CN111769347B - 基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器 - Google Patents
基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，旨在保证较高共模抑制度的前提下，提高带通滤波器的带外抑制性，包括上表面印制有两个矩形微带线和两个U型微带线，下表面印制有金属地板的介质基板，金属地板上蚀刻有两条第一阶梯阻抗缝隙线和两条第二阶梯阻抗缝隙线，所述第二阶梯阻抗缝隙线由矩形低阻抗缝隙线和两个线形高阻抗缝隙线拼接而成，其中一条线形高阻抗缝隙线的开放端连接有L型均匀阻抗缝隙线；金属地板上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器，该多模缝隙线谐振器包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，纵向线形枝节由T型阶梯阻抗枝节和与该T型阶梯阻抗枝节的纵向臂拼接的直线型均匀阻抗枝节组成。
Description
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域，涉及一种差分超宽带带通滤波器，具体涉及一种基于多模缝隙线谐振器的宽阻带差分超宽带带通滤波器，可应用于射频微波通信系统。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，带通滤波器作为一种关键的频率选择器件，起着越来越重要的作用，其性能好坏往往直接影响到整个通信系统的优劣。其中，具有小尺寸、频带宽、性能稳定等优点的超宽带(Ultra-wideband，UWB)滤波器被广泛应用。近年来，超宽带滤波器的设计方法被不断提出，多模谐振器法成为最广泛应用的方法。多模谐振器利用其产生的高次谐振模式，可通过调节谐振模式的频率范围来实现超宽带特性。基于传统微带技术的超宽带多模滤波器具有低插入损耗、高回波损耗等优点，但存在阻带较窄、带外选择性较差以及尺寸较大的缺点，无法满足超宽带滤波器高性能的要求，所以研究具有良好带外抑制特性的超宽带滤波器具有重大的意义。另一方面，现代无线系统面临着日益复杂的电磁环境，这使得人们对滤波器的抗干扰能力提出了更高的要求。差分电路因其出色的抗共模(CM)干扰能力，提高系统动态范围而被广泛采用。将差分结构引入超宽带滤波器中，既实现了系统的小型化，还实现了良好的抗干扰性能。微带 -缝隙线(MS)过渡结构，因其固有的抗CM干扰能力和独立的差模(DM)响应，被广泛用于差分无源器件中。为了提升差分超宽带带通滤波器的性能，包括带内陷波、带外抑制、带外选择性、共模抑制度等，差分超宽带带通滤波器的研究受到了国内外众多学者越来越多的关注。
例如，2018年Jin Shi等学者在ELECTRONICS LETTERS期刊(VOL.54,NO.1,NOVEMBER 2018)上发表的“Compact wideband-balanced bandpass filter with high-selectivity and wideband CM suppression”论文中，提出了一种结构紧凑的差分超宽带带通滤波器，该发明在介质基板上表面印制有关于中心纵向轴线镜像对称的两条半波长微带传输线和关于中心纵向轴线镜像对称的两条半波长耦合线，在两条半波长耦合线上方印制有一个加载有阶梯阻抗枝节的半波长微带线谐振器，且该半波长微带线谐振器的对称轴与介质基板上表面中心纵向轴线重合。该发明通过两条半波长传输线，实现了传输线上信号相位的反转，使得差模信号相互叠加，共模信号相互抵消，但由于半波长传输线的相位反转具有窄带特性，所实现的共模抑制性能较差；通过加载有阶梯阻抗枝节的半波长微带线谐振器，实现了超宽带滤波性能，但由于微带线谐振器难以抑制高次谐波，通带外阻带较窄，所实现的带外抑制性能较差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，旨在保证较高共模抑制度的前提下，提高带通滤波器的带外抑制性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括介质基板1；
所述介质基板1的上表面印制有开口相背的两个U型微带线2，该两个U型微带线关于分布在介质基板1上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称，在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3 的长边与X轴平行；
所述介质基板1的下表面印制有金属地板4，该金属地板4上蚀刻有关于Y轴投影镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线5和关于Y轴投影镜像对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线6；所述第一阶梯阻抗缝隙线5由矩形缝隙和线形缝隙拼接而成，所述第二阶梯阻抗缝隙线6由矩形低阻抗缝隙线和两个平行的线形高阻抗缝隙线拼接而成，线形缝隙与矩形低阻抗缝隙线相连，且第一阶梯阻抗缝隙线5位于U型微带线2的投影位置，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制，两个平行的线形高阻抗缝隙线位于矩形微带线3的投影位置，用以加大耦合强度；所述第二阶梯阻抗缝隙线6中一条线形高阻抗缝隙线的开放端连接有L型均匀阻抗缝隙线7，用于实现陷波特性；所述金属地板4上Y 轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器8，该多模缝隙线谐振器8包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，所述纵向线形枝节由T型阶梯阻抗枝节和与该T型阶梯阻抗枝节的纵向臂拼接的直线型均匀阻抗枝节组成，且T型阶梯阻抗枝节与L型均匀阻抗缝隙线7位于X轴投影的同侧。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述平面直角坐标系XOY，其原点位于介质基板1的中心法线上。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述U型微带线2的两个微带臂关于平面直角坐标系XOY的X轴镜像对称，微带臂的线宽为50Ω阻抗线宽。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述两个矩形微带线3短边中点的连线，与平面直角坐标系XOY的X轴重合。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述第一阶梯阻抗缝隙线5 的对称轴，以及第二阶梯阻抗缝隙线6的对称轴，与平面直角坐标系XOY的X轴的投影重合；所述第一阶梯阻抗缝隙线5中的线形缝隙与第二阶梯阻抗缝隙线6中的矩形低阻抗缝隙线的连接点，位于U型微带线2微带底靠近Y轴的边线的投影位置，且线形缝隙的长度与U型微带线2微带底的宽度相等。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述T型阶梯阻抗枝节，其对称轴与平面直角坐标系XOY的Y轴的投影重合。
上述基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，所述第一阶梯阻抗缝隙线5，其中的矩形缝隙的长边为与Y轴投影垂直的边，所述T型阶梯阻抗枝节，其中的横向臂的长边为与X轴投影平行的边。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明在金属地板上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器，该多模缝隙线谐振器包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，通过改变均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节的长度与宽度，能够直接控制谐振中心频率并有效抑制高次谐波，加宽了通带外阻带的范围，多模缝隙线谐振器拥有更加灵活可控的谐振模式，与现有技术相比，有效提高了带通滤波器的带外抑制性能。
2.本发明在介质基板下表面的金属地板上蚀刻了两个第二阶梯阻抗缝隙线，其与位于介质基板上表面的矩形微带线共同构成容性三线交指耦合结构，共同与多模缝隙线谐振器之间通过三线交指耦合传输能量，增强了输入和输出之间的耦合，降低了滤波器的插入损耗；通过引入多条传输路径，该耦合方式可在差模通带两侧产生两个传输零点，调节第二阶梯阻抗缝隙线与多模缝隙线谐振器之间的缝隙耦合，可以改变传输零点的位置，显著提升了差分超宽带带通滤波器的设计灵活性和带外选择性。
3.本发明在第二阶梯阻抗缝隙线中一条线形高阻抗缝隙线的开放端加载有L型均匀阻抗缝隙线，利用不对称的耦合结构实现了带内的陷波特性，通过改变L型均匀阻抗缝隙线的长度可调整陷波的中心频率，该结构尺寸小，结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明介质基板上下表面各结构的相互关系图；
图3为本发明介质基板上表面各结构位置尺寸图；
图4为本发明介质基板下表面各结构位置尺寸图；
图5为本发明的差模回波损耗和差模插入损耗的S参数实测图；
图6为本发明的共模回波损耗和共模插入损耗的S参数实测图。
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，所述介质基板1采用相对介电常数为2.2，大小为46.2mm×26.0mm，厚度为0.8mm的矩形F4BM-2材料。
参照图2，所述介质基板1的上表面印制有开口相背的两个U型微带线2，该两个 U型微带线关于分布在介质基板1上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称，在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，且矩形微带线3的长边与X轴平行，两个矩形微带线3短边中点的连线，与平面直角坐标系 XOY的X轴重合；所述平面直角坐标系XOY，其原点位于介质基板1的中心法线上。
参照图2，所述介质基板1的下表面印制有金属地板4，该金属地板4上蚀刻有关于Y轴投影镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线5和关于Y轴投影镜像对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线6；所述第一阶梯阻抗缝隙线5由矩形缝隙和线形缝隙拼接而成，所述第二阶梯阻抗缝隙线6由矩形低阻抗缝隙线和两个平行的线形高阻抗缝隙线拼接而成，线形缝隙与矩形低阻抗缝隙线相连，且第一阶梯阻抗缝隙线5位于U型微带线2的投影位置，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制，两个平行的线形高阻抗缝隙线位于矩形微带线3的投影位置，用以加大耦合强度；所述第二阶梯阻抗缝隙线6中一条线形高阻抗缝隙线的开放端连接有L型均匀阻抗缝隙线7，用于实现陷波特性；所述金属地板4上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器8，该多模缝隙线谐振器8包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，所述纵向线形枝节由T型阶梯阻抗枝节和与该T型阶梯阻抗枝节的纵向臂拼接的直线型均匀阻抗枝节组成，且T型阶梯阻抗枝节与L型均匀阻抗缝隙线7位于X轴投影的同侧。
参照图3，所述介质基板1的上表面印制有开口相背的两个U型微带线2，用于同时输入或输出差模信号与共模信号，所述U型微带线2由一条平行于Y轴的微带底和两条平行于X轴的微带臂组成，保证信号沿直线传输，且微带底和两条微带臂的宽度相同，均为50Ω阻抗线宽，以保证馈电端口匹配良好。U型微带线2的微带底的长度 L1＝14.0mm，宽度W1＝2.4mm，两条微带臂的长度L2＝10.0mm，线宽W2＝2.4mm，两条微带臂与所在一侧的介质板边界的距离d＝6.0mm。
参照图3，在两个U型微带线2的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线3，其与介质基板1下表面蚀刻的第二阶梯阻抗缝隙线6共同构成容性交指耦合结构，共同与多模缝隙线谐振器8之间通过三线交指耦合传输能量，矩形微带线3在金属地板4上的投影与第二阶梯阻抗缝隙线6的中部位置重合，用以增强输入和输出之间的耦合，降低了滤波器的插入损耗。两个矩形微带线3的尺寸为6.5mm×2.5mm，矩形微带线3与所在一侧的U型微带线2之间的间距g1＝2.7mm，两个矩形微带线3间的间距g2＝3.0mm。
参照图4，所述介质基板1的下表面印制有金属地板4，该金属地板4上蚀刻有关于Y轴投影镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线5。所述第一阶梯阻抗缝隙线5由矩形缝隙和线形缝隙拼接而成，其与介质基板1上表面印制的U型微带线2共同组成信号从微带线到缝隙线的转换结构，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制。所述第一阶梯阻抗缝隙线5中线形缝隙的长度与U型微带线2微带底的宽度相等，以保证信号良好过渡。第一阶梯阻抗缝隙线5的矩形缝隙长度L3＝6.0mm，宽度为5.0mm，直线缝隙横向长度为2.4mm，线宽为0.2mm。
参照图4，金属地板4上蚀刻有关于Y轴投影镜像对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线6，其与介质基板1上表面印制的两个矩形微带线3构成容性交指耦合结构，共同与多模缝隙线谐振器8之间通过三线交指耦合传输能量，用以增强输入和输出之间的耦合。所述第二阶梯阻抗缝隙线6由矩形低阻抗缝隙线和两个平行的线形高阻抗缝隙线拼接而成，其中一条线形高阻抗缝隙线的开放端连接有L型均匀阻抗缝隙线7，用于实现陷波特性。所述第一阶梯阻抗缝隙线5的对称轴，以及第二阶梯阻抗缝隙线6的对称轴，与平面直角坐标系XOY的X轴的投影重合。第二阶梯阻抗缝隙线6的矩形低阻抗缝隙线长度L4＝1.0mm，宽度为0.7mm，线形高阻抗缝隙线长度L5＝9.0mm，宽度为0.15mm。 L型均匀阻抗缝隙线7的总长度L6＝3.8mm，宽度为0.2mm，两个L型均匀阻抗缝隙线7间的间距g4＝1.4mm。
参照图4，所述金属地板4上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器8，该多模缝隙线谐振器8包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，所述纵向线形枝节由T型阶梯阻抗枝节和与该T型阶梯阻抗枝节的纵向臂拼接的直线型均匀阻抗枝节组成，且T 型阶梯阻抗枝节与L型均匀阻抗缝隙线7位于X轴投影的同侧。所述T型阶梯阻抗枝节，其对称轴与平面直角坐标系XOY的Y轴的投影重合，且其中的横向臂的长边为与 X轴投影平行的边。所述多模缝隙线谐振器8用以形成一个超宽带的差模通带，通过改变均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节的长度与宽度，可以调节多模缝隙线谐振器8 的谐振模式，并减小谐振器尺寸。所述多模缝隙线谐振器8的外侧加设有第二阶梯阻抗缝隙线6，且多模缝隙线谐振器8中的均匀阻抗半波长缝隙线外侧型面插入第二阶梯阻抗缝隙线6中两个平行的线形高阻抗缝隙线的凹槽内，形成三线交指耦合，该耦合方式可在差模通带两侧产生两个传输零点，提升了滤波器的带外选择性。所述多模缝隙线谐振器8中均匀阻抗半波长缝隙线横向长度为19mm，宽度为0.15mm。T型阶梯阻抗枝节中横向臂的尺寸为6mm×3mm，T型阶梯阻抗枝节的纵向臂长度为9mm，宽度为0.15mm；直线型均匀阻抗枝节纵向长度为6.5mm，宽度为0.2mm。所述多模缝隙线谐振器8中均匀阻抗半波长缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6三线交指耦合的间距g5＝0.13mm，均匀阻抗半波长缝隙线与第二阶梯阻抗缝隙线6中矩形低阻抗缝隙线的间距g3＝0.2mm，通过改变三线交指耦合的间距可以调整零点位置。
本发明的工作原理是：信号由一侧的U型微带线的两个微带臂输入时，其中的微带差模信号激励起下方第一阶梯阻抗缝隙线的电场，而微带共模信号无法激起第一阶梯阻抗缝隙线的电场，这样只有差模信号得以通过第一阶梯阻抗缝隙线并传输至第二阶梯阻抗缝隙线，共模信号得到抑制，第二阶梯阻抗缝隙线上传输的差模信号再通过三线交指耦合将信号传输至多模缝隙线谐振器，增强了输入输出耦合，从而在通带附近形成两个传输零点，用于提高滤波器的选择性；多模缝隙线谐振器的多模特性用于在紧耦合条件下形成一个差分超宽带通带，其中特定频率的差模信号在L型均匀阻抗缝隙线的作用下形成陷波；最后信号由另一侧的U型微带线的两个微带臂输出，实现超宽带的滤波特性。
下面结合实测结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
测量实验内容：
使用矢量网络分析仪N5230A对本发明中的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器进行了测量实验一和二，实验一测试了该差分超宽带带通滤波器的差模回波损耗
和差模插入损耗
实验结果见图5；实验二测试了该差分超宽带带通滤波器的共模回波损耗
和共模插入损耗
实验结果见图6。
测量实验结果与分析：
图5为本发明基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器的差模回波损耗
和差模插入损耗
的S参数实测图，本实施例中超宽带滤波器通带的频带范围为3.54～7.96dB，相对带宽为76.9％；通带内中心频率为5.63GHz处形成陷波，3dB带宽为5.49～5.77GHz；通带内最大差模回波损耗
为30.7dB，最小差模插入损耗为1.68dB；在通带两侧存在两个传输零点，分别位于2.96GHz、9.71GHz处，显著提高了带外选择性；从图5可以看到，本实施例中滤波器的带外抑制性能优良，在9.05～20GHz范围内带外抑制大于15dB。
图6为本发明基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器的共模回波损耗
和共模插入损耗
的S参数实测图，本实施例中的共模回波损耗
在工作频段范围内小于等于0.6dB，共模插入损耗
大于等于33.5dB，从图6可以看出，该差分超宽带带通滤波器实现了显著的共模抑制。
Claims (7)
1.一种基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，包括介质基板(1)；
所述介质基板(1)的上表面印制有开口相背的两个U型微带线(2)，该两个U型微带线关于分布在介质基板(1)上表面上的平面直角坐标系XOY的Y轴镜像对称，在两个U型微带线(2)的微带底之间印制有关于Y轴镜像对称的两个矩形微带线(3)，且矩形微带线(3)的长边与X轴平行；
所述介质基板(1)的下表面印制有金属地板(4)，该金属地板(4)上蚀刻有关于Y轴投影镜像对称的两个第一阶梯阻抗缝隙线(5)和关于Y轴投影镜像对称的两个第二阶梯阻抗缝隙线(6)；所述第一阶梯阻抗缝隙线(5)由矩形缝隙和线形缝隙拼接而成，所述第二阶梯阻抗缝隙线(6)由矩形低阻抗缝隙线和两个平行的线形高阻抗缝隙线拼接而成，线形缝隙与矩形低阻抗缝隙线相连，且第一阶梯阻抗缝隙线(5)位于U型微带线(2)的投影位置，用于传输差模信号和实现固有的共模信号抑制，两个平行的线形高阻抗缝隙线位于矩形微带线(3)的投影位置，用以加大耦合强度；所述第二阶梯阻抗缝隙线(6)中一条线形高阻抗缝隙线的开放端连接有L型均匀阻抗缝隙线(7)，用于实现陷波特性；所述金属地板(4)上Y轴投影的位置蚀刻有多模缝隙线谐振器(8)，该多模缝隙线谐振器(8)包括均匀阻抗半波长缝隙线和纵向线形枝节，所述纵向线形枝节由T型阶梯阻抗枝节和与该T型阶梯阻抗枝节的纵向臂拼接的直线型均匀阻抗枝节组成，且T型阶梯阻抗枝节与L型均匀阻抗缝隙线(7)位于X轴投影的同侧；所述多模缝隙线谐振器(8)的外侧加设有第二阶梯阻抗缝隙线(6)，且多模缝隙线谐振器(8)中的均匀阻抗半波长缝隙线外侧型面插入第二阶梯阻抗缝隙线(6)中两个平行的线形高阻抗缝隙线的凹槽内，形成三线交指耦合。
2.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述平面直角坐标系XOY，其原点位于介质基板(1)的中心法线上。
3.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述U型微带线(2)的两个微带臂关于平面直角坐标系XOY的X轴镜像对称，微带臂的线宽为50Ω阻抗线宽。
4.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述两个矩形微带线(3)短边中点的连线，与平面直角坐标系XOY的X轴重合。
5.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗缝隙线(5)的对称轴，以及第二阶梯阻抗缝隙线(6)的对称轴，与平面直角坐标系XOY的X轴的投影重合；所述第一阶梯阻抗缝隙线(5)中的线形缝隙与第二阶梯阻抗缝隙线(6)中的矩形低阻抗缝隙线的连接点，位于U型微带线(2)微带底靠近Y轴的边线的投影位置，且线形缝隙的长度与U型微带线(2)微带底的宽度相等。
6.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述T型阶梯阻抗枝节，其对称轴与平面直角坐标系XOY的Y轴的投影重合。
7.根据权利要求1所述的基于多模缝隙线谐振器的差分超宽带带通滤波器，其特征在于，所述第一阶梯阻抗缝隙线(5)，其中的矩形缝隙的长边为与Y轴投影垂直的边，所述T型阶梯阻抗枝节，其中的横向臂的长边为与X轴投影平行的边。
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2020
- 2020-07-31 CN CN202010755172.5A patent/CN111769347B/zh active Active
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