CN111934069A

CN111934069A - 一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器

Info

Publication number: CN111934069A
Application number: CN202010802346.9A
Authority: CN
Inventors: 黄文�; 李露
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2020-11-13

Abstract

本发明涉及一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器，属于射频微波技术领域。该滤波器由信号输入端口、信号输出端口、共面波导中心导带、共面波导中心导带和接地面之间的缝隙、两个共面波导的接地面、共面波导中心导带的缝隙结构、四个螺旋形缺陷地单元和四个L形槽组成；信号输入端口通过共面波导中心导带与信号输出端口相连；共面波导中心导带的缝隙结构位于共面波导中心导带的中心位置；四个L形槽设置在两个缝隙之间，四个螺旋形缺陷地单元设置在共面波导的接地面内；四个螺旋形缺陷地单元、四个L形槽关于共面波导中心导带的缝隙结构对称。与现有技术比较，本发明减小电路尺寸和电路设计的复杂性，方便与其它元器件连接。

Description

一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器

技术领域

本发明属于射频微波技术领域，涉及一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，越来越多的通信***工作在两个频段，对双频段微波***的需求急剧增加，例如全球微波互联接入(WIMAX)和无线局域网(WLAN)等通信***。作为无线通信射频前端的关键器件，具有双频带通频率响应特性的滤波器成为了重要的研究方向。目前常用来实现双频带通滤波器的方法有：在微带电路形式下，将两个具有不同工作频点的单频滤波器级联，但级联两个滤波器使得双频滤波器的整体尺寸明显增大；采用并联谐振器法实现双频带通滤波器，将两个谐振器并联形成双频带滤波器，但是并联两个谐振器增大了双频带通滤波器的尺寸；采用阶梯阻抗谐振器和开路/短路枝节实现双频带通滤波器，但是这种设计方法由于使用四分之一波长谐振器，电路尺寸仍然相对较大。射频电路集成化和小型化的设计要求，使得学者对共面波导技术进行了广泛的研究。采用共面波导和微带混合耦合结构，或背敷金属的共面波导结构均可实现双频带通滤波器。但是这两种结构的缺点是：由于金属导带设计在介质基板的两个表面，增加了电路设计的复杂性。因此，设计出性能优良，结构简单的单平面共面波导双频带通滤波器具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器。通过在共面波导中心导带加载缝隙电容，接地面蚀刻两对螺旋形缺陷地单元的方式，实现带通滤波器的第一个通带。不同于通过级联两个具有不同工作频点的单频滤波器产生双频通带的传统方法，本发明在共面波导中心导带上蚀刻四个相同的L形槽，来产生带通滤波器的第二个通带，与现有技术中通过组合两个单频滤波器形成的双频带通滤波器比较，明显减小电路尺寸。并且整个滤波器设计采用单平面共面波导结构，减小了电路设计的复杂性，而且方便与其它元器件连接。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器，由对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器和四个L形槽8组成；所述对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器包括信号输入端口1、信号输出端口2、共面波导中心导带3、共面波导中心导带和接地面之间的缝隙4、两个共面波导的接地面5、共面波导中心导带的缝隙结构6和四个螺旋形缺陷地单元7；

信号输入端口1通过共面波导中心导带3与信号输出端口2相连；共面波导中心导带的缝隙结构6位于共面波导中心导带3的中心位置；四个L形槽8设置在两个缝隙4之间，四个螺旋形缺陷地单元7设置在共面波导的接地面5内；四个螺旋形缺陷地单元7、四个L形槽8关于共面波导中心导带的缝隙结构6对称。

进一步，共面波导中心导带和接地面之间的缝隙4、共面波导中心导带的缝隙结构6、四个螺旋形缺陷地单元7、四个L形槽8蚀刻在介质基板上。

进一步，金属部分包括信号输入端口1、信号输出端口2、共面波导中心导带3、两个共面波导的接地面5，设置在介质基板表面。

进一步，螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器的等效电路图如图3所示，其中螺旋形缺陷地单元7的等效电路为LC并联电路。螺旋形缺陷地结构可以设计为具有和一阶巴特沃兹低通滤波器相同的滤波特性，因此，可以利用螺旋形缺陷地结构与一阶巴特沃斯低通滤波器满足相等的衰减条件，来计算螺旋形缺陷地单元7的等效电路中的等效电路元件参数L_s和C_s。

如图3所示，螺旋形缺陷地单元7对应的LC并联电路的阻抗表示为：

同时，螺旋形缺陷地单元7对应的LC并联电路的谐振角频率ω₀₁满足：

而一阶巴特沃兹低通滤波器电路中元件对应的阻抗为：

其中，g₁为一阶巴特沃兹低通滤波器归一化元件参数，其归一化元件值为2。ω_c为低通滤波器的|S₂₁|在-3dB时对应的角频率，即截止角频率。Z₀为输入输出端口的特征阻抗。

将螺旋形缺陷地单元7设计为与一阶巴特沃兹低通滤波器具有相同的滤波性能，因此两者具有相同的截止频率和衰减特性。在截止角频率ω＝ω_c处，令一阶巴特沃斯低通滤波器和螺旋形缺陷地对应的LC并联谐振回路的阻抗相等，可得：

即

由上式可以求解出螺旋形缺陷地单元7的等效电路中等效电容C_s和电感L_s分别为：

进一步，如图4所示，L形槽共面波导谐振器，由共面波导中心导带3、在共面波导中心导带刻蚀的两个L形槽8，共面波导中心导带和接地面之间的缝隙4、两个共面波导接地面5构成。L形槽共面波导谐振器的等效传输线模型如图5所示。其中，Z_a,Z_b,Z_d分别表示L形槽共面波导谐振器的各段传输线的特征阻抗，θ_a，θ_b，θ_d分别表示L形槽共面波导谐振器的各段传输线的相移。

由图5中等效传输线模型，L形槽共面波导谐振器的等效传输线模型的转移矩阵可表示为：

由此可算出转移矩阵的各矩阵参数分别为：

A＝cosθ_e，B＝jZ_bsinθ_e

其中，

θ_e＝θ_b+θ_m，

其中，l_i(i＝a,b,d)为L形槽共面波导谐振器中各段传输线的长度，ω₀₂是L形槽共面波导谐振器的谐振角频率，ε_re为有效介电常数，其中

ε_r为介质基板的相对介电常数，c为自由空间中的光速度。

L形槽共面波导谐振器的传输线模型的传输系数S₂₁可采用转移矩阵参量表示为：

当|S₂₁|的值为0时，可计算出L形槽共面波导谐振器的传输零点的频率点为：

当|S₂₁|的值为1时，即谐振器的输入信号完全传输至输出端口时，此时L形槽共面波导谐振器工作于谐振频点，L形槽共面波导谐振器的各段传输线的特性阻抗和相移应满足以下关系：

P＝2Z₀Z_aZ_b cosθ_a sinθ_e

Q＝2Z₀Z_b[sinθ_e cosθ_e(Z_a cosθ_a-Z₀ sinθ_a)-Z_b sinθ_a sin²θ_e]

R＝Z_aZ_b ²cosθ_a sin²θ_e-Z₀ ²Z_a cosθ_a sin²θ_e。

本发明的有益效果在于：本发明通过在共面波导两个接地面上加载两对对称的螺旋形缺陷地结构和在共面波导中心导带上加载一个缝隙和四个L形槽，实现了双频带通滤波器的小型化设计。另一方面，本发明采用单平面的共面波导结构，把电路设计在同一平面，易于与其他微波器件连接。

本发明与现有技术中通过组合两个单频滤波器形成的双频带通滤波器比较，明显减小电路尺寸。并且整个滤波器设计采用单平面共面波导结构，减小了电路设计的复杂性，而且方便与其它元器件连接。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器的结构示意图；

图2为螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器的结构示意图；

图3为螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器的等效电路图；

图4为L形槽共面波导谐振器结构示意图；

图5为L形槽共面波导谐振器的等效传输线模型图；

图6为本实施例共面波导双频带通滤波器样品的结构尺寸标注图；

图7为本实施共面波导双频带通滤波器样品的仿真曲线图。

附图标记：1-信号输入端口，2-信号输出端口，3-共面波导中心导带，4-缝隙，5-共面波导的接地面，6-缝隙结构，7-螺旋形缺陷地单元，8-L形槽。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图7，本发明优选了一种样品，该样品为工作频率为3.5GHz和5.85GHz的基于螺旋形缺陷地结构的共面波导双频带通滤波器。如图1所示，该滤波器由对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器和四个L形槽8组成；对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器包括信号输入端口1、信号输出端口2、共面波导中心导带3、共面波导中心导带和接地面之间的缝隙4、两个共面波导的接地面5、共面波导中心导带的缝隙结构6和四个螺旋形缺陷地单元7。信号输入端口1通过共面波导中心导带3与信号输出端口2相连；共面波导中心导带的缝隙结构6位于共面波导中心导带3的中心位置；四个L形槽8设置在两个缝隙4之间，四个螺旋形缺陷地单元7设置在共面波导的接地面5内；四个螺旋形缺陷地单元7、四个L形槽8关于共面波导中心导带的缝隙结构6对称。

整个滤波器制作在国产聚四氟乙烯介质基片上，衬底厚度为1mm，相对介电常数ε_r＝2.65，损耗正切角为0.005，尺寸为26.0mm×20.6mm，即0.39λ_g×0.31λ_g，λ_g表示第一个工作频率时介质基板上的导波波长。

本实施例样品的具体尺寸标注如图6中所示，电路具体尺寸如下表1所示：

表1本发明双频带通滤波器的具体尺寸(单位：mm)

结构名称	符号	数值
			信号输入端口宽度	w<sub>0</sub>	2.2
共面波导传输线的接地面宽度	w<sub>1</sub>	9.0
			L形槽与中心导带边缘的距离	w<sub>a</sub>	0.3
两个L形槽之间的距离	w<sub>b</sub>	1.0
			共面波导中心导带与接地面距离	g	0.2
共面波导中心导带蚀刻缝隙宽度	g<sub>0</sub>	0.6
			螺旋形缺陷地单元总长度	a	3.1
螺旋形缺陷地结构缝隙宽度	b<sub>1</sub>	0.3
			螺旋形缺陷地结构导带宽度	b<sub>2</sub>	0.3
L形槽的宽度	a<sub>1</sub>	0.3
			信号输入端口长度	l<sub>1</sub>	3.7
L形槽的长度	l<sub>a</sub>	7.7
			L形槽和缝隙之间的距离	l<sub>d</sub>	1.0

使用仿真软件HFSS进行仿真，本实施例样品仿真所得S参数曲线图如图7所示。图中|S₁₁|表示信号输入端1反射系数的模值，|S₂₁|表示信号从滤波器输入端口1到输出端口2传输系数的模值。

本实施例样品双频带通滤波器的中心频率分别为3.5GHz和5.85GHz，对应的3dB相对带宽分别为13.71％和5.30％。如图7所示仿真的S参数曲线，第一个通带的|S₁₁|小于-10dB的通带范围从3.30GHz-3.68GHz，在3.5GHz时|S₂₁|为-1.29dB。第二个通带的|S₁₁|小于-10dB的通带范围从5.75GHz-5.99GHz，在5.85GHz时|S₂₁|为-1.30dB。该双频带通滤波器在通带外存在三个传输零点，传输零点的存在使滤波器具有良好的频率选择特性，传输零点的位置分别为2.86GHz，4.59GHz和6.49GHz，对应的|S₂₁|分别为-39.71dB，-55.29dB，-39.67dB，对应的|S₁₁|分别-0.23dB，-0.19dB，-0.26dB。两个通带之间的阻带抑制大于20dB的范围分别为4.35GHz-4.89GHz。此外，当频率低于第一个通带时，阻带抑制大于20dB的范围为1GHz-3.01GHz，频率高于第二个通带时，阻带抑制大于20dB范围为6.26GHz-7.21GHz。

结合附图和以上分析表明，本发明基于螺旋形缺陷地结构的共面波导双频带通滤波器，不仅具有设计简单、易于与其他微波器件连接等优点，而且实现了良好的频率选择特性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于螺旋形缺陷地的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，该滤波器由对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器和四个L形槽(8)组成；所述对称螺旋形缺陷地的共面波导单频带通滤波器包括信号输入端口(1)、信号输出端口(2)、共面波导中心导带(3)、共面波导中心导带和接地面之间的缝隙(4)、两个共面波导的接地面(5)、共面波导中心导带的缝隙结构(6)和四个螺旋形缺陷地单元(7)；

信号输入端口(1)通过共面波导中心导带(3)与信号输出端口(2)相连；共面波导中心导带的缝隙结构(6)位于共面波导中心导带(3)的中心位置；四个L形槽(8)设置在两个缝隙(4)之间，四个螺旋形缺陷地单元(7)设置在共面波导的接地面(5)内；四个螺旋形缺陷地单元(7)、四个L形槽(8)关于共面波导中心导带的缝隙结构(6)对称。

2.根据权利要求1所述的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，所述的共面波导中心导带和接地面之间的缝隙(4)、共面波导中心导带的缝隙结构(6)、四个螺旋形缺陷地单元(7)、四个L形槽(8)蚀刻在介质基板上。

3.根据权利要求1所述的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，金属部分包括信号输入端口(1)、信号输出端口(2)、共面波导中心导带(3)、两个共面波导的接地面(5)，设置在介质基板表面。

4.根据权利要求1所述的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，螺旋形缺陷地单元(7)的等效电路中等效电容C_s和电感L_s分别为：

其中，ω_c和f_c分别为截止角频率和截止频率，Z₀为输入输出端口的特征阻抗，ω₀₁和f₀₁分别为螺旋形缺陷地单元对应的LC并联电路的谐振角频率和谐振频率；g₁为一阶巴特沃兹低通滤波器归一化元件参数，其归一化元件值为2。

5.根据权利要求1所述的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，L形槽共面波导谐振器各段传输线的相移为：

θ_e＝θ_b+θ_m

其中，l_i为L形槽共面波导谐振器中各段传输线的长度，其中i＝a、b、d；ω₀₂是L形槽共面波导谐振器的谐振角频率，ε_re为有效介电常数，c为自由空间中的光速度，Z_a、Z_b、Z_d分别表示L形槽共面波导谐振器的各段传输线的特征阻抗。

6.根据权利要求5所述的共面波导双频带通滤波器，其特征在于，L形槽共面波导谐振器的各段传输线的特征阻抗和相移满足以下关系：

P＝2Z₀Z_aZ_bcosθ_asinθ_e

Q＝2Z₀Z_b[sinθ_ecosθ_e(Z_acosθ_a-Z₀sinθ_a)-Z_bsinθ_asin²θ_e]

R＝Z_aZ_b ²cosθ_asin²θ_e-Z₀ ²Z_acosθ_asin²θ_e

其中，Z₀为输入输出端口的特征阻抗；Z_a、Z_b、Z_d分别表示L形槽共面波导谐振器的各段传输线的特征阻抗；θ_a、θ_b、θ_d分别表示L形槽共面波导谐振器的各段传输线的相移。