CN108879044A - 一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于无源微波固态电路领域，具体涉及一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构。该滤波器结构包括介质基板2、附着在所述介质基板上表面的金属箔层1，覆盖满所述介质基板下表面的金属接地层3；所述金属箔层1的正面为锥形和矩形构成的组合形状，该组合形状由微带传输线5、开路短截线6、基片集成波导上表面7、紧凑型微带谐振单元8、锥形微带渐变线9和互补开口谐振环10组成，所述金属箔层1通过贯穿整个介质基板的两排金属化通孔4与所述金属接地层3相连接。本发明将基片集成波导与CMRC单元的传输特性巧妙地结合起来，通过引入能够产生传输零点的互补开口谐振环和开路短截线最终实现宽阻带和高选择性超宽带带通滤波器的功能。

Description

一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构

技术领域

本发明属于无源微波固态电路领域，具体涉及一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构。

背景技术

微波滤波器作为一种选频器件在许多微波/射频应用中扮演着重要的角色，它的主要功能是进行信号的过滤与频率的选择，即使需要的信号在信道中进行有效传输，而使不需要的信号在信道中得到有效衰减或被抑制，以免造成对有用信号的干扰。当今新兴无线通信系统正持续对微波滤波器的性能、尺寸、重量和成本等要素提出着挑战和更苛刻的要求。与此同时，随着第五代移动通信和物联网技术的快速发展，超宽带无线通信技术因其传输速率高、功耗低、安全性好、抗干扰能力强等特点，正成为无线通信系统发展的方向。超宽带带通滤波器作为超宽带无线通信系统中必不可少的无源器件也正逐渐成为该领域研究的重点与难点。根据美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)的规定，超宽带滤波器是指相对带宽超过20％或绝对带宽大于500MHz的滤波器。微波滤波器的实现形式主要有集总元件型和传输线型，当频率较高时(大于2GHz)主要选用传输线型滤波器。常用的传输线型滤波器的基本结构有波导、同轴线、带状线和微带线等。同轴线型滤波器具有电磁屏蔽性能好、损耗低和尺寸小等优点，但工作频率较高(10GHz以上)时，由于物理尺寸太小导致加工困难。波导型滤波器具有损耗小、品质因数高和功率容量大等优点，但是由于其尺寸较大、加工费用高、难以集成，故不能在当今对电路尺寸和集成度有较高要求的移动通信系统中广泛使用。微带滤波器具有尺寸小、易加工、易与其它电路元件集成等优点，被广泛应用于微波固态电路中，但是它的功率容量较低、辐射损耗较大、品质因数较小，这些缺点又限制了它的应用场景。

基片集成波导(SIW)是近年来提出的一种新的平面波导结构，它继承了波导的低损耗、高品质因数、大功率容量等优点，同时也具有微带线的低剖面、尺寸小、易与其它平面电路集成等优点。将SIW技术应用到滤波器的设计中，可使微波滤波器的实现形式变得更加丰富，结构更加灵活，同时电路性能也得到大幅提升。为了满足工程应用上的需要，各种新型结构的SIW滤波器相继被提出，但是此类型的滤波器往往工作频率普遍较高，一般从5GHz左右起步，最高能达到F波段(90-140GHz)，很少有低频段的滤波器采用这种结构；同时已出现或已被报道过的采用SIW结构的滤波器工作带宽普遍较窄，相对带宽一般都达不到20％，甚至是15％。在现代移动通信系统中，对一款结构简单、尺寸较小、性能优异、易于集成的低频超宽带SIW带通滤波器有非常迫切的需求。目前，国内外还没有相关文献显示已有类似的发明创造填补了这项技术的空白。

基片集成波导(SIW)和普通矩形波导一样，仅仅具有高通特性，为了将SIW技术应用到微波带通滤波器的设计中，就不得不对其结构进行一定的改造与设计。比较常见的方法是，在基片集成波导(SIW)中引入一些连通上下表面的金属化通孔，通过合理地排列金属化通孔的位置以构成一些谐振腔，使其在需要的频率处发生谐振，以实现带通滤波器的功能。但是这类滤波器主要是利用谐振腔之间的耦合作用，带宽无法做的很宽,常被应用在窄带滤波器的设计之中。同时这类滤波器，由于耦合谐振效应，也会在一定程度上降低基片集成波导(SIW)的品质因数(Q值)，从而使得所构造滤波器的带内损耗增大。另外一种常见的方法是将由基片集成波导(SIW)构成的高通滤波器与一些具有低通特性的结构相互级联，以此来构造一个带通滤波器。但是这种形式的滤波器往往会增大整个结构的横向尺寸和带内插入损耗。

在2000年，香港城市大学的薛泉教授提出了一种紧凑型微带谐振单元(CompactMicrostrip Resonant Cell，缩写：CMRC)，它是一种著名的慢波结构，由在普通微带传输线上腐蚀一定的图形所构成。CMRC具有结构尺寸小、频率选择性高、插入损耗低等优点，同时它可以有效地降低整体电路的尺寸，在谐振频率处具有带隙特性，因此常被应用于各种微波固态电路的设计之中，来改善电路性能，减小结构尺寸。但是传统的CMRC结构所具有的电磁带隙宽度比较窄，无法在比较宽的频带内抑制由电路产生的一些高次谐波。

发明内容

针对现有基于基片集成波导(SIW)的带通滤波器工作频率高、带宽窄、性能差等问题，提出了一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构。这种新型滤波器是基于基片集成波导(SIW)开发而成，其结构简单、设计灵活、性能优异，可以被广泛应用于无线通信系统的各个领域之中。具体技术方案如下：

一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，包括介质基板2、附着在所述介质基板上表面的金属箔层1，覆盖满所述介质基板下表面的金属接地层3；所述金属箔层1的正面为锥形和矩形构成的组合形状，该组合形状由微带传输线5、开路短截线6、基片集成波导上表面7、紧凑型微带谐振单元8、锥形微带渐变线9和互补开口谐振环10组成，所述金属箔层1通过贯穿整个介质基板的两排金属化通孔4与所述金属接地层3相连接。

进一步地，所述紧凑型微带谐振单元8的数量为3个，分别设置在基片集成波导上表面7开设的3个正方形镂空区域中，所述紧凑型微带谐振单元由5条横微带线81,82,83,84,85和1条纵微带线86构成，其中该条纵微带线86分别与5条横微带线的中心垂直相交，其中5条横微带线的中间3条横微带线82,83,84分别与相邻正方形镂空区域中的对应横微带线连接。

进一步地，所述锥形微带渐变线9的数量为2个，分别设置在所述基片集成波导上表面7的短边两侧；所述微带传输线5连接在锥形微带渐变线9的锥顶位置，所述开路短截线6设置在锥形微带渐变线9两侧的锥腰位置。

进一步地，所述互补开口谐振环10为在锥形微带渐变线的表面挖两个同心且开口方向相反的空隙环而形成的结构。

进一步地，设超宽带带通滤波器结构中心为原点，介质基板的短边为x轴，长边为y轴，按照右手法则确定z轴，建立三维坐标系，所述超宽带带通滤波器结构分别关于x轴、y轴对称。

进一步地，所述金属箔层和金属接地层均为铜箔。

进一步地，所述介质基板的厚度为0.508mm，所述金属箔层和金属接地层的厚度均为0.035mm。

进一步地，所述基片集成波导上表面宽度为12.6mm，长度为27.1mm；连接介质基板上下表面的金属化通孔直径为0.5mm，金属化通孔的横向间距为0.9mm，纵向间距为11mm；

进一步地，所述基片集成波导上表面正方形镂空区域的边长为8.5mm，所述紧凑型微带谐振单元的纵微带线86线长为6.5mm，宽为0.5mm；5条横微带线中外侧的2条横微带线81,85的线长为7.1mm,线宽为0.5mm；5条横微带线中次外侧的2条横微带线82,84线宽为1mm，5条横微带线中的中间位置的横微带线83线宽为0.5mm；次外侧的2条横微带线82,84和中间位置的横微带线83贯穿整个基片集成波导上表面；所述微带传输线5的线长为3mm，线宽为1.1mm。

进一步地，所述互补开口谐振环10的内环101内圆直径为1.8mm，外圆直径为2.4mm；外环102内圆直径为2.8mm，外圆直径为3.2mm；两圆环的开口宽度都为0.5mm；所述圆环中心与同一侧的微带传输线最外端的距离为7.2mm。

采用本发明获取的有益效果：本发明中的超宽带带通滤波器结构性能优异，结构简单，该结构中所有部分都是相互独立的，由每个部分产生的谐振频率主要取决于它们自身的结构尺寸。本发明将SIW技术应用到低频率超宽带滤波器的设计之中，并充分利用了SIW的优势，且本发明滤波器结构具备很好的设计自由度，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整各参数大小来达到设计目的，所以很容易被推广到各领域的微波射频电路应用之中。

附图说明

图1是本发明中超宽带带通滤波器结构的剖面结构示意图；

图2是本发明中超宽带带通滤波器结构的平面结构示意图；

图3是本发明中超宽带带通滤波器结构的实物尺寸示意图；

图4是本发明中超宽带带通滤波器结构在横微带线81和85不同长度的条件下，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化的示意图；

图5是本发明中超宽带带通滤波器结构是否在输入与输出端的锥形渐变微带线上添加互补开口谐振环(CSRR)单元时，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化的示意图；

图6是本发明中超宽带带通滤波器结构利用HFSS电磁仿真软件仿真结果与利用矢量网络分析仪测量结果的对比示意图(主要对比的结果参量是传输系数S21和反射系数S11)；

图7是本发明中超宽带带通滤波器结构传输系数S21在通带内平坦度的测量结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，本发明提供了一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，包括介质基板2、附着在所述介质基板上表面的金属箔层1，覆盖满所述介质基板下表面的金属接地层3；所述金属箔层1的正面为锥形和矩形构成的组合形状，该组合形状由微带传输线5、开路短截线6、基片集成波导上表面7、紧凑型微带谐振单元8、锥形微带渐变线9和互补开口谐振环10组成，所述金属箔层1通过贯穿整个介质基板的两排金属化通孔4与所述金属接地层3相连接。

实施例中，所述介质基板由非导电材料制成，所述介质基板的厚度为0.508mm，所述金属箔层和金属接地层的厚度均为0.035mm。所述金属箔层1的正面为锥形和矩形构成的组合形状由一块完整的金属箔蚀刻而成；所述微带传输线5选用50Ω的标准微带线，金属箔层通过贯穿整个介质基板的金属化通孔连接金属接地层，与介质基板共同构成了本发明中的基本框架结构—基片集成波导。基片集成波导与现有技术中的结构相同，非导电材料可以有多种选择，在本发明中选用罗杰斯(Rogers)公司型号为RO4350B的板材，这种基板材料是由玻璃纤维增强的碳氢化合物/陶瓷基材(非PTFE)构成，它具有和普通环氧树脂/玻璃编织布(FR4)类似的加工工艺，在具备高频性能的同时保持着较低的生产成本。同时，由于其低介质损耗、低介电常数温度系数、高介电常数稳定度、热膨胀系数与铜相近等特性，RO4350B板材常应用在高性能、宽频带的微波电路设计之中。

所述基片集成波导上表面宽度为12.6mm，长度为27.1mm；连接介质基板上下表面的金属化通孔直径为0.5mm，金属化通孔的横向间距为0.9mm，纵向间距为11mm(横向间距为同一排通孔中相邻两个通孔之间的距离，纵向间距为两横排通孔之间的距离)。

如图2所示，设超宽带带通滤波器结构中心为原点，介质基板的短边为x轴，长边为y轴，按照右手法则确定z轴，建立三维坐标系，并设x轴方向为纵向，y轴方向为横向。所述基片集成波导上表面正方形镂空区域的边长为8.5mm，所述紧凑型微带谐振单元的纵微带线86线长为6.5mm，宽为0.5mm；5条横微带线中外侧的2条横微带线的线长为7.1mm,线宽为0.5mm；5条横微带线中次外侧的2条横微带线线宽为1mm，5条横微带线中的中间位置的横微带线线宽为0.5mm；次外侧的2条横微带线和中间位置的横微带线贯穿整个基片集成波导上表面；所述微带传输线5的线长为3mm，线宽为1.1mm，所述微带传输线的最外端作为信号的输入或输出端口。

所述锥形微带渐变线的作用是将微带线中传输的TEM模式的电磁波转换成能在基片集成波导中传输的电磁波模式，其一边与微带传输线相连，宽度为1.1mm；另一边与基片集成波导上表面相连，宽度为6mm；整个锥形微带渐变线y轴方向的长度为7.4mm(图3中L1)。

所述开路短截线被放在锥形微带渐变线的上、下两端，其线长为7.8mm，线宽为0.5mm，短截线的纵向中心距输入端口的距离为6.65mm(图3中L2)。

所述互补开口谐振环10的内环101内圆直径为1.8mm，外圆直径为2.4mm；外环102内圆直径为2.8mm，外圆直径为3.2mm；两圆环的开口宽度都为0.5mm；所述圆环中心距输入/输出端口的距离为7.2mm(图3中L3)。输入/输出端口是指的微带传输线的最外端，在实施例中用以与SMA接头相连接，由于本滤波器结构是关于其中心成轴对称，同时滤波器结构本身就是一个互易器件，每个端口既可以作输入口也可以做输出口，在一端作输入的同时，另一端就是输出端口。

本发明中超宽带带通滤波器结构主要是以基片集成波导(SIW)做基本的框架载体，将具有低通特性的CMRC单元镶嵌到基片集成波导(SIW)上表面镂空的正方形区域中，以此来构造一个带通滤波器，通过调整SIW和CMRC单元的结构尺寸来改变所设计带通滤波器的带宽和中心频率。在锥形微带渐变线上加载开路短截线和互补开口谐振环(CSRR)，来引入一些靠近通带边缘的传输零点，以提高带通滤波器的选择性，最终达到设计目标。

如图3所示，是本发明中超宽带带通滤波器结构的实物尺寸图，整个结构关于其几何中心轴对称，成品实际尺寸为宽12.6mm，长47.9mm，等效成相对波长是0.31λ_g×1.18λ_g，λ_g是在基片集成波导中传输的中心频率为4.67GHz电磁波的波导波长。

如图4所示，是本发明中超宽带带通滤波器在最外侧横微带线81，85取不同长度的条件下，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化示意图，图中给出了横微带线81,85线长均为4.5mm和横微带线81,85线长均为7.5mm两种情况下的S21变化示意图。通过改变横微带线81，85的长度，会在由SIW产生的更高次谐波频率点处生成传输零点，以和传输极点相互抵消达到抑制高次谐波，增大阻带宽度的目的。

如图5所示，是本发明中超宽带带通滤波器结构是否在输入与输出端的锥形渐变微带线上添加互补开口谐振环(CSRR)单元时，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化示意图，图中给出了没有互补开口谐振环单元(Without CSRRs)和添加互补开口谐振环单元(With CSRRs)两种情况。互补开口谐振环(CSRR)由于其负介电常数的性质，导致能量谱离散化，使得某些频段范围的微波信号无法传播。通过合理地调整互补开口谐振环(CSRR)的位置和尺寸参数，会在此滤波器的上边带附近产生一些传输零点，从而提高所发明滤波器的带外抑制和选择性。

如图6所示，是本发明中超宽带带通滤波器结构仿真与测试结果对比图。从测试结果可知，此滤波器的3dB带宽为3.02GHz(从3.16GHz到6.18GHz)，相对带宽为64.7％，带内回波损耗大于12.1dB，最小带内插入损耗为1.2dB。从图7所示的传输系数S21在通带内平坦度的测量结果可知，此滤波器的带内波动在0.2dB以内。获得的4个传输零点分别位于8.05GHz、10.53GHz、12.12GHz和12.7GHz，它们共同提高了此滤波器的选择性，同时使得它的带外抑制大于20dB的阻带宽度从6.78GHz延伸到了12.82GHz(大约是中心频率的2.75倍)，最重要的是测量结果曲线基本上与仿真结果曲线重合，二者具有非常好的一致性。

本发明所提出的超宽带带通滤波器结构中的所有部分都是相互独立的，每个单元的谐振频率都主要取决于它们自身的结构尺寸。将基片集成波导(SIW)与CMRC单元的特性结合起来。利用SIW构造一个高通滤波器，用3个CMRC单元实现一个低通滤波器的功能，并将其镶嵌到SIW上表面与之对应的3个正方形镂空区域中，通过合理地调整SIW与CMRC两个结构的外形尺寸，来控制由其构成滤波器的截止频率，进而实现一个超宽带带通滤波器的功能。为了提高此超宽带带通滤波器结构的选择性和增大它的阻带宽度，能够产生传输零点的互补开口谐振器(CSRR)和开路短截线结构被引入。

应当指出，本发明并不局限于以上特定实施例，本领域技术人员可以在权利要求的保护范围内根据此发明超宽带带通滤波器结构做出任何变形或改进，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：包括介质基板(2)、附着在所述介质基板上表面的金属箔层(1)，覆盖满所述介质基板下表面的金属接地层(3)；所述金属箔层(1)的正面为锥形和矩形构成的组合形状，该组合形状由微带传输线(5)、开路短截线(6)、基片集成波导上表面(7)、紧凑型微带谐振单元(8)、锥形微带渐变线(9)和互补开口谐振环(10)组成，所述金属箔层(1)通过贯穿整个介质基板的两排金属化通孔(4)与所述金属接地层(3)相连接。

2.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述紧凑型微带谐振单元(8)的数量为3个，分别设置在基片集成波导上表面(7)上开设的3个正方形镂空区域中，所述紧凑型微带谐振单元(8)由5条横微带线(81,82,83,84,85)和1条纵微带线(86)构成，其中该条纵微带线(86)分别与5条横微带线(81,82,83,84,85)的中心垂直相交，其中5条横微带线的中间3条横微带线(82,83,84)相连通贯穿整个基片集成波导上表面。

3.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述锥形微带渐变线(9)的数量为2个，分别设置在所述基片集成波导上表面(7)的短边两侧；所述微带传输线(5)连接在锥形微带渐变线(9)的锥顶位置，所述开路短截线(6)设置在锥形微带渐变线(9)两侧的锥腰位置。

4.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述互补开口谐振环(10)为在锥形微带渐变线(9)的表面挖两个同心且开口方向相反的空隙环而形成的结构。

5.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，设超宽带带通滤波器结构中心为原点，介质基板的短边为x轴，长边为y轴，按照右手法则确定z轴，建立三维坐标系，其特征在于：所述超宽带带通滤波器结构分别关于x轴、y轴对称。

6.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述金属箔层和金属接地层均为铜箔。

7.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述介质基板的厚度为0.508mm，所述金属箔层和金属接地层的厚度均为0.035mm。

8.如权利要求5所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述基片集成波导上表面宽度为12.6mm，长度为27.1mm；连接介质基板上下表面的金属化通孔直径为0.5mm，横向间距为0.9mm，纵向间距为11mm。

9.如权利要求5所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述基片集成波导上表面正方形镂空区域的边长为8.5mm，所述紧凑型微带谐振单元的纵微带线(86)线长为6.5mm，宽为0.5mm；5条横微带线中外侧的2条横微带线(81,85)的线长为7.1mm,线宽为0.5mm；5条横微带线中次外侧的2条横微带线(82,84)线宽为1mm，5条横微带线中的中间位置的横微带线(83)线宽为0.5mm；次外侧的2条横微带线(82,84)和中间位置的横微带线(83)贯穿整个基片集成波导上表面；所述微带传输线(5)的线长为3mm，线宽为1.1mm。

10.如权利要求1所述的一种具有宽阻带和高选择性的超宽带带通滤波器结构，其特征在于：所述互补开口谐振环的内环(101)内圆直径为1.8mm，内环外圆直径为2.4mm；外环(102)内圆直径为2.8mm，外环外圆直径为3.2mm；两圆环的开口宽度都为0.5mm；所述圆环中心与同一侧的微带传输线最外端的距离为7.2mm。