基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶(uwb)濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型貼片超寬帶濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即一種基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶(UWB)濾波器，屬于微波通信領(lǐng)域。該濾波器包括：一個新型折疊枝節(jié)加載多模諧振器，其結(jié)構(gòu)是在均勻阻抗線上離中心位置較近的兩邊分別加載一個開路階梯阻抗線，再在中心加載一個折疊階梯阻抗枝節(jié)，該新型諧振器能產(chǎn)生一對傳輸零點(diǎn)，使濾波器具有良好的選擇性；一對信號輸入、輸出端口，位于新型折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，采用交指耦合的方式與諧振器相連。本發(fā)明提供了一種新型貼片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)緊湊，性能良好，優(yōu)于絕大多數(shù)其他外形的超寬帶濾波器。
【專利說明】基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶(UWB)濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及到微波通信領(lǐng)域，用于超寬帶【技術(shù)領(lǐng)域】的超寬帶(UWB)濾波器。
【背景技術(shù)】:
[0002]超寬帶技術(shù)在手機(jī)通信、衛(wèi)星遙感遙測、短距離高速無線通信及保密通信等許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。上世紀(jì)70年代美國軍方就提了 “超寬帶”的概念，其被定義為相對帶寬大于25%的信號。2002年4月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)了 UWB技術(shù)的商業(yè)許可，規(guī)定在低于-41.3dBm/MHz的條件下，可以將3.1GHz到10.6GHz的頻段用作軍事和民用的超寬帶通信系統(tǒng)中，在軍事上主要作為電子對抗，超寬帶雷達(dá)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以及礦井探測等領(lǐng)域，在民用通信中，則主要用于近距離高速通信，寬帶通信和個人業(yè)務(wù)等方面。
[0003]與無線通信技術(shù)相比較，UffB有著如下的優(yōu)點(diǎn):傳輸速率高、平均發(fā)射功率低、多徑分辨率高、便于攜帶、空間容量大及隱蔽性好等。由于UWB通信技術(shù)具有很優(yōu)異的特點(diǎn)，所以決定了其應(yīng)用將非常的廣泛。
[0004]超寬帶濾波器位于超寬帶系統(tǒng)的射頻前端，它既可用來限定大功率發(fā)射機(jī)在規(guī)定的頻帶內(nèi)輻射 ，反過來又可用來防止接收機(jī)受到工作頻帶以外的干擾，因此，超寬帶微波濾波器是超寬帶系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵無源部件，它性能的好壞對于系統(tǒng)的整體性能有著重大的影響。
[0005]小型化、低插入損耗和高帶外抑制是超寬帶帶通濾波器設(shè)計所關(guān)注的重點(diǎn)。目前主流的超寬帶濾波器采用多模諧振器來設(shè)計，基于多模諧振器結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器，其尺寸小，過渡帶窄，插入損耗小，通帶效果好，能很好的滿足要求。
[0006]文獻(xiàn)[I]提出中心加載T型開路枝節(jié)，在中心位置附近的兩邊分別加載開路階梯阻抗線，具有陡峭群邊沿和寬阻帶的寬帶濾波器。本發(fā)明對其進(jìn)行改進(jìn)，并引入文獻(xiàn)[2]中的折疊枝節(jié)，通過仿真優(yōu)化，設(shè)計出一款性能良好的超寬帶濾波器。因此本發(fā)明是采用多模諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種性能良好的超寬帶濾波器。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]本發(fā)明的主要目的是，提供一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貼片型超寬帶濾波器。
[0008]本發(fā)明提出一種新型超寬帶濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于對于實(shí)際情況，很難或無法用麥克斯韋方程從理論上來證明，而只能采用數(shù)值方法來證明。學(xué)術(shù)和工程上常采用的方法是利用商用的高頻電磁仿真軟件進(jìn)行電磁仿真來證明、優(yōu)化。
[0009]我們采用HFSS13.0對提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)制成樣品，對樣品進(jìn)行測試，用實(shí)驗(yàn)的方法來證實(shí)該濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明一種折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)的新型超寬帶(UWB)濾波器采用介電常數(shù)ε ^2.65，介質(zhì)厚度h=lmm的材質(zhì)進(jìn)行仿真優(yōu)化。整個濾波器的面積大約為
29.4mmX 12mm,各參數(shù)尺寸大小(單位 /mm)為:a=5, b=2.8,11=Ie.4,12=0.8,13=0.7,14=2.9,W0=0.2，W1=0.8，w=0.2，d=7.6，Ci1=0.5，a^l，a2=l，a3=5.9。
[0011]濾波器的各尺寸具體如下:
[0012] 1.一對對稱的輸入輸出端口，饋線長度a為5mm，寬b為2.8mm ;
[0013]2.一個對稱的多模諧振器的結(jié)構(gòu)，其中與輸入、輸出端口進(jìn)行耦合的均勻阻抗線的長度I1為18.4mm,寬度w為0.2mm,離諧振器中心距離I2為0.8mm的兩邊的階梯阻抗開路枝節(jié)的高阻抗線長度13，寬度w為0.2mm,低阻抗線長度I4為2.9mm,寬度W1為0.8mm,中心加載的折疊枝節(jié)由長a3為5.9mm,寬w為0.2mm的枝節(jié)和以長a1、a2均為1mm,寬w為0.2mm的折疊枝節(jié)構(gòu)成；
[0014]3.輸入、輸出端口與折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)之間采用了交指耦合方式，它們之間的間距W。為0.2mm,端口饋線和均勻阻抗線的間(I1為0.5mm,與饋線相連的稱合線的長度d為7.6mm,寬度w為0.2mm。
[0015]在本發(fā)明的具體實(shí)施例子中，所述多模諧振器結(jié)構(gòu)和饋線材質(zhì)均為銅箔。
[0016]2005年，Zhu L.等人提出了基于多模諧振器的超寬帶濾波器的設(shè)計方法。由于這種基于多模諧振器的設(shè)計方法，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單而且通帶特性良好，引起了很多學(xué)者對基于多模諧振器的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量擴(kuò)展性的研究。
[0017]從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，已經(jīng)提出了基于枝節(jié)線加載的三模、四模、五模等改進(jìn)型諧振器結(jié)構(gòu)運(yùn)用于超寬帶濾波的設(shè)計，階梯阻抗枝節(jié)線的結(jié)構(gòu)有方形、扇形等，諧振器的結(jié)構(gòu)有方形、圓形、六邊形、環(huán)形等
[0018]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:本發(fā)明在寬帶濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并引入折疊枝節(jié)，從而設(shè)計出一種性能良好的超寬帶濾波器。本發(fā)明提供了一種新型超寬帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在均勻阻抗線上離中心位置0.8mm處的兩邊分別加載一個開路階梯阻抗線，中心加載一個折疊階梯阻抗枝節(jié)；由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶濾波器的整體性能較好:仿真結(jié)果表明該濾波器的中心頻率為6.85Hz，通帶為
2.9-10.7GHz，實(shí)現(xiàn)了相對帶寬114% ;在通帶內(nèi)插入損耗小于ldB，回波損耗優(yōu)于-10dB，下阻帶邊緣陸峭，帶外阻帶從ll-16GHz衰減大于20dB。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0019]圖1新型超寬帶(UWB)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I指的是信號的輸入輸出端口饋線，2指的是折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)，主要是在均勻阻抗諧振器上離中心位置較近的兩邊分別加載一個開路階梯阻抗線，再在中心加載一個折疊階梯阻抗枝節(jié)，3所指的是輸入、輸出饋線與諧振器結(jié)構(gòu)之間采用的交指耦合；
[0020]圖2新型超寬帶(UWB)濾波器物理結(jié)構(gòu)圖，其中a是指輸入、輸出端口饋線的長度，b是指饋線的寬度，I1是指諧振器的均勻阻抗線長度，I2是指諧振器中心位置附近的階梯阻抗線離中心的距離，I3是指階梯阻抗高阻抗線的長度，I4是指階梯阻抗低阻抗線的長度，W是指耦合線寬度、均勻阻抗線寬度、階梯阻抗高阻抗線的寬度以及中心加載折疊枝節(jié)的枝節(jié)寬度，W0是指耦合線與均勻阻抗線的間距，W1是指階梯阻抗低阻抗線的寬度，d是指與饋線相連的耦合線的長度，Cl1是指諧振器均勻阻抗線與端口饋線的間距，B1^a2是指折疊枝節(jié)的長度，a3是指中心加載枝節(jié)的長度；
[0021]圖3新型超寬帶(UWB)濾波器仿真的S曲線；[0022]圖4新型超寬帶(UWB)濾波器在弱耦合(d=0.5mm)下，I4變化時的諧振模式分布；
[0023]圖5新型超寬帶(UWB)濾波器在弱耦合(d=0.5mm)下，變化時的諧振模式分布；
[0024]圖6新型超寬帶(UWB)濾波器在弱耦合(d=0.5mm)下，a2變化時的諧振模式分布；
[0025]圖7新型超寬帶(UWB)濾波器在弱耦合(d=0.5mm)下，a3變化時的諧振模式分布；
【具體實(shí)施方式】:
[0026]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]該濾波器包括:1.一對對稱的輸入輸出50 Ω饋線；2.—個對稱的多模諧振器結(jié)構(gòu)，諧振器的均勻阻抗線上距中心0.8mm處兩邊分別加載一個階梯阻抗開路枝節(jié)，中心處加載一個對稱的折疊枝節(jié)；3.輸入輸出端口饋線與折疊枝節(jié)加載多模諧振器之間采用了交指耦合方式。
[0028]文獻(xiàn)[1]提出中心加載T型開路枝節(jié)，在中心位置附近的兩邊分別加載開路階梯阻抗線，具有陡峭群邊沿和寬阻帶的寬帶濾波器。文獻(xiàn)[2]中提出的折疊多模諧振器結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)雙通帶帶通濾波器，該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，帶外抑制良好。本發(fā)明對其進(jìn)行改進(jìn)，通過對階梯阻抗的阻抗比、折疊枝節(jié)的阻抗比以及它們電長度比(它們由a1、a2、a3和I4控制)的調(diào)節(jié)，使濾波器的諧振頻率重新分布，從而達(dá)到超寬帶的要求，并進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計出一款性能良好的超寬帶濾波器 。
[0029]圖2為發(fā)明的一種基于折疊枝節(jié)加載多模諧振的超寬帶濾波器物理結(jié)構(gòu)圖。
[0030]從圖4可以看到在超寬帶頻段內(nèi)，該多模諧振器有四個諧振模式，其中U、fo2為奇模諧振頻率，fel>fe2為偶模諧振頻率。當(dāng)其他變量不變時，增加I4的長度，諧振頻率&2、fe2向低頻段移動，且偏移較大，諧振頻率4變化較小，奇模諧振頻率L基本保持不變。可以看出中心附近處的階梯阻抗線對奇模和偶模都會產(chǎn)生影響。所以可以通過調(diào)節(jié)I4的長度來控制諧振頻率f;2、fe2的位置。
[0031]圖5、圖6、圖7為折疊枝節(jié)各參數(shù)對諧振模式的影響。圖5、圖6中可以看出，改變折疊枝節(jié)的線長和間距，偶模fel、fe2也隨之而變化，而奇模f^、fo2基本保持不變。中心加載的開路折疊枝節(jié)對奇模諧振沒有影響。從圖5中可以看出當(dāng)折疊枝節(jié)的間距從0.5mm增加到1.5mm時，fel, fe2都向低頻段移動，其中fel的變化很大，fe2變化相對較小。從圖6中可以看出a2的變化時，fel,fe2的變化較小。圖7是加載枝節(jié)的長度變化時的諧振模式分布圖，可以看出a3變化對fel有很大的影響，而對fe2的影響較小。從圖5、圖6、圖7中還可以看出加載折疊枝節(jié)在2.5GHzUIGHz處各產(chǎn)生一個傳輸零點(diǎn)，兩個零點(diǎn)會隨著折疊枝節(jié)的各參數(shù)&1、a2、a3變化而變化，這有利于控制濾波器通帶的選擇性。
[0032]綜上所述，首先可以確定奇模諧振頻率L的位置，然后調(diào)節(jié)I4的長度可以改變諧振頻率U和fe2的位置，調(diào)節(jié)％、a2、a3的長度可以在不改變奇模諧振位置的情況下，改變偶模諧振頻率fel和fe2的位置。所以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)&1、&2、&3和I4的長度，可以使其四個模式均勻分布在超寬帶(3.1-10.6GHz)的頻帶范圍內(nèi)，最后通過加強(qiáng)耦合(d=7.6mm)形成一個平坦的通帶。
[0033]本發(fā)明是一種基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)的新型超寬帶(UWB)濾波器，其主要創(chuàng)新點(diǎn)是將寬帶濾波器改進(jìn)成超寬帶濾波器，并引入折疊枝節(jié)，設(shè)計出一款性能良好的超寬帶濾波器。
[0034]以上顯示和描述的是本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
[0035]參考文獻(xiàn)
[0036][I]張學(xué)順，趙永久.多模微帶濾波器的研究與設(shè)計[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2011.[0037][2]K, -ff, Hsu, C，-H, Chien, and, W, -H, Tu.Compact dual-wideband bandpassfilter using asymmetrical resonator[J].The Institution of Engineering andTechnology, 2013, 36(3):1-2.
【權(quán)利要求】
1.一種基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶(UWB)濾波器，采用介電常數(shù)ε =2.65,介質(zhì)厚度h=l_的微帶基片進(jìn)行仿真和加工，所述濾波器有一對對稱的輸入和輸出信號端口，端口寬為2.8mm,饋線長度為5mm,與折疊枝節(jié)加載多模諧振器稱合的稱合線長度為7.6mm,寬度為0.2mm ;所述折疊枝節(jié)加載多模諧振器采用對稱結(jié)構(gòu)，且信號輸入端口和信號輸出端口分別在多模諧振器的兩側(cè)，諧振器與端口之間采用交指耦合方式；耦合線與諧振器之間的間距為0.2mm，端口與諧振器之間的間距為0.5mm ;所述折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)和饋線材質(zhì)均為銅箔； 所述濾波器特征在于:所述濾波器有一個對稱的折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是在均勻阻抗線上離中心位置0.8_處的兩邊分別加載一個開路階梯阻抗線，其中與輸入、輸出端口進(jìn)行稱合的均勻阻抗線的長度為18.4mm,寬度為0.2mm,開路階梯阻抗線的長分別為2.9mm、0.7mm,寬分別為0.8mm、0.2mm ;中心加載的開路折疊枝節(jié)由長為5.9mm,寬為0.2mm的枝節(jié)和長1mm，寬0.2mm的折疊枝節(jié)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中心加載折疊枝節(jié)多模諧振器結(jié)構(gòu)的新型超寬帶(UWB)濾波器，其特征在于: 通過公式
【文檔編號】H01P1/203GK103956544SQ201410078662
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】曹暉暉, 張友俊 申請人:上海海事大學(xué)