CN103682540A - 一种对称性可控的输入/输出耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对称性可控的输入/输出耦合结构，属于微波通讯技术设备领域。该结构包括输入馈线、输出馈线和平行耦合线，其特征在于，还包括一个或多个开关、两个完全相同的叉指耦合阵列；所述输入馈线的输出端分别与平行耦合线的上、下两条微带线的一端相连，输出馈线的输入端与平行耦合线的中间一条微带线的一端相连；所述上下两条微带线的另一端分别与两个叉指耦合阵列相连；所述每个开关的一端与一个叉指耦合阵列的一块外部微带线的外侧相连，所述每个开关的另一端接地；所述对称性可控的输入/输出耦合结构的微带结构部分上下对称。本发明具有结构简单、易于实现等优点。

Description

一种对称性可控的输入/输出耦合结构

技术领域

本发明属于微波通讯设备技术领域，特别涉及一种对称性可控的输入/输出耦合结构的设计。

背景技术

美国联邦通信委员会（FCC）于2002年批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用。基于非常广阔的应用前景和相当巨大的市场价值，超宽带无线通信技术受到了学术界和工业界越来越多的广泛关注。超宽带无线通信技术具有以下几方面的优势：高的数据传输速率（可高达500Mb/s）；低的发射功率；低的截获概率和高的保密性。目前超宽带技术已在许多领域得到应用，例如定位、救援雷达、成像、短距离高速率通信系统和个人无线局域网络（WPANs）。作为超宽带系统前端的关键器件之一，超宽带滤波器性能的好坏直接影响了整个通信系统的质量。

近几年来，随着超宽带通信的发展，其与现有通信系统特别是无线局域网（5GHz）和卫星通信系统（8GHz）间的干扰问题越来越受到重视。因此设计具有带阻特性的超宽带滤波器成为国内外学术界、工业界的最新研究热点之一。在过去的研究中，许多方法被用来设计具有带阻特性的超宽带滤波器以抑制这些干扰信号。

图1为英国赫瑞瓦特大学的Hussein Shaman和Jia-Sheng Hong采用的非对称输入/输出耦合结构（详见H.Shaman and J.S.Hong，“Asymmetric parallel-coupled lines for notchimplementation in UWB filters”,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,VOL.17,NO.7，JULY2007.PP.516-518）。此非对称输入/输出耦合结构包括输入馈线11、输出馈线12和平行耦合线13，其平行耦合线的上下微带线13a和13b的电长度不等长。此结构可在超宽带中引入一个阻带以抑制不需要的干扰信号，阻带的相关特性（中心频率，带宽等）可由非对称输入输出耦合结构的相关参数决定（可参见上述文献）。这种非对称输入/输出耦合结构不但能在通带内产生一个阻带，还能增强谐振器与馈线间的耦合强度。但是这种方法引入的阻带的中心频率在滤波器设计完成后不能自由改变，引入的阻带也不能自由开关。而外界的干扰信号往往与环境密切相关，不同时间和不同地点的干扰信号的频率往往也不一样，在某些时候或某些地方也可能不存在干扰信号。因此，研制具有可控带阻特性的超宽带滤波器可以充分有效的利用超宽带频谱资源并提高超宽带系统的整体性能。

图2为现有典型的非对称输入/输出耦合结构在超宽带滤波器上应用示意图，该非对称耦合结构在超宽带滤波器的带内引入一个带阻特性。此典型的具有陷波特性的超宽带滤波器包括输入馈线21、输出馈线22、外部耦合线23和24、多模谐振器25。其中多模谐振器25不只限于此一种类型多模谐振器，也可用其他类型多模谐振器替换。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种对称性可控的输入/输出耦合结构，本发明结构简单，易于实现，输入/输出耦合结构的对称状态可由接地开关自由控制；采用本结构可以设计出具有开关或同时具有开关和可调带阻特性的超宽带滤波器。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案：

一种对称性可控的输入/输出耦合结构，包括输入馈线，输出馈线，平行耦合线，一块或多块外部微带线和一个或多个开关；平行耦合线的上、下两条微带线的端口与一块或多块外部微带线构成叉指耦合阵列结构，所述叉指耦合阵列结构是由平行耦合线的末端梳状分叉结构与一块或多块外部微带线的端口梳状分叉结构相互交叉形成，它们之间相互不接触；所述外部微带线通过开关接地，通过一个或多个开关控制一块或多块外部微带线接地和断开的两种状态或状态组合，改变输入/输出耦合结构的对称性；所述外部微带线接地和断开两种状态分别对应与该外部微带线相连的开关的导通和断开两种状态。耦合结构一侧的N块外部微带线的接地和断开状态的不同组合最多可以实现2的N次方种对称状态。

所述对称性可控的输入/输出耦合结构的微带结构部分是上下对称的。

所述对称性可控的输入/输出耦合结构可广泛应用于耦合型超宽带滤波器的设计中。

所述对称性可控的输入/输出耦合结构中的开关是实现导通和断开两种状态的开关。

本发明利用对称性可控的耦合结构在超宽带滤波器通带内引入了可控的带阻特性，以抑制不需要的干扰信号，可有效利用超宽带的频谱资源和提高超宽带系统的性能。

本发明的技术特点及优越性在于：

本发明通过在传统平行耦合线的外部两根微带线的末端加载两组相同的微带插指电容阵列结构，控制其中一侧插指电容阵列结构的接地状态，改变输入/输出耦合结构上下两端的加载电容值，进而改变输入/输出耦合结构的对称性。当上下两组微带插指电容阵列结构均未接地时，输入/输出耦合结构处于对称状态，通带内无阻带产生。而当一侧插指电容阵列结构处于某一接地状态时，输入/输出耦合结构处于非对称状态，通带内就会产生一个阻带。平行耦合线一侧的插指电容阵列结构的不同接地状态使输入/输出耦合结构处于不同的对称状态，进而可产生不同频率的阻带或不产生任何阻带，进而实现了具有带阻可控（开关和可调）特性的超宽带滤波器。

本发明结构简单，易于实现，输入/输出耦合结构的对称状态可由接地开关自由控制；

采用本结构可以设计出同时具有开关和可调带阻特性的超宽带滤波器；

本发明不仅可以用于制造具有可控带阻特性的超宽带高温超导滤波器，也适用于制造具有可控带阻特性的超宽带平面型普通金属微带滤波器。

附图说明

图1为现有典型的非对称输入/输出耦合结构示意图，其中平行耦合线的上下两条微带线的电长度不相等。

图2为现有典型的非对称输入/输出耦合结构在超宽带滤波器上应用示意图，该非对称耦合结构在超宽带滤波器的带内引入一个带阻特性。

图3a为本发明的对称性可控的输入/输出耦合结构示意图；

图3b为图3a中的一个叉指耦合阵列结构示意图。

图4为图3中对称性可控的输入/输出耦合结构在不同接地状态下的响应曲线。

图5为图3中的对称性可控的输入/输出耦合结构在超宽带滤波器上应用示意图。

图6为图5中的超宽带滤波器在不同接地状态下的响应曲线。

图7为本滤波器实施例经电磁场仿真软件Sonnet仿真得到的频率响应特征曲线。

具体实施方式

本发明提出的对称性可控的输入/输出耦合结构结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的一种对称性可控的输入/输出耦合结构如图3a所示，包括输入馈线31、输出馈线32和平行耦合线35，与已有技术的不同之处在于，还包括一个或多个开关34（图中以两个为例示出）、两个完全相同的叉指耦合阵列36a、36b，每个叉指耦合阵列由一块或多块端口带有梳状分叉结构的外部微带线构成（块的个数与开关的个数相对应，图中以两块外部微带线为例示出）；所述输入馈线31的输出端分别与平行耦合线35的上、下两条微带线的一端相连，输出馈线32的输入端与平行耦合线35的中间一条微带线的一端相连；所述上下两条微带线的另一端分别与两个叉指耦合阵列36a、36b相连；所述每个开关的一端与一个叉指耦合阵列的一块外部微带线的外侧相连，所述每个开关的另一端接地33；所述对称性可控的输入/输出耦合结构的微带结构部分上下对称。

本发明的结构通过一个或多个开关控制一块或多块外部微带线接地和断开的两种状态或状态组合，改变输入/输出耦合结构上下两端的加载电容，进而改变输入/输出耦合结构的对称性；所述外部微带线接地和断开两种状态分别对应与该外部微带线相连的开关的导通和断开两种状态。

本实施例的一个叉指耦合阵列如图3b所示，由一根微带线的外端口梳状分叉结构与两块外部微带线37、38的端口梳状分叉结构相互交叉形成，这两部分的梳状分叉构成两个叉指耦合结构39、310，各叉指之间相互不接触。每个叉指耦合结构的叉指数量及尺寸相同或不相同；本实施例中构成的叉指耦合结构39的叉指长度0.56mm，宽度0.04mm，叉指根数5根，叉指深度0.54mm，叉指间隙0.02mm；构成的叉指耦合结构310的叉指长度0.56mm，宽度0.04mm，叉指根数7根，叉指深度0.54mm，叉指间隙0.02mm。外部微带线37、38的接地块长0.4mm，宽0.3mm。所述耦合结构的一侧（36a）的外部微带线的外侧通过开关34接到地33，通过两个开关控制两块外部微带线的接地和断开两种状态或状态组合，改变输入/输出耦合结构上下两端的加载电容，进而改变输入/输出耦合结构的对称性；所述外部微带线接地和断开两种状态分别对应与该外部微带线相连的开关的导通和断开两种状态。

本实施例所述开关是机械式开关或电子式开关，或其他可以实现导通和断开两种状态的开关。

本实施例的对称性可控的输入/输出耦合结构在不同接地状态下的频率响应特性曲线如图4所示。该频率响应特性曲线是经电磁场仿真软件Sonnet仿真得到的。当此输入/输出耦合结构处于未接地状态（两个外部微带线均不接地）下的响应曲线为一超宽带带通曲线41，通带内无阻带产生。而当输入/输出耦合结构的一侧插指电容阵列结构36a处于某一接地状态时（外部微带线中一个或两个同时接地），输入/输出耦合结构就会处于非对称状态，通带内就会产生一个阻带。37接地开关“关闭”及38接地开关“断开”状态时，频率响应曲线42的阻带中心频率为5.18GHz；37接地开关“断开”及38接地开关“关闭”状态时，频率响应曲线43的阻带中心频率为5.04GHz；37接地开关与38接地开关均“关闭”状态时，频率响应曲线44的阻带中心频率为4.84GHz。平行耦合线一侧的插指电容阵列结构的不同接地状态使输入/输出耦合结构处于不同的对称状态，进而可产生不同频率的阻带（42、43和44）或不产生任何阻带（41），进而实现了具有带阻可控（开关和可调）特性的超宽带滤波器。依次原理，通过对微带插指电容阵列结构的修改，可以实现具有状态更多、调节范围更宽的具有带阻可控的超宽带滤波器。

采用本发明的基本滤波器结构实施例,如图5所示，由上层微带导体51、下层地平面导体53及中间介质52构成。上层微带导体51和下层地平面导体53均为钇钡铜氧（YBCO）超导薄膜，中间52是相对介电常数为9.7的MgO介质。上层微带导体51为滤波器结构，如图6所示，包括输入馈线61、输出馈线62、地63、开关64、外部微带线65/67、叉指耦合线66/68、平行耦合线69和多模谐振器610，其中,输入馈线61、输出馈线62与多模谐振器610间的耦合，采用本发明对称性可控的输入/输出耦合结构（如虚线方框所示）。

上述所说的滤波器中的多模谐振器采用U型阶跃阻抗谐振器，但并不局限于此类型谐振器，可用其它类型的多模谐振器替换。

上述所说的滤波器中的对称性可控的输入/输出耦合结构的微带部分是上下对称的。

该滤波器下侧的外部微带线通过开关64接到地63。通过四个开关控制四块外部接地块接地和断开的两种状态或状态组合，改变输入/输出耦合结构的对称性。该滤波器左、右采用的对称性可控的输入/输出耦合结构是完全相同的，它们的接地状态改变也是同步进行的。

上述滤波器实施例中的四个开关均采用电焊线的连接或断开实现外部微带线的接地和断开两种状态，也可采用其它类型的开关实现接地和断开两种状态。

图7为该滤波器实施例经电磁场仿真软件Sonnet仿真得到的频率响应特征曲线，接地开关全部“断开”状态时，此时输入/输出耦合结构是对称的，响应曲线为一超宽带带通曲线71，带内无陷波点；接地开关部分或全部处于“关闭”状态时，输入/输出耦合结构是非对称的，此时在超宽带带内引入了一个陷波点。67接地开关“关闭”及65接地开关“断开”状态时，频率响应曲线72的阻带中心频率为7.45GHz；67接地开关“断开”及65接地开关“关闭”状态时，频率响应曲线73的阻带中心频率为7.25GHz；67接地开关与65接地开关均“关闭”状态时，频率响应曲线74的阻带中心频率为7.15GHz。接地开关处于不同“关闭”状态时，输入/输出耦合结构的非对称状态也相应改变，产生的陷波点的中心频率也随之移动。

本发明的对称性可控的输入/输出耦合结构，应用于超宽带滤波器的设计，可以设计出同时具有开关和可调带阻特性的超宽带滤波器，实现了本发明的目的。

虽然在上述实施例的基础上对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。

Claims (5)

1.一种对称性可控的输入/输出耦合结构，包括输入馈线、输出馈线和平行耦合线，其特征在于，还包括一个或多个开关、两个完全相同的叉指耦合阵列；所述输入馈线的输出端分别与平行耦合线的上、下两条微带线的一端相连，输出馈线的输入端与平行耦合线的中间一条微带线的一端相连；所述上下两条微带线的另一端分别与两个叉指耦合阵列相连；所述每个开关的一端与一个叉指耦合阵列的一块外部微带线的外侧相连，所述每个开关的另一端接地。

2.如权利要求1所述的对称性可控的输入/输出耦合结构，其特征在于，一个叉指耦合阵列由平行耦合线中一条微带线的外端口梳状分叉结构与一块或多块外部微带线的端口梳状分叉结构相互交叉形成，它们之间相互不接触。

3.如权利要求2所述的对称性可控的输入/输出耦合结构，其特征在于，所述耦合结构的上、下微带结构是相同的，且是上下对称的。

4.如权利要求1所述的对称性可控的输入/输出耦合结构，其特征在于，所述开关是实现导通和断开两种状态的开关。

5.如权利要求4所述的对称性可控的输入/输出耦合结构，其特征在于，所述开关是机械式开关或电子式开关，或其他可以实现导通和断开两种状态的开关。

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