小型化超宽带滤波器.pdf

本发明公开了一种小型化超宽带滤波器，包括相邻设置的方环谐振器Ⅰ及方环谐振器Ⅱ，在方环谐振器Ⅰ内设置有短路枝节，短路枝节中设置有过孔；在两个方环谐振器两侧公共边分别连接有一条四分之一波长的高阻抗线，各个高阻抗线的结构尺寸相同，左右两边的高阻抗线均耦合有两条交指耦合馈线，各个交指耦合馈线的结构尺寸相同，每侧的高阻抗线及交指耦合馈线外端设置有一体的馈线端口；在地板上与两条交指耦合馈线对应设置有两个缺陷地板结构。本发明的超宽带滤波器，通过对上述的各个部位尺寸参数的选择，根据不同的通信场合和应用需要，实现灵活调整滤波器的通带带宽及高低频段带外零点，满足不同的通信环境应用需求。

1.  一种小型化超宽带滤波器，其特征在于：包括相邻设置的方环谐振器Ⅰ(15)及方环谐振器Ⅱ(16)，在方环谐振器Ⅰ(15)内设置有短路枝节(18)，短路枝节(18)中设置有过孔(17)；
在两个方环谐振器两侧公共边分别连接有一条四分之一波长的高阻抗线(20)，各个高阻抗线(20)的结构尺寸相同，左右两边的高阻抗线(20)均耦合有两条交指耦合馈线(19)，各个交指耦合馈线(19)的结构尺寸相同，每侧的高阻抗线(20)及交指耦合馈线(19)外端设置有一体的馈线端口；
在地板上与两条交指耦合馈线(19)对应设置有两个缺陷地板结构(22)。

2.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的两个方环谐振器的公共边的长度为3.6±0.2mm，方环谐振器Ⅰ(15)的另一条边的长度为3±0.2mm，方环谐振器Ⅱ(16)的另一条边的长度为1±0.2mm，方环谐振器宽度均为0.3±0.1mm。

3.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的短路枝节(18)的长度为2.6±0.2mm、宽度为0.3±0.1mm，短路枝节(18)的过孔(17)半径为0.25±0.1mm。

4.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的每个四分之一波长的高阻抗线(20)的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm。

5.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的每个交指耦合馈线(19)的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm。

6.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的每个馈线端口(21)长度为2.4±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm。

7.  根据权利要求1所述的小型化超宽带滤波器，其特征在于：所述的每个缺陷地板结构(22)的长度为8.2±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm。

小型化超宽带滤波器
技术领域
本发明属于微波微带滤波器技术领域，是通过微带线制作的工作在超宽带频段下的微波滤波器，具体涉及一种小型化超宽带滤波器。
背景技术
超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术是国际上新兴的一种无线通信技术。自2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)将3.1GHz～10.6GHz的频段批准用于商业通信以来，超宽带通信技术受到了越来越多的重视。随着超宽带无线通信技术的迅猛发展，对超宽带无线通信电子设备提出了更高的要求，高可靠性、小型化己经成为超宽带无线通信系统发展的必然趋势，这就要求电路在满足电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间。滤波器在超宽带无线通信系统中扮演着重要的角色，它起着选择信号的重要作用，是超宽带无线通信系统中必不可少的重要元件，它的工作性能好坏直接影响到超宽带无线通信系统的整体工作性能，它的尺寸大小也直接影响到超宽带无线通信系统的大小。
对于无线通信系统而言，滤波器在滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及在高性能的振荡、放大、倍频和混频电路中，起着重要作用。随着信息化进程的日益加快，人们对信息传输的速度与品质的不断追求，另一方面也不断追求更加方便人性化和高性能的终端设备不断升级，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器来进一步满足小体积、轻重量的系统要求。
虽然滤波器的发展历史悠久，但是对于超宽带滤波器的研究属于最近才兴起的新兴课题，尤其是从近几年开始，随着超宽带系统的商业化快速发展，使得超宽带滤波器己逐步进入市场化阶段。在欧美等国家，许多专家学者对于超宽带滤波器都有所研究，到目前为止，己经提出了很多的超宽带滤波器结构。由于微带线滤波器具有小尺寸，易于加工，便于集成的特点，而且还能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内应用，因此国外很多超宽带滤波器的研究报告都是以平面微带结构为基础的。新加坡的朱雷教授于2005年提出一种共面波导传输原理的微带耦合线结构，利用共面波导结构上的多模谐振器构造了一个超宽带滤波器。2010年，中国学者邓宏伟提出了一种超宽带滤波器，通过一个五模的枝节加载谐振器构造了一款超宽带滤波器。2011年，W.J.Feng学者提出了一种利用横向信号交互概念的超宽带滤波器。2013年，中国的陈辉提出了一种耦合线三模谐振器结构，通过将这款耦合线结构一端直接连接，另一端短路接地构造出超宽带滤波器。
但是，上述的这些超宽带滤波器都存在有共同的不足，就是阻带带宽过窄，频率选择性不好，并且尺寸也相对较大，因此，小型化超宽带滤波器的设计还有很大的研究空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化超宽带滤波器，解决了现有技术在实现超宽带滤波器时阻带带宽过窄，电路尺寸较大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种小型化超宽带滤波器，包括相邻设置的方环谐振器Ⅰ及方环谐振器Ⅱ，在方环谐振器Ⅰ内设置有短路枝节，短路枝节中设置有过孔；
在两个方环谐振器两侧公共边分别连接有一条四分之一波长的高阻抗 线，各个高阻抗线的结构尺寸相同，左右两边的高阻抗线均耦合有两条交指耦合馈线，各个交指耦合馈线的结构尺寸相同，每侧的高阻抗线及交指耦合馈线外端设置有一体的馈线端口；
在地板上与两条交指耦合馈线对应设置有两个缺陷地板结构。
本发明的小型化超宽带滤波器，其特征还在于：
两个方环谐振器的公共边的长度为3.6±0.2mm，方环谐振器Ⅰ的另一条边的长度为3±0.2mm，方环谐振器Ⅱ的另一条边的长度为1±0.2mm，方环谐振器宽度均为0.3±0.1mm。
短路枝节的长度为2.6±0.2mm、宽度为0.3±0.1mm，短路枝节的过孔半径为0.25±0.1mm。
每个四分之一波长的高阻抗线的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm。
每个交指耦合馈线的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm。
每个馈线端口长度为2.4±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm。
每个缺陷地板结构的长度为8.2±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm。
本发明的有益效果是，实现的超宽带滤波器通带频段可覆盖2.5-11.1GHz，相对带宽达到126％，尺寸仅为0.58λ_g×0.12λ_g，其中λ_g为通带中心频率的介质波长，该滤波器可以工作在民用超宽带频段中，通频段覆盖范围达到2.5-11.1GHz，通过两个方环谐振器构成的多模谐振器可以将其多个谐振频率均匀调整在超宽带频段中，构成超宽频段，地板上与馈线结构对应的两个缺陷地结构可以增加馈线的容性耦合因子，增强馈线耦合度，展宽带宽，同时通过调整两个方环谐振器的尺寸，可以在通带两边各产生一个传输零点，大大增强了滤波器的频率选择性。滤波器结构更加紧凑，调节方便灵活，能有效地滤除各种超宽带频带外的无用信号及噪声信号，保证超宽 带系统的正常工作，在应用的通信系统中，发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明小型化超宽带滤波器的正面结构示意图；
图2是本发明小型化超宽带滤波器实施例的安装结构示意图；
图3是本发明小型化超宽带滤波器的频率响应特性曲线。
图中，1.超宽带天线，2.放大器一，3.放大器二，4.超宽带滤波器一，5.下变频电路，6.超宽带滤波器二，7.放大器三，8.参考晶振，9.频率合成器，10.AGC模块，11.A/D转换，12.微处理器，13.相关通道，14.存储器，15.方环谐振器Ⅰ，16.方环谐振器Ⅱ，17.过孔，18.短路枝节，19.交指耦合馈线，20.高阻抗线，21.馈线端口，22.缺陷地板结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
参照图1，本发明的小型化超宽带滤波器(以下简称超宽带滤波器)，包括紧密相邻设置的方环谐振器Ⅰ15及方环谐振器Ⅱ16，在方环谐振器Ⅰ15内设置有短路枝节18，短路枝节18中设置有过孔17，在两个方环谐振器两侧公共边分别连接有一条四分之一波长的高阻抗线20，总共两条高阻抗线20，各个高阻抗线20的结构尺寸相同，左右两边的高阻抗线20均耦合有两条交指耦合馈线19，总共四条交指耦合馈线19，各个交指耦合馈线19的结构尺寸相同，每侧的高阻抗线20及交指耦合馈线19外端设置有一体的馈线端口；
在图1中空白部分表示电路板上层的覆铜结构，灰色部分为电路板下层覆铜去掉的部分的结构，称为缺陷地板结构22，交指耦合馈线19设置在电路板的上层，在电路板的下层设置有缺陷地板结构22，中间为普通介质基板。 这样设置可增强馈线耦合强度，展宽带宽，通过调整两个方环谐振器的尺寸，可以在通带两边各产生一个传输零点，大大增强了滤波器的频率选择性。
该滤波器结构紧凑，调节方便灵活，能有效地滤除各种超宽带频带外的无用信号及噪声信号，保证超宽带系统的正常工作，在应用的通信系统中，发挥重要作用
超宽带滤波器各部件的尺寸参数范围是：
两个方环谐振器的公共边的长度为3.6±0.2mm，方环谐振器Ⅰ15的另一条边的长度为3±0.2mm，方环谐振器Ⅱ16的另一条边的长度为1±0.2mm，两个方环谐振器每条边的宽度均为0.3±0.1mm；
短路枝节18的长度为2.6±0.2mm、宽度为0.3±0.1mm，短路枝节18的过孔17半径为0.25±0.1mm；
每个四分之一波长的高阻抗线20的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm；
每个交指耦合馈线19的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm；
每个馈线端口21长度为2.4±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm；
每个缺陷地板结构22的长度为8.2±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm。
本发明超宽带滤波器在实际应用时，通过对上述的各个部位尺寸参数的选择，根据不同的通信场合和应用需要，实现灵活调整滤波器的通带带宽及高低频段带外零点，满足不同的通信环境应用需求。
实施例
参照图2，本发明小型化超宽带滤波器应用于超宽带通信系统接收机中，接收机的主体结构是，包括超宽带天线1，超宽带天线1依次通过(超宽带低噪声)放大器一2、放大器二3、超宽带滤波器一4、下变频电路5、超宽 带滤波器二6、放大器三7、A/D转换11与相关通道13连接；另外，参考晶振8通过频率合成器9接入下变频电路5的另一输入端，放大器三7设置有AGC模块10；相关通道13还与微处理器12和存储器14同时互相连接，微处理器12和存储器14互相信号连接。
上述的超宽带天线1和(超宽带低噪声)放大器一2一起构成天线单元；
上述的放大器二3、超宽带滤波器一4、下变频电路5、超宽带滤波器二6、放大器三7、参考晶振8、频率合成器9和AGC模块10一起构成下变频电路单元；
上述的A/D转换11、微处理器12、相关通道13和存储器14一起构成基带信号处理单元。
超宽带滤波器一4和超宽带滤波器二6的结构一致，均采用本申请的上述的结构。
放大器一2，可选用如Herotek公司的腔体LNA模块AF00118253A，放大器二3和放大器三7可以选用与放大器一2同样的型号。
下变频电路5，选用Ettus research公司的RFX1200子板。
基带信号处理单元选用Ettus research公司的通用软件无线电平台USRP1。
上述的这些电路模块或单元都是系统电路，根据不同的应用需求，还可以选用其他相关的具体型号进行组合设计。
本实施例中的两个超宽带滤波器的具体参数是：两个方环谐振器的公共边的长度为3.6±0.2mm，方环谐振器Ⅰ15的另一条边的长度为3±0.2mm，方环谐振器Ⅱ16的另一条边的长度为1±0.2mm，宽度均为0.3±0.1mm；短路枝节18的长度为2.6±0.2mm、宽度为0.3±0.1mm；短路枝节18的过孔17半径 为0.25±0.1mm；两条四分之一波长高阻抗线20的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm；四条交指耦合馈线19的长度为8±0.2mm，宽度为0.3±0.1mm；两个馈线端口21长度为2.4±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm；两个缺陷地板结构22的长度为8.2±0.2mm，宽度为2.2±0.2mm，超宽带滤波器通频带覆盖范围为2.5-11.1GHz，输入输出信号通过同轴输入线与馈线相连。
在系统工作时，首先超宽带天线1接收微弱的电信号，经由放大器一2放大信号功率到需求水平后送入超宽带滤波器一4，滤除卫星信号的干扰频率后进入下变频电路5，降低各通信频道间的信号干扰，同时，参考晶振8(TCXO)的信号也通过频率合成器9进入下变频电路5；再根据不同的应用需要选择下变频电路5将超宽带信号下变频到中频频率，再次经过超宽带滤波器二6后经过放大器三7的自循环回路最后送入后级的基带信号处理单元，基带信号处理单元完成基带信号的处理工作。
参照图3，是本发明小型化超宽带滤波器上述的实施例的频率响应特性曲线，通带频率从2.5GHz到11.1GHz，相对带宽达到126％，通带内差损为0.8dB，回波损耗小于-11dB，说明滤波器的通频带达到超宽带系统的要求，最终滤波器电路尺寸仅为0.58λ_g×0.12λ_g，其中λ_g为通带中心频率的介质波长，电路尺寸大大减小，实现了超宽带滤波器高性能、小型化的应用需求。