基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(uwb)滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型贴片超宽带滤波器的拓扑结构,即一种基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(UWB)滤波器，属于微波通信领域。该滤波器包括：一个新型折叠枝节加载多模谐振器，其结构是在均匀阻抗线上离中心位置较近的两边分别加载一个开路阶梯阻抗线，再在中心加载一个折叠阶梯阻抗枝节，该新型谐振器能产生一对传输零点，使滤波器具有良好的选择性；一对信号输入、输出端口，位于新型折叠枝节加载多模谐振器结构的两侧，采用交指耦合的方式与谐振器相连。本发明提供了一种新型贴片的拓扑结构，该结构紧凑，性能良好，优于绝大多数其他外形的超宽带滤波器。
【专利说明】基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(UWB)滤波器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及到微波通信领域，用于超宽带【技术领域】的超宽带(UWB)滤波器。
【背景技术】:
[0002]超宽带技术在手机通信、卫星遥感遥测、短距离高速无线通信及保密通信等许多领域都有着广阔的应用前景。上世纪70年代美国军方就提了 “超宽带”的概念，其被定义为相对带宽大于25%的信号。2002年4月美国联邦通信委员会(FCC)批准了 UWB技术的商业许可，规定在低于-41.3dBm/MHz的条件下，可以将3.1GHz到10.6GHz的频段用作军事和民用的超宽带通信系统中，在军事上主要作为电子对抗，超宽带雷达，卫星通信系统，以及矿井探测等领域，在民用通信中，则主要用于近距离高速通信，宽带通信和个人业务等方面。
[0003]与无线通信技术相比较，UffB有着如下的优点:传输速率高、平均发射功率低、多径分辨率高、便于携带、空间容量大及隐蔽性好等。由于UWB通信技术具有很优异的特点，所以决定了其应用将非常的广泛。
[0004]超宽带滤波器位于超宽带系统的射频前端，它既可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射 ，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰，因此，超宽带微波滤波器是超宽带系统中的一个关键无源部件，它性能的好坏对于系统的整体性能有着重大的影响。
[0005]小型化、低插入损耗和高带外抑制是超宽带带通滤波器设计所关注的重点。目前主流的超宽带滤波器采用多模谐振器来设计，基于多模谐振器结构的超宽带滤波器，其尺寸小，过渡带窄，插入损耗小，通带效果好，能很好的满足要求。
[0006]文献[I]提出中心加载T型开路枝节，在中心位置附近的两边分别加载开路阶梯阻抗线，具有陡峭群边沿和宽阻带的宽带滤波器。本发明对其进行改进，并引入文献[2]中的折叠枝节，通过仿真优化，设计出一款性能良好的超宽带滤波器。因此本发明是采用多模谐振器结构设计的一种性能良好的超宽带滤波器。
【发明内容】
:
[0007]本发明的主要目的是，提供一种新型拓扑结构的贴片型超宽带滤波器。
[0008]本发明提出一种新型超宽带滤波器的拓扑结构。由于对于实际情况，很难或无法用麦克斯韦方程从理论上来证明，而只能采用数值方法来证明。学术和工程上常采用的方法是利用商用的高频电磁仿真软件进行电磁仿真来证明、优化。
[0009]我们采用HFSS13.0对提出的拓扑结构进行优化，将优化的结构制成样品，对样品进行测试，用实验的方法来证实该滤波器的拓扑结构。
[0010]本发明一种折叠枝节加载多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器采用介电常数ε ^2.65，介质厚度h=lmm的材质进行仿真优化。整个滤波器的面积大约为
29.4mmX 12mm,各参数尺寸大小(单位 /mm)为: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]滤波器的各尺寸具体如下:
[0012] 1.一对对称的输入输出端口，馈线长度a为5mm，宽b为2.8mm ;
[0013]2.一个对称的多模谐振器的结构，其中与输入、输出端口进行耦合的均匀阻抗线的长度I1为18.4mm,宽度w为0.2mm,离谐振器中心距离I2为0.8mm的两边的阶梯阻抗开路枝节的高阻抗线长度13，宽度w为0.2mm,低阻抗线长度I4为2.9mm,宽度W1为0.8mm,中心加载的折叠枝节由长a3为5.9mm,宽w为0.2mm的枝节和以长a1、a2均为1mm,宽w为0.2mm的折叠枝节构成；
[0014]3.输入、输出端口与折叠枝节加载多模谐振器结构之间采用了交指耦合方式，它们之间的间距W。为0.2mm,端口馈线和均匀阻抗线的间(I1为0.5mm,与馈线相连的稱合线的长度d为7.6mm,宽度w为0.2mm。
[0015]在本发明的具体实施例子中，所述多模谐振器结构和馈线材质均为铜箔。
[0016]2005年，Zhu L.等人提出了基于多模谐振器的超宽带滤波器的设计方法。由于这种基于多模谐振器的设计方法，其实现结构简单而且通带特性良好，引起了很多学者对基于多模谐振器的超宽带滤波器结构进行了大量扩展性的研究。
[0017]从现有的文献来看，已经提出了基于枝节线加载的三模、四模、五模等改进型谐振器结构运用于超宽带滤波的设计，阶梯阻抗枝节线的结构有方形、扇形等，谐振器的结构有方形、圆形、六边形、环形等
[0018]本发明的积极进步效果在于:本发明在宽带滤波器的基础上进行改进，并引入折叠枝节，从而设计出一种性能良好的超宽带滤波器。本发明提供了一种新型超宽带滤波器拓扑结构，即在均匀阻抗线上离中心位置0.8mm处的两边分别加载一个开路阶梯阻抗线，中心加载一个折叠阶梯阻抗枝节；由实验结果可知，基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带滤波器的整体性能较好:仿真结果表明该滤波器的中心频率为6.85Hz，通带为
2.9-10.7GHz，实现了相对带宽114% ;在通带内插入损耗小于ldB，回波损耗优于-10dB，下阻带边缘陆峭，带外阻带从ll-16GHz衰减大于20dB。
【专利附图】
【附图说明】:
[0019]图1新型超宽带(UWB)滤波器的结构示意图，其中I指的是信号的输入输出端口馈线，2指的是折叠枝节加载多模谐振器结构，主要是在均匀阻抗谐振器上离中心位置较近的两边分别加载一个开路阶梯阻抗线，再在中心加载一个折叠阶梯阻抗枝节，3所指的是输入、输出馈线与谐振器结构之间采用的交指耦合；
[0020]图2新型超宽带(UWB)滤波器物理结构图，其中a是指输入、输出端口馈线的长度，b是指馈线的宽度，I1是指谐振器的均匀阻抗线长度，I2是指谐振器中心位置附近的阶梯阻抗线离中心的距离，I3是指阶梯阻抗高阻抗线的长度，I4是指阶梯阻抗低阻抗线的长度，W是指耦合线宽度、均匀阻抗线宽度、阶梯阻抗高阻抗线的宽度以及中心加载折叠枝节的枝节宽度，W0是指耦合线与均匀阻抗线的间距，W1是指阶梯阻抗低阻抗线的宽度，d是指与馈线相连的耦合线的长度，Cl1是指谐振器均匀阻抗线与端口馈线的间距，B1^a2是指折叠枝节的长度，a3是指中心加载枝节的长度；
[0021]图3新型超宽带(UWB)滤波器仿真的S曲线；[0022]图4新型超宽带(UWB)滤波器在弱耦合(d=0.5mm)下，I4变化时的谐振模式分布；
[0023]图5新型超宽带(UWB)滤波器在弱耦合(d=0.5mm)下，变化时的谐振模式分布；
[0024]图6新型超宽带(UWB)滤波器在弱耦合(d=0.5mm)下，a2变化时的谐振模式分布；
[0025]图7新型超宽带(UWB)滤波器在弱耦合(d=0.5mm)下，a3变化时的谐振模式分布；
【具体实施方式】:
[0026]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0027]该滤波器包括:1.一对对称的输入输出50 Ω馈线；2.—个对称的多模谐振器结构，谐振器的均匀阻抗线上距中心0.8mm处两边分别加载一个阶梯阻抗开路枝节，中心处加载一个对称的折叠枝节；3.输入输出端口馈线与折叠枝节加载多模谐振器之间采用了交指耦合方式。
[0028]文献[1]提出中心加载T型开路枝节，在中心位置附近的两边分别加载开路阶梯阻抗线，具有陡峭群边沿和宽阻带的宽带滤波器。文献[2]中提出的折叠多模谐振器结构，用于实现双通带带通滤波器，该滤波器结构紧凑，带外抑制良好。本发明对其进行改进，通过对阶梯阻抗的阻抗比、折叠枝节的阻抗比以及它们电长度比(它们由a1、a2、a3和I4控制)的调节，使滤波器的谐振频率重新分布，从而达到超宽带的要求，并进行仿真优化，设计出一款性能良好的超宽带滤波器 。
[0029]图2为发明的一种基于折叠枝节加载多模谐振的超宽带滤波器物理结构图。
[0030]从图4可以看到在超宽带频段内，该多模谐振器有四个谐振模式，其中U、fo2为奇模谐振频率，fel>fe2为偶模谐振频率。当其他变量不变时，增加I4的长度，谐振频率&2、fe2向低频段移动，且偏移较大，谐振频率4变化较小，奇模谐振频率L基本保持不变。可以看出中心附近处的阶梯阻抗线对奇模和偶模都会产生影响。所以可以通过调节I4的长度来控制谐振频率f;2、fe2的位置。
[0031]图5、图6、图7为折叠枝节各参数对谐振模式的影响。图5、图6中可以看出，改变折叠枝节的线长和间距，偶模fel、fe2也随之而变化，而奇模f^、fo2基本保持不变。中心加载的开路折叠枝节对奇模谐振没有影响。从图5中可以看出当折叠枝节的间距从0.5mm增加到1.5mm时，fel, fe2都向低频段移动，其中fel的变化很大，fe2变化相对较小。从图6中可以看出a2的变化时，fel,fe2的变化较小。图7是加载枝节的长度变化时的谐振模式分布图，可以看出a3变化对fel有很大的影响，而对fe2的影响较小。从图5、图6、图7中还可以看出加载折叠枝节在2.5GHzUIGHz处各产生一个传输零点，两个零点会随着折叠枝节的各参数&1、a2、a3变化而变化，这有利于控制滤波器通带的选择性。
[0032]综上所述，首先可以确定奇模谐振频率L的位置，然后调节I4的长度可以改变谐振频率U和fe2的位置，调节％、a2、a3的长度可以在不改变奇模谐振位置的情况下，改变偶模谐振频率fel和fe2的位置。所以通过适当地调节&1、&2、&3和I4的长度，可以使其四个模式均匀分布在超宽带(3.1-10.6GHz)的频带范围内，最后通过加强耦合(d=7.6mm)形成一个平坦的通带。
[0033]本发明是一种基于折叠枝节加载多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器，其主要创新点是将宽带滤波器改进成超宽带滤波器，并引入折叠枝节，设计出一款性能良好的超宽带滤波器。
[0034]以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
[0035]参考文献
[0036][I]张学顺，赵永久.多模微带滤波器的研究与设计[D].南京:南京航空航天大学，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.
【权利要求】
1.一种基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(UWB)滤波器，采用介电常数ε =2.65,介质厚度h=l_的微带基片进行仿真和加工，所述滤波器有一对对称的输入和输出信号端口，端口宽为2.8mm,馈线长度为5mm,与折叠枝节加载多模谐振器稱合的稱合线长度为7.6mm,宽度为0.2mm ;所述折叠枝节加载多模谐振器采用对称结构，且信号输入端口和信号输出端口分别在多模谐振器的两侧，谐振器与端口之间采用交指耦合方式；耦合线与谐振器之间的间距为0.2mm，端口与谐振器之间的间距为0.5mm ;所述折叠枝节加载多模谐振器结构和馈线材质均为铜箔； 所述滤波器特征在于:所述滤波器有一个对称的折叠枝节加载多模谐振器结构，其结构是在均匀阻抗线上离中心位置0.8_处的两边分别加载一个开路阶梯阻抗线，其中与输入、输出端口进行稱合的均匀阻抗线的长度为18.4mm,宽度为0.2mm,开路阶梯阻抗线的长分别为2.9mm、0.7mm,宽分别为0.8mm、0.2mm ;中心加载的开路折叠枝节由长为5.9mm,宽为0.2mm的枝节和长1mm，宽0.2mm的折叠枝节构成。
2.根据权利要求1所述的一种中心加载折叠枝节多模谐振器结构的新型超宽带(UWB)滤波器，其特征在于: 通过公式
【文档编号】H01P1/203GK103956544SQ201410078662
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】曹晖晖, 张友俊 申请人:上海海事大学