一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器

摘要

本发明提供一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器，该超宽带滤波器由第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、中间层介质基板和设置在中间层介质基板上的上层微带结构和底层金属地板组成；上层微带结构包括第一馈电网络、多枝节加载多模谐振器和第二馈电网络。该超宽带滤波器的多枝节加载多模谐振器在超宽带频带范围内具有五个谐振模式，并且在通带上、下各产生一个传输零点，极大的提高通带选择性；另外，产生的零点及其倍频零点抑制该多模谐振器的高次谐振模式，极大的拓宽了通带的上阻带抑制效果。本发明的超宽带滤波器具有好的通带特性、高的通带选择性以及超高的阻带抑制效果，非常适合于高标准通信的超宽带无线通信系统。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信中的射频滤波器技术领域，更具体地说，涉及一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器。

背景技术

随着通信技术的迅速发展，人们对无线通信的要求不仅仅在于简单的语音交流，而是追求高清视频等大数据量和高保密性的无线通信系统。超宽带(UWB)无线通信技术以其系统结构简单、成本低、功耗小、传输速率高、保密性好等特点成为目前无线通信领域的一个研究热点。超宽带无线通信技术最初形式为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的脉冲无线电技术，主要用于雷达和低截获/低侦查率的无线系统。随着微电子器件技术的发展，UWB技术开始应用于民用领域，在国际上引起了对其研究、开发和应用的热潮，并被认为是下一代无线通信的革命性技术。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB技术在短距离无线通信领域的应用，开放了3.1GHz到10.6GHz这一频段作为商用。UWB技术具有广阔的应用前景，例如高速无线个域网、无线以太接口链路、智能无线局域网等众多领域有着广泛的应用。作为UWB通信系统中的关键器件之一，超宽带滤波器得到广泛研究。

超宽带滤波器目前主要设计方法包括：1、基于短路枝节加载传输线结构。此类通带带宽可以通过短路枝节加载数目控制，所设计的超宽带滤波器尺寸大，通带选择性差，阻带抑制差，插损也随枝节数目增多而增大。2、级联高通、低通(带通、带阻)滤波器实现超宽带。此类超宽带滤波器同样尺寸比较大，不利于超宽带系统的小型化应用。3、多模谐振器设计超宽带滤波器。2005年阶梯阻抗谐振器被首次应用在超宽带滤波器设计中，其后，为了改善其通带选择性、带外抑制等，枝节加载多模谐振器、微带/共面波导多模结构被相继的应用在超宽带滤波器设计中。但是，如何设计具有好的通带特性、高选择性和高的阻带抑制特性的超宽带滤波器依然是目前超宽带滤波器设计的研究热点。

超宽带滤波器的实现在一些专利中已经提到一些方法，如专利号为201020585865.6的基于阶梯阻抗谐振器加载的超宽带滤波器，该专利是一种利用阶梯阻抗谐振器设计的超宽带滤波器。该阶梯阻抗谐振器为一半波长谐振器中间位置加载阶梯阻抗开路枝节，通过阶梯阻抗开路枝节可以在超宽带通带的上下侧各产生一个传输零点，极大的提高了通带的选择性。但是，该多模谐振器在通带内只有三个谐振模式，通带内的传输特性需要进一步改善；所设计的超宽带滤波器的上阻带抑制带宽也很窄，这也是需要改善的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器，本发明通过采用新型多枝节加载多模谐振器，设计具有好的通带特性、高的通带选择性和超高的阻带抑制效果特性的超宽带滤波器，该超宽带滤波器特别适合于应用在短距离无线通信中的超宽带通信系统中。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种具有高选择性和超高阻带抑制效果的超宽带滤波器，其特征在于：由第一输入/输出端口、第二输入/输出端口、中间层介质基板、设置在中间层介质基板上表面的上层微带结构和设置在中间层介质基板底面的底层金属地板组成；所述上层微带结构包括第一馈电网络、多枝节加载多模谐振器和第二馈电网络；所述第一馈电网络由均匀传输线三、均匀传输线四和均匀传输线五组成，所述均匀传输线三的一端与第一输入/输出端口相连，另一端与均匀传输线四和均匀传输线五相连，均匀传输线四平行于均匀传输线五；第二馈电网络由均匀传输线六、均匀传输线七和均匀传输线八组成，所述均匀传输线六的一端与第二输入/输出端口相连，另一端与均匀传输线七和均匀传输线八相连，均匀传输线七平行于均匀传输线八；所述多枝节加载多模谐振器由均匀传输线九、均匀传输线十、均匀传输线十一、均匀传输线十二、均匀传输线十三、非均匀传输线十四和非均匀传输线十五组成，所述非均匀传输线十四和非均匀传输线十五设置在均匀传输线九的中间位置并分别位于均匀传输线九的两侧；非均匀传输线十四和非均匀传输线十五均由两段不等宽的均匀传输线依次叠加组合而成，且均通过较窄的一段均匀传输线与均匀传输线九连接；所述均匀传输线十、均匀传输线十一、均匀传输线十二和均匀传输线十三为四段相同的均匀传输线并对称地加载在均匀传输线九上，其中均匀传输线十和均匀传输线十一位于非均匀传输线十四和非均匀传输线十五的一侧，均匀传输线十二和均匀传输线十三位于非均匀传输线十四和非均匀传输线十五的另一侧；所述均匀传输线九的一端插入第一馈电网络的均匀传输线四和均匀传输线五之间，另一端插入第二馈电网络的均匀传输线七和均匀传输线八之间；

上述方案中，非均匀传输线十四可以在超宽带通带的上、下两侧各产生一个传输零点，极大的提高滤波器的通带选择性；另一方面，上述零点的倍频零点以及由加载的非均匀传输线十五与均匀传输线十或均匀传输线十一或均匀传输线十二或均匀传输线十三产生的传输零点，位于超宽带通带的上阻带，这些传输零点拓展了阻带带宽，取得了超高的阻带抑制效果。

更具体地说，所述第一输入/输出端口与第二输入/输出端口处于同一水平线上，且关于中间轴线对称，所述中间轴线位于均匀传输线九中间点位置并垂直于均匀传输线九。

所述的多枝节加载多模谐振器为五模谐振器。该谐振器在超宽带频段内(3.1GHz-10.6GHz)有五个谐振模式，保证了所设计的超宽带滤波器具有好的通带特性。

所述底层金属地板包括第一缺陷地单元十六、第二缺陷地单元十七和金属单元十八；所述第一缺陷地单元和第二缺陷地单元是在金属单元上刻蚀形成的空气单元。

所述第一缺陷地单元设置在由均匀传输线四、均匀传输线五和均匀传输线九组成的平行三线正下方；所述第二缺陷地单元设置在由均匀传输线七、均匀传输线八和均匀传输线九组成的平行三线正下方。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明采用多枝节加载多模谐振器，在超宽带频段内具有五个谐振模式，使其通带特性更好。

2、本发明的多枝节加载多模谐振器的中间为非对称的阶梯阻抗枝节加载，其中一个阶梯阻抗枝节可以在通带的上、下侧各产生一个传输零点，极大的提高了通带的选择性能。

3、本发明由各个加载枝节产生的传输零点及其倍频零点位于通带上阻带，这些传输零点抑制了多模谐振器的高次模式，得到了超高的阻带抑制效果。

4、本发明中的超宽带滤波器采用平面电路结构，适合于与超宽带系统中其他器件集成，另外，电路整体尺寸小，结构紧凑，空间利用率高。

附图说明

图1是本发明超宽带滤波器的结构示意图；

图2是本发明超宽带滤波器的上层微带结构示意图；

图3是本发明超宽带滤波器的底层金属地结构示意图；

图4是本发明超宽带滤波器在频段0-16GHz的频率响应曲线示意图；

图5是本发明超宽带滤波器在频段0-39GHz的频率响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本发明的超宽带滤波器的结构示意图如图1所示，该超宽带滤波器具有好的通带特性、高的通带选择性以及超高的阻带抑制效果，该超宽带滤波器由第一输入/输出端口1、第二输入/输出端口2、上层微带结构、中间层介质基板和底层金属地板组成，其中上层微带结构和底层金属地板分别附着在中间层介质基板上、下面。

如图2所示，上层微带结构包括第一馈电网络、多枝节加载多模谐振器、第二馈电网络。其中第一馈电网络由均匀传输线三3、均匀传输线四4和均匀传输线五5组成，其中均匀传输线三3的一端与第一输入/输出端口1相连，其另一端分别与均匀传输线四4和均匀传输线五5相连。第二馈电网络由均匀传输线六6、均匀传输线七7和均匀传输线八8组成，其中均匀传输线六6的一端与第二输入/输出端口2相连，其另一端分别与均匀传输线七7和均匀传输线八8相连。多枝节加载多模谐振器由均匀传输线九9、均匀传输线十10、均匀传输线十一11、均匀传输线十二12、均匀传输线十三13、非均匀传输线十四14和非均匀传输线十五15组成，其中非均匀传输线十四14和非均匀传输线十五15处于均匀传输线九9的中间位置，且分别由两段不等宽的均匀传输线组合而成，均通过较窄的一段均匀传输线与均匀传输线九9连接，并分别位于均匀传输线九9的上下两侧；均匀传输线十10、均匀传输线十一11、均匀传输线十二12和均匀传输线十三13为四段相同的均匀传输线并对称地加载在均匀传输线九9上，其中，均匀传输线十10和均匀传输线十一11位于非均匀传输线十四14和非均匀传输线十五15的一侧，均匀传输线十二12和均匀传输线十三13位于非均匀传输线十四14和非均匀传输线十五15的另一侧。第一输入/输出端口1与第二输入/输出端口2处于同一水平线上，且关于中间层介质基板的中间轴线对称，中间轴线垂直于均匀传输线九9。第一馈电网络和第二馈电网络关于中间层介质基板的中间轴线对称，中间轴线垂直于均匀传输线九9。均匀传输线九9的一端插入第一馈电网络的均匀传输线四4和均匀传输线五5之间，另一端插入第二馈电网络的均匀传输线七7和均匀传输线八8之间。

本发明超宽带滤波器的底层金属地结构示意图如图3所示，底层金属地板包括第一缺陷地单元16、第二缺陷地单元17和金属单元18；其中，第一缺陷地单元16、第二缺陷地单元17均是在金属单元18上刻蚀去除相应的结构形状，形成空气单元。如图1所示，第一缺陷地单元16位于由均匀传输线四4、均匀传输线五5和均匀传输线九9组成的平行三线正下方；第二缺陷地单元17位于由均匀传输线七7、均匀传输线八8和均匀传输线九9组成的平行三线正下方。

在本实施例中，中层介质基板的介电常数为2.55，厚度为0.8mm。在该超宽带滤波器中，均匀传输线九9的线宽设为0.5mm，长度为模式频率4.61GHz下的半个导波波长，即22.2mm。多枝节加载多模谐振器的均匀传输线十10、均匀传输线十一11、均匀传输线十二12和均匀传输线十三13可以控制该多模谐振器的模式分布，其线宽均设为1.0mm，长度均设为2.65mm。非均匀传输线十四14可以在通带上侧和下侧各产生一个传输零点，极大的提高了超宽带通带的选择性能，并且其倍频零点位于通带上阻带内，也拓展了该超宽带滤波器的阻带带宽，非均匀传输线十四14的低阻线线宽为1.1mm，线长为8.9mm，其高阻线部分线宽为4.78mm，线宽为4.23mm。位于均匀传输线九9的下侧的非均匀传输线15可以在通带上阻带产生传输零点，提高阻带抑制效果，其低阻线线宽为0.28mm，线长为0.33mm，高阻线部分线宽为1.4mm，线长为1.8mm。

滤波器的频率响应特性包括传输特性即|S21|幅度响应，反射特性即|S11|幅度响应，另外，对于超宽带滤波器还要求通带内具有平坦的时延特性。图4本发明超宽带滤波器在频段0-16GHz的频率响应曲线示意图，其3-dB带宽包含了从3.1GHz到11.1GHz的频率范围，具有超宽带带通特性，其中3.1GHz到10.6GHz频带内的插损小于1.0dB。在通带的上侧2.8GHz和下侧11.5GHz处各有一个传输零点，具有很好的通带选择性。

图5是本发明超宽带滤波器在频段0-39GHz的频率响应曲线示意图。该滤波器的-20dB阻带带宽被拓展到29.7GHz，具有非常高的阻带抑制效果。同时，该滤波器的通带时延特性良好。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。