，超宽带无线通信凭借其空间容量大、传输速度快、功耗高、处理增益高、安全性能好等优点使其拥有巨大的发展潜力。滤波器作为微波***中的重要组成部分，其性能直接关系到整个***的性能。传统的带通滤波器一般分为平面微带、带状线结构滤波器和金属波导结构滤波器。金属波导结构滤波器虽Q值高，功率容量大，损耗小，但其体积庞大，难与其他微波电路集成且难以实现小型化。带状线阻抗容易控制、屏蔽效果好、易于集成且加工方便，但是传播信号速度慢。微带线保留了带状线滤波器的易于集成和加工方便等优势，且兼具体积小、重量轻、频带宽、传播信号速度快等优点，目前受到了广泛的关注与应用。

由于超宽带中存在无线局域网WLAN、Wimax和卫星通信等已被使用的频段，因此需要设计出具有陷波特性的超宽带滤波器。近些年来，具有陷波特性的微带超宽带带通滤波器在许多文献中已有所涉及，可用耦合具有阻带效果的谐振器、加载枝节等方式实现，由于耦合具有阻带效果谐振器的方式实现简单，因此最为常见，但仍具有以下缺陷和不足：(1)通带效果差(2)难以对各个陷波的特性进行单独调节。

例如，2017年，Prashant Ranjan等人在IEEE Microwave and WirelessComponents Letters期刊(Vol.27,Issue.2,Feb.2017)上发表了“Multi Mode ResonatorsBased Triple Band Notch UWB Filter”，提出了一种具有三陷波特性的超宽带带通滤波器，通过阶梯阻抗线及在低阻抗线上连接弯折的短路枝节来实现超宽带带通滤波器，在高阻抗线附近紧邻一个E型谐振器来引入两个陷波，再通过在弯折短路枝节的弯折处连接已开路枝节，实现第三个陷波，其具有良好的陷波特性，但陷波有干扰，导致滤波器的通带效果差，且三个陷波的频率不能独立调节。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种微带超宽带带通滤波器，旨在减小陷波之间的干扰，同时降低***损耗，并实现多陷波频率的独立调节。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微带超宽带带通滤波器，包括介质基板1、印制在介质基板1上表面的环形谐振器2和下表面的金属地板3，其中：

所述环形谐振器2包括环形微带结构，以及与环形微带结构连接的位于环内的第一枝节和位于环外的两个第二枝节，所述第一枝节与以环形微带结构中心为原点的二维坐标系的X轴平行，将环形微带结构的环内空间分割为两个部分，所述两个第二枝节关于Y轴对称；

所述环形微带结构环内的一个空间部分设置有T型谐振器4，该T型谐振器4的对称轴与Y轴重合；

所述环形微带结构位于Y轴的两侧各设置一个微带馈线5，该微带馈线5一端中点位置且沿该微带馈线5的长度方向上设置有矩形开口，所述环形微带结构连接的两个第二枝节分别镶嵌在对应位置微带馈线5的矩形开口内，形成交指结构；

所述两个微带馈线5中一个的两个长边外侧各设置一个S型谐振器6，另一个的两个长边两侧各设置一个工字型谐振器7，两个S型谐振器6和两个工字型谐振器7关于所在位置的微带馈线5的短边中轴线对称；

所述环形微带结构中与Y负半轴垂直相交的枝节的中心通过金属过孔8接地；

所述金属地板3位于交指结构的投影位置蚀刻有矩形缝隙9；

所述两个S型谐振器6和两个工字型谐振器7关于Y轴非对称排布，所述微带馈线5上蚀刻有E型缝隙10，E型缝隙10的对称轴与所在位置的微带馈线5的短边中轴线重合，且两个E型缝隙10关于Y轴对称。

上述一种微带超宽带带通滤波器，所述环形微带结构被第一枝节分割为两个空间部分中，其中没有设置T型谐振器4的空间部分，设置有与环形微带结构连接且与Y轴重合的短路枝节，以及与第一枝节相连且关于Y轴对称的两个第三枝节，所述短路枝节通过金属化过孔与金属地板3相连。

上述一种微带超宽带带通滤波器，所述第二枝节，其两个短边的中轴线与X轴平行。

上述一种微带超宽带带通滤波器，所述T型谐振器4，由与X轴垂直的中间短路枝节41和两个关于中间短路枝节41对称的第一弯曲枝节42组成，所述中间短路枝节41一端通过金属通孔接地，另一端与两个第一弯曲枝节连接。

上述一种微带超宽带带通滤波器，所述S型谐振器6，由两个关于C-C’轴对称且在对称轴处连接的第二弯折枝节61组成，连接处通过金属过孔接地，其中C-C’轴与X轴垂直。

上述一种微带超宽带带通滤波器，所述工字型谐振器7，由与X轴垂直的中心微带线71，以及分别与中心微带线71垂直的短路枝节72和第三弯曲枝节73组成，所述短路枝节72的两端通过金属化过孔接地。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明通过在左侧微带馈线紧邻两个S型谐振器，右侧微带馈线紧邻着两个工字型谐振器，环形谐振器中间紧邻一个T型谐振器来实现陷波效应，由于两个S型谐振器和两个工字型谐振器关于整个滤波器的对称轴为非对称排布，减小了陷波之间的干扰，与现有技术相比，有效提高了滤波器的带内性能，同时由于不同的谐振器控制不同陷波，实现了各陷波之间的独立调节。

2.本发明由于微带馈线上蚀刻的E型缝隙能够影响微带馈线表面的电流分布，使其具有慢波效应，增强耦合效果，因此通带内的***损耗减小，与现有技术相比，进一步提高了滤波器的带内性能。

附图说明

图1是本发明的实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的上表面示意图；

图3是图2中环形谐振器及其附属枝节的结构示意图；

图4(a)是本发明的环形谐振器的奇模等效电路图；

图4(b)是本发明的环形谐振器的偶模等效电路图；

图5是图2中T型谐振器的结构示意图；

图6是本发明的T型谐振器奇偶模等效电路图；

图7是图2中S型谐振器的结构示意图；

图8是本发明的S型谐振器的等效电路图；

图9是图2中工字型谐振器的结构示意图；

图10是本发明的下表面的结构示意图；

图11是对本发明的***损耗与回波损耗仿真结果图；

图12是本发明与现有技术***损耗仿真结果比较图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括介质基板1、印制在介质基板1上表面的环形谐振器2和下表面的金属地板3，其中环形谐振器2包括环形微带结构，以及与环形微带结构连接的位于环内的第一枝节和位于环外的两个第二枝节，这里第一枝节与以环形微带结构中心为原点的二维坐标系的X轴平行，将环形微带结构的环内空间分割为两个部分，两个第二枝节关于Y轴对称；环形微带结构环内的一个空间部分设置有T型谐振器4，该T型谐振器4的对称轴与Y轴重合；环形微带结构位于Y轴的两侧各设置一个微带馈线5，该微带馈线5一端中点位置且沿该微带馈线5的长度方向上设置有矩形开口，环形微带结构连接的两个第二枝节分别镶嵌在对应位置微带馈线5的矩形开口内，形成交指结构；两个微带馈线5中一个的两个长边外侧各设置一个S型谐振器6，另一个的两个长边两侧各设置一个工字型谐振器7，两个S型谐振器6和两个工字型谐振器7关于所在位置的微带馈线5的短边中轴线对称；所述环形微带结构中与Y负半轴垂直相交的枝节的中心通过金属过孔8接地。金属地板3位于交指结构的投影位置蚀刻有矩形缝隙9；其中：

所述介质基板1的上下底面为金属层，中间是介电常数为ε＝2.2低损耗介质基片，本实例采用的是Rogers RT/Duroid 5880,其厚度为h＝1mm,宽度W＝18mm,长度L＝41.4mm。

参照图2，介质基板1的上表面印制有环形谐振器2、T型枝节4、微带馈线5、S型谐振器6和工字型谐振器7；这里两个S型谐振器6和两个工字型谐振器7关于整个滤波器的中轴线呈非对称排布，减小了各陷波之间的干扰；微带馈线5用来实现信号的输入与输出，其宽度W₁＝3mm，长度L₁＝8mm；微带馈线5上蚀刻有E型缝隙10，E型缝隙10的对称轴与所在位置的微带馈线5的短边中轴线重合，且两个E型缝隙10关于整个滤波器结构的中轴线对称，该E型缝隙10影响了微带馈线5表面的电流分布，使微带馈线5具有慢波效应，增强耦合效果，因此通带内的***损耗减小，进一步提高了滤波器的带内性能，其宽度W₃＝0.3mm，长度L₃＝2.9mm，间距S₄＝0.45mm。

参照图3，所述环形谐振器2用来产生通带内的谐振点，通过增加两个开路枝节和一个短路枝节，增加谐振点，改善通带效果；采用奇偶模的方法计算尺寸的过程如下：

根据其等效奇偶模谐振电路图4，可写出其奇模输入导纳：

其中：

偶模输入导纳：

其中：

(Y_ino为奇模输入导纳，Y_ine为偶模输入导纳，Y_i为阶梯阻抗线的导纳(i＝1，2…6)，θ_j为阶梯阻抗线的电长度(j＝1,2…6))，谐振时Y_ino＝0，Y_ine＝0，再由

计算可得枝节长度L₂₁＝8mm,L₂₂＝3.3mm,L₂₄＝2mm,L₂₃＝1.4mm,宽度W₂₁＝1mm,W₂₂＝1.3mm,W₂₄＝0.2mm,W₂₆＝0.4mm,通孔直径R₁＝0.4mm。此时，奇模谐振频率f_o1＝4.8GHz，f_o2＝10GHz，偶模谐振频率f_e1＝3.4GHz，f_e2＝7.7GHz，四个谐振点均匀分布在3.1GHz～10.6GHz频带内；参照图2，通过交指结构和缺陷地结构引入强耦合，实现超宽带滤波器，交指结构的长度L₂＝8mm，宽度W₂＝1mm，与环形谐振器的间距S₅＝0.2mm。

参照图5，所述T型谐振器4用来实现8GHz频段(卫星通信***频段)的陷波；采用奇偶模分析法计算尺寸，计算过程如下：

根据其等效奇偶模谐振电路图6，可写出其奇模输入导纳：Y_ino＝-jY₁cotθ₁，偶模输入导纳：

(Y_ino为奇模输入导纳，Y_ine为偶模输入导纳，Y_i为阶梯阻抗线的导纳(i＝1，2)，θ_j为阶梯阻抗线的电长度(j＝1,2))，谐振时Y_ino＝0，Y_ine＝0，再由偶模谐振频率

奇模谐振频率

其中e₁＝L₄₁，e₂＝2L₄₂-S₄₂+S₄₁+L₄₃，计算可得通孔直径R₃＝0.3mm，宽度W₄₁＝0.2mm，枝节长度L₄₁＝2mm，L₄₂＝2.5mm，L₄₃＝1.3mm，枝节间距S₄₁＝0.3mm,S₄₂＝0.2mm，其与环形谐振器2中间直接的间距为S₁＝0.2mm。

参照图7，所述S型谐振器6用来实现5.8GHz(无线局域网频段)频段的陷波，其等效电路图参照8，可计算出其谐振频率其中C₁为水平部分微带线与微带馈线5之间的等效电容，C₂为微带线与基板下层金属地板3之间的等效电容，L₁为电流通过金属通孔8的等效电感，这里：

C₂＝2εdL₆₁/h，

ε为介质基板的介电常数，μ为真空中的磁导率，h为金属板厚度；通过计算仿真软件计算得C₁＝0.125pF，C₂＝0.765pF，L₁＝0.855nH，最终可计算得到其宽度W₆₁＝0.2mm，长度L₆₁＝14.2mm，通孔直径R₆₁＝0.2mm，与左侧微带馈线5的距离为S₂＝0.2mm。

参照图9，所述工字型谐振器7用来实现6.8GHz(射频识别通信频段)频段的陷波，其宽度W₇₁＝0.2mm，长度L₇₁＝0.6mm，L₇₂＝2.1mm，L₇₃＝4.7mm，通孔直径R₃＝0.2mm,与右侧微带馈线5的距离为S₃＝0.2mm。

参照图10，所述金属地板3位于交指结构的投影位置蚀刻有矩形缝隙9，形成缺陷地结构，引入强耦合，该矩形缝隙宽度WG＝3.2mm，长度LG＝7.3mm。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

利用商业仿真软件HFSS 15.0进行仿真，对本发明的***损耗与回波损耗进行仿真，仿真结果图如图11所示，将本发明与现有技术***损耗的仿真结果进行对比，比较结果图如图12所示。

2.仿真结果分析：

参照图11，滤波器的中心频率在f₀＝6.85GHz处，3dB工作宽带从f₁＝3GHz到f₂＝10.65GHz，相对宽带FWB＝(f₁-f₂)/f₀＝111.68％；带内***损耗低于0.68dB,工作宽带内的回波损耗优于10dB，三个陷波的中心频率分别为5.8GHz、6.8GHz与8GHz，其中5.8GHz频段处衰减大于19dB,6.8GHz频段处衰减大于19dB，8GHz频段处的衰减大于28dB，衰减达到3dB的相对阻带的频率范围分别为5.75GHz-5.95GHz，6.6GHz-6.9GHz和7.8GHz-8.3GHz,相对带宽分别为3.4％,4.4％，6.25％，符合陷波频段的带宽要求。

参照图12，本发明与现有的具有三陷波特性的超宽带带通滤波器传输特性相比，本发明的***损耗低于0.68dB，现有技术的***损耗低于1dB,以上对比仿真结果表明，本发明的三个陷波的干扰减小，通带内效果优异。

以上描述仅是本发明的一个优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种微带超宽带带通滤波器，包括介质基板(1)、印制在介质基板(1)上表面的环形谐振器(2)和下表面的金属地板(3)，其中：

所述环形谐振器(2)包括环形微带结构，以及与环形微带结构连接的位于环内的第一枝节和位于环外的两个第二枝节，所述第一枝节与以环形微带结构中心为原点的二维坐标系的X轴平行，将环形微带结构的环内空间分割为两个部分，所述两个第二枝节关于Y轴对称；

所述环形微带结构环内的一个空间部分设置有T型谐振器(4)，该T型谐振器(4)的对称轴与Y轴重合；

所述环形微带结构位于Y轴的两侧各设置一个微带馈线(5)，该微带馈线(5)一端中点位置且沿该微带馈线(5)的长度方向上设置有矩形开口，所述环形微带结构连接的两个第二枝节分别镶嵌在对应位置微带馈线(5)的矩形开口内，形成交指结构；

所述两个微带馈线(5)中一个的两个长边外侧各设置一个S型谐振器(6)，另一个的两个长边两侧各设置一个工字型谐振器(7)，两个S型谐振器(6)和两个工字型谐振器(7)关于所在位置的微带馈线(5)的短边中轴线对称；

所述环形微带结构中与Y负半轴垂直相交的枝节的中心通过金属过孔(8)接地；

所述金属地板(3)位于交指结构的投影位置蚀刻有矩形缝隙(9)；

其特征在于，所述两个S型谐振器(6)和两个工字型谐振器(7)关于Y轴非对称排布，所述微带馈线(5)上蚀刻有E型缝隙(10)，E型缝隙(10)的对称轴与所在位置的微带馈线(5)的短边中轴线重合，且两个E型缝隙(10)关于Y轴对称。

2.根据权利要求1所述的一种微带超宽带带通滤波器，其特征在于：所述环形微带结构被第一枝节分割为两个空间部分中，其中没有设置T型谐振器(4)的空间部分，设置有与环形微带结构连接且与Y轴重合的短路枝节，以及与第一枝节相连且关于Y轴对称的两个第三枝节，所述短路枝节通过金属化过孔与金属地板(3)相连。

3.根据权利要求1所述的一种微带超宽带带通滤波器，其特征在于：所述第一枝节，其两个短边的中轴线与X轴重合。

4.根据权利要求1所述的一种微带超宽带带通滤波器，其特征在于：所述T型谐振器(4)，由与X轴垂直的中间短路枝节(41)和两个关于中间短路枝节(41)对称的第一弯曲枝节(42)组成，所述中间短路枝节(41)一端通过金属通孔接地，另一端与两个第一弯曲枝节连接。

5.根据权利要求1所述的一种微带超宽带带通滤波器，其特征在于：所述S型谐振器(6)，由两个关于C-C’轴对称且在对称轴处连接的第二弯折枝节(61)组成，连接处通过金属过孔接地，其中C-C’轴与X轴垂直。

6.根据权利要求1所述的一种微带超宽带带通滤波器，其特征在于：所述工字型谐振器(7)，由与X轴垂直的中心微带线(71)，以及分别与中心微带线(71)垂直的短路枝节(72)和第三弯曲枝节(73)组成，所述短路枝节(72)的两端通过金属化过孔接地。