CN107086339A - 一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波滤波器领域，提供一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器，包括T型缺陷微带结构、互补开口环结构、“山”字型谐振器及缺陷微带谐振器，超宽带滤波器沿垂直方向中心轴呈轴对称，T型缺陷微带结构设置于滤波器输入端和输出端的微带层，互补开口环结构设置于于滤波器滤波器输入端和输出端的接地层；“山”字型谐振器设置于所述缺陷微带谐振器上下两侧、通过平行耦合方式引入；缺陷微带谐振器由两个开口槽缺陷结构和一个交指耦合线构成，两个开口槽缺陷结构对称设置于交指耦合线上下两侧。本发明超宽带滤波器基于改进的新型缺陷微带结构谐振器构成，具有很宽的工作带宽、极低的插损、较好的回波损耗及很好的选择性等优点。
Description
技术领域
本发明属于微波滤波器领域，具体提供一种基于新型缺陷微带结构的高选择性的超宽带带通滤波器，以实现宽带滤波功能。
技术背景
超宽带(UWB)技术以其系统结构简单、成本低、功耗小、安全性高、不易产生干扰、数据传输速率高等特点成为了目前无线通信领域的一个研究热点。自从2002年2月美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission—FCC)发布了关于超宽带技术的“FirstReport and Order”，允许超宽带技术商业应用，开放了3.1GHz至10.6GHz频段免费给民用系统，超宽带技术、特别是超宽带无线通信开始受到广泛的关注，超宽带无线通信系统得到了快速的发展。滤波器在超宽带无线通信系统中起着选择有用信号、抑制干扰信号的重要作用，是超宽带无线通信系统中必不可少的重要元件；其工作性能好坏直接影响到超宽带无线通信系统的整体性能。
在现有的报道文献中，实现超宽带带通滤波器主要有以下在几种方式实现。第一种：研究者M.Mirzaee基于交指耦合线和信号干扰的技术实现了超宽带滤波功能，参见文献《M.Mirzaee and B.S.Virdee,“UWB bandpass filter with notch-band based ontransversal sign al-interaction concepts,”Electronics Letters,2013,49(6):399-401》。第二种：各种过渡结构也经常用来实现超宽带滤波器；如A.N.Ghazali基于微带到共面波导(Co-planar Waveguide,CPW)过渡结构实现了一个相对带宽达116％的超宽带带通滤波器，参见文献《A.N.Ghazali,M.Sazid,and S.Pal,“A Miniaturized Microstrip-to-CPW transition based UWB-BPF with sharp roll-off and minimum insertion loss,”Microw.Opt Technol Lett.,vol.58,no.2,pp.289–293,Feb.2016》，研究者L.T.Beng利用微带到共面带状线(Coplanar stripline，CPS)过渡结构产生的超宽带带通效应实现了一个超宽带带通滤波器，参见文献《L.T.Beng,Z.Lei,G.Ying,“Wideband Microstrip-to-CPSTranstion with Good out-of-band performance for UWB application”.Microwaveand optical technology letters,2011,53(4):836-838》。第三种：基于缺陷微带结构实现超宽带滤波器，研究者S.Fallahzadeh提出了一种缺陷微带结构，并通过级联的方式实现了一个超宽带带通滤波器，参见文献《S.Fallahzadeh and M.Tayara ni,“A NewMicrostrip UWB Bandpass Filter Using Defected Microstrip Structures”。Jour nalof electromagnetic waves and applications,2010,24(7)：893–902.》。
上述几种方法中，第一种方法实现的滤波器带宽为119％，但是其尺寸达到了0.72×1.11(λg×λg，λg是在频率6.85GHz处的导波波长)；第二种方法实现的滤波器同样面临着尺寸大和选择性差的缺点，同时由于其是过渡结构，带内插损也较大；第三种基于缺陷微带结构的超宽带滤波器的带宽为110％，但是由于其是由三个缺陷微带结构简单级联构成，尺寸较大，并且该滤波器在低频段没有零点，因此带外选择性也较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有超宽带滤波器尺寸大、选择性差、内插损耗大的缺陷，提供一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器；该超宽带滤波器基于改进的新型缺陷微带结构谐振器构成，具备很宽的工作带宽、极低的插损、较好的回波损耗及很好的选择性等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器，包括T型缺陷微带结构、互补开口环结构、“山”字型谐振器及缺陷微带谐振器，其特征在于，所述超宽带滤波器沿垂直方向中心轴呈轴对称，所述T型缺陷微带结构设置于滤波器输入端和输出端的微带层、位于所述缺陷微带谐振器左右两侧，所述互补开口环结构设置于滤波器输入端和输出端的接地层、同样位于所述缺陷微带谐振器左右两侧；所述“山”字型谐振器设置于所述缺陷微带谐振器上下两侧、通过平行耦合方式引入；所述缺陷微带谐振器由两个开口槽缺陷结构和一个交指耦合线构成，所述两个开口槽缺陷结构对称设置于交指耦合线上下两侧。
从工作原理上讲，本发明超宽带滤波器中，所述“山”字型谐振器能够拓展上阻带频率，所述互补开口环结构能够改善滤波器高频特性；所述缺陷微带谐振器(DMSR)由三条支路构成，如图1、图2所示，支路一(path1)和支路三(path3)为加载短路微带枝节(即开口槽缺陷结构加载有接地孔)，支路二(path2)为交指耦合线(等效为微带线)，该缺陷微带谐振器的谐振特性可以由其等效传输线模型的ABCD矩阵求得；path 1、path 2和path 3的ABCD矩阵如下所示：
其中，Z1和Z3分别表示path 1和短路枝节的特征阻抗，Z2为path 2的特征阻抗；Y1和Y2分别表示path 1和path 2的特征导纳，由ABCD矩阵和Y参数矩阵的转换可以得到其Y矩阵中的Y21和Y11，如下所示：
再由Y参数矩阵到S矩阵的转变可以得到缺陷微带谐振器结构的S21，如下所示：
其中，Y0表示50欧姆微带线的特征导纳。缺陷微带谐振器产生零点时有S21＝0，即：
由上式得到当缺陷微带谐振器产生传输零点时：θ0＝0,θ1＝π；
如附图3所示，本发明缺陷微带谐振器带内有三个极点，同时在0GHz，2f0(f0是通带中心频率)会产生两个零点；显然，该缺陷微带结构能够实现一个带通特性的超宽带响应，能够用于设计超宽带带通滤波器。
综上，本发明提供基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器，其优点在于：
1、具有很宽的工作带宽：3dB带宽达到了123％(2.3-11.5GHz)；
2、具有极低的插损：插入损耗优于0.4dB；
3、具有较好的回波损耗：回波损耗优于14dB；
4、具有很好的选择性：选择性因子(3dB带宽比上30dB带宽)达到0.91。
5、实现在印刷电路板上，加工方便，结构简单可靠，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例缺陷微带谐振器等效图。
图2是本发明实施例缺陷微带谐振器的等效传输线模型。
图3是本发明实施例缺陷微带谐振器的S参数仿真图。
图4是本发明实施例滤波器的参数图。
图5是本发明实施例滤波器仿真和测试S参数曲线。
图6是本发明实施例滤波器加工图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例中提供一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器，其结构如图4所示，其加工实物如图6所示；该滤波器实现在RT/Duroid 5880的介质基片上，该基片相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.787mm。本实施例中，对于T型缺陷微带结构，在滤波器的输入、输出端口的微带层中开缺陷槽实现；对于互补开口环结构，在滤波器的输入、输出端口背面接地层开槽型的缺陷地结构实现；对于“山”型谐振器采用缺陷微带谐振器的两侧引入的微带线实现；对于缺陷微带谐振器，在微带线上开设两个开口槽缺陷结构，同时，开口槽缺陷结构中间开矩形槽，用以设置交指耦合线，最终实现缺陷微带谐振器。
采用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化后，获得了最佳的参数尺寸，如图4所示，具体如下所示：w0＝2.4mm,l0＝4mm,l1＝3.64mm,l2＝1mm,lt＝3.65mm,wt0＝0.3mm,wt1＝0.2mm,dt0＝0.2mm,wd0＝1.3mm,wd1＝0.2mm,wd2＝0.33mm,wd3＝0.9mm,wd4＝0.1mm,ld0＝6.32mm,ls0＝5.76mm,ls1＝1.86mm,ls2＝2.32mm,ws＝0.14mm,s2＝0.1mm,dc0＝0.26mm,dc1＝0.4mm,dc2＝0.21mm,wc＝0.18mm,lc＝0.8mm,s0＝0.1mm,s1＝0.25mm,wp0＝0.1mm,wp1＝0.1mm,g＝0.1mm,lp＝7.7mm.
对上述超宽带滤波器进行测试，如图5所示，测试结果显示：超宽带内回波损耗优于-14dB，插入损耗均优于0.4dB，选择性因子(3dB带宽比上30dB带宽)达到0.91，相对带宽为133％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (1)
1.一种基于新型缺陷微带结构的超宽带滤波器，包括T型缺陷微带结构、互补开口环结构、“山”字型谐振器及缺陷微带谐振器，其特征在于，所述超宽带滤波器沿垂直方向中心轴呈轴对称，所述T型缺陷微带结构设置于滤波器输入端和输出端的微带层、位于所述缺陷微带谐振器左右两侧，所述互补开口环结构设置于滤波器输入端和输出端的接地层、同样位于所述缺陷微带谐振器左右两侧；所述“山”字型谐振器设置于所述缺陷微带谐振器上下两侧、通过平行耦合方式引入；所述缺陷微带谐振器由两个开口槽缺陷结构和一个交指耦合线构成，所述两个开口槽缺陷结构对称设置于交指耦合线上下两侧。
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