一種小尺寸低損耗寬阻帶銳截止微帶低通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小尺寸低損耗寬阻帶銳截止微帶低通濾波器。主要由介質(zhì)板、微帶金屬面、接地金屬面、輸入端口、輸出端口組成；其微帶金屬面包括輸入并聯(lián)開路支節(jié)、左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、輸出并聯(lián)開路支節(jié)及其連接的微帶線，其中輸入/輸出并聯(lián)開路節(jié)和半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)間級聯(lián)的微帶線是漸變線形；接地金屬面包括三個(gè)面積相同的二次Hilbert分形缺陷地(DGS)單元結(jié)構(gòu)；整體結(jié)構(gòu)上下對稱，左右對稱，布局緊湊。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的微帶低通濾波器相比,本發(fā)明具有通帶內(nèi)的紋波小，回波損耗和插入損耗較小，阻帶較寬，過渡帶陡峭，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)；且具有成本低、尺寸小、易加工等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種小尺寸低損耗寬阻帶銳截止微帶低通濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是無線通信、雷達(dá)和遙感等電子技術(shù)的低通濾波器，公開了一種小 尺寸低損耗寬阻帶銳截止特點(diǎn)的微帶低通濾波器。本發(fā)明中，利用加載微帶漸變線的分形 缺陷地結(jié)構(gòu)、半圓形階梯阻抗單元與微帶并聯(lián)枝節(jié)級聯(lián)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的濾波器具有損耗低， 阻帶寬，過渡帶陡峭及結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了適應(yīng)現(xiàn)在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境以及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對低通濾波器 性能要求更高，小尺寸、低損耗、寬阻帶是衡量濾波器優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。
[0003] 傳統(tǒng)的階梯阻抗微帶低通濾波器的尺寸大，阻帶窄，不滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的 需要。為擴(kuò)展阻帶帶寬，文獻(xiàn)[1-2]用開路T型微帶結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)微帶濾波器中的階梯阻抗 傳輸線，但該方法設(shè)計(jì)的濾波器尺寸較大;文獻(xiàn)[3]通過把兩個(gè)發(fā)卡型諧振器用等效于電感 的細(xì)微帶線連接起來構(gòu)成二級低通濾波器，其阻帶性能明顯改善，但濾波器結(jié)構(gòu)尺寸仍然 較大。
[0004] 缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，DGS)結(jié)構(gòu)，是在微帶線的金屬接地面 上，腐蝕出線寬形狀各異的非金屬單元，從而改變微帶線的分布電感和電容，以改善濾波器 的各類傳輸特性。DGS單元具有良好的帶隙特性和慢波效應(yīng)，具有比較好的特征阻抗，可大 大改善電路的阻帶特性（比如抑制諧波、改善效率，提高Q值等），并且使傳輸線結(jié)構(gòu)更加緊 湊。
[0005] 傳統(tǒng)的DGS單元周期級聯(lián)構(gòu)成的低通濾波器阻帶較窄，不能抑制高次諧波，從而限 制了 DGS在低通濾波器中的應(yīng)用。傳統(tǒng)啞鈴型DGS過渡帶下降平緩，選擇性不好，體積也較 大。文獻(xiàn)[4]采用啞鈴型和螺旋型缺陷接地結(jié)構(gòu)獲得了結(jié)構(gòu)緊湊的DGS準(zhǔn)橢圓低通濾波器， 其阻帶寬度達(dá)到通帶帶寬的5倍;文獻(xiàn)[5]利用半圓形缺陷地結(jié)構(gòu)單元和半圓形階梯阻抗級 聯(lián)設(shè)計(jì)，通過改變其半圓半徑和狹縫寬度對濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得良好的通帶和阻帶 特性;文獻(xiàn)[6]采用Hilbert分形缺陷地結(jié)構(gòu)代替啞鈴型DGS單元，設(shè)計(jì)出銳截止特性的微帶 低通濾波器，但其通帶反射損耗不理想，達(dá)到-15.6dB，其阻帶也不夠?qū)?，阻帶范圍?-13.5GHz，不能抑制3次諧波。
[0006] 所以，如何實(shí)現(xiàn)對微帶線低通濾波器高次諧波的有效控制，使通帶反射損耗進(jìn)一 步減小，而且尺寸進(jìn)一步減小是非常重要和迫切需要解決的問題。
[0007] 參考文獻(xiàn)
[0008] [1]朱軼智，張曉娟，方廣有.基于開路T型結(jié)構(gòu)的小型化超寬阻帶濾波器設(shè)計(jì)[J]， 電子與信息學(xué)報(bào)，32(9)，2010:2282-2286
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[0013] [6]-種銳截止Hilbert分形缺陷地結(jié)構(gòu)微帶低通濾波器，ZL201520276088.X

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明目的在于提出一種新穎的小尺寸低損耗寬阻帶銳截止微帶低通濾波器的 結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有的低通濾波器尺寸較大和阻帶較窄，損耗較大等問題。
[0015]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種加載微帶漸變線的Hilbert(希爾伯特） 分形缺陷地結(jié)構(gòu)單元和半圓形階梯阻抗枝節(jié)相級聯(lián)、并在輸入和輸出端加載終端開路的微 帶并聯(lián)枝節(jié)，構(gòu)成的低通濾波器結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。其基本原理為:Hilbert (希爾伯特)分 形缺陷地結(jié)構(gòu)單元等效為與主傳輸線串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振回路，半圓形階梯阻抗枝節(jié)等效為 與主傳輸線并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振回路，因此Hilbert(希爾伯特)分形缺陷地結(jié)構(gòu)單元和半圓 形階梯阻抗枝節(jié)級聯(lián)的濾波器結(jié)構(gòu)，可以等效為如圖1(b)所示的帶阻濾波器模型，本發(fā)明 就是以帶阻濾波器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬阻帶的低通濾波器；圖1(a)中Hilbert分形缺陷地結(jié)構(gòu)單元 的引入，改變了原有微帶傳輸線的特性阻抗，在背面加載的微帶漸變線主要用于傳輸線特 性阻抗的補(bǔ)償;輸入端口及輸出端口的微帶并聯(lián)枝節(jié)用于改善濾波器端口的阻抗匹配性 能。
[0016] 本發(fā)明實(shí)例是這樣實(shí)現(xiàn)的。一種小尺寸低損耗寬阻帶銳截止低通濾波器，主要由 介質(zhì)板、微帶金屬面、接地金屬面、輸入端口、輸出端口組成，其微帶金屬面包括傳統(tǒng)微帶線 和輸入并聯(lián)開路支節(jié)、左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、輸出并聯(lián)開路 支節(jié)及連接的微帶線，其特征在于其中輸入/輸出并聯(lián)開路支節(jié)和半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié) 間級聯(lián)的微帶線是漸變線形；接地金屬面包括三個(gè)面積相同的二次Hilbert分形缺陷地 (DGS)單元結(jié)構(gòu);整體結(jié)構(gòu)上下對稱，左右對稱，布局緊湊，微帶金屬面的微帶線和支節(jié)匹配 部分為金屬箱，接地金屬面也為金屬箱，在其上按三個(gè)希爾伯特分形單元用腐蝕液腐蝕露 出介質(zhì)面。
[0017] 本發(fā)明利用加載微帶漸變線的Hilbter分形缺陷地(DGS)單元、半圓形階梯阻抗枝 節(jié)、終端開路的微帶并聯(lián)枝節(jié)級聯(lián)設(shè)計(jì)微帶低通濾波器，有效地提高了濾波器的性能，并減 小了濾波器的面積。
[0018] 本發(fā)明引入Hilbert (希爾伯特)分形缺陷地單元，二次迭代Hilbert分形結(jié)構(gòu)單元 有著相對比較好的通帶性能和阻帶特性。它在較低的頻段內(nèi)有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，在通帶內(nèi)的插 入損耗很小，通帶到阻帶很陡峭，它的尺寸比啞鈴型DGS單元的尺寸要小。因此它非常適合 于低通濾波器的設(shè)計(jì)
[0019]本發(fā)明利用分形缺陷地單元能夠減小濾波器尺寸，降低通帶內(nèi)損耗，并使得濾波 器過渡帶更陡峭；半圓形階梯阻抗單元也有很好的阻帶特性;二者級聯(lián)后將使得通帶和阻 帶性能有明顯改善，而且濾波器尺寸也能夠減小。同時(shí)在輸入輸出端口加載了并聯(lián)開路支 節(jié)來補(bǔ)償微帶線，改善濾波器匹配特性，擴(kuò)寬濾波器阻帶的帶寬。輸入/輸出并聯(lián)開路支節(jié) 和半圓形階梯阻抗支節(jié)級聯(lián)時(shí)，設(shè)計(jì)的Hilbert分形缺陷地的微帶金屬面是漸變形，可進(jìn)一 步減小濾波器通帶回波損耗、展寬阻帶。按上述電路結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的低通濾波器，損耗小、過 渡帶陡峭、阻帶寬、尺寸小。
[0020]表1是傳統(tǒng)濾波器與本發(fā)明的微帶低通濾波器性能參數(shù)比較。
[0021 ]表1微帶低通濾波器性能參數(shù)比較 [0022]

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明低通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖a及等效圖b;
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)例結(jié)構(gòu)的主視圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明實(shí)例微帶金屬面的結(jié)構(gòu)示意圖（圖2的仰視圖）；
[0026] 圖4是本發(fā)明實(shí)例接地金屬面的結(jié)構(gòu)示意圖（圖2的俯視圖）；
[0027]圖5是圖4接地金屬面上的三個(gè)Hilbert分形缺陷地結(jié)構(gòu)單元示意圖；
[0028] 圖6是Hilbert分形原理圖；
[0029]圖7是本發(fā)明在截止頻率5GHz，阻帶寬度6~20GHz以上實(shí)施例的具體尺寸圖（圖中 尺寸單位為mm);
[0030]圖8是圖7所示實(shí)施例HFSS仿真結(jié)果。
[0031 ] 其中1----介質(zhì)板，2----微帶金屬面，3----接地金屬面，4----微帶線，5----輸入 并聯(lián)開路支節(jié)，6-一左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)，7-一右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)，8-一輸 出并聯(lián)開路支節(jié)，9----輸入漸變微帶線，10----缺陷地單元，11----缺陷地單元，12----缺 陷地單元，13----輸出漸變微帶線。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的各實(shí) 施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
[0033]從圖2,3,4中看出本發(fā)明實(shí)施例主要由介質(zhì)板（1)、微帶金屬面(2)、接地金屬面 (3 )、輸入端口、輸出端口組成。
[0034]介質(zhì)板（1)的相對介電常數(shù)為er = 2.2,介質(zhì)層厚度為H = 0.781mm。中間微帶線寬 為2.4_;微帶金屬面(2)包括傳統(tǒng)的微帶線(4)和四個(gè)并聯(lián)支節(jié)以及兩段漸變微帶線，依次 是輸入并聯(lián)開路支節(jié)(5)、輸入漸變微帶線(9)、左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)(6)、右半圓形階 梯阻抗并聯(lián)節(jié)(7 )、輸出并聯(lián)開路支節(jié)(8 )、輸出漸變微帶線（13);接地金屬面(3)包括三個(gè) 面積相同的二次Hilbert(希爾伯特)分形缺陷地(DGS)單元結(jié)構(gòu)（10)、（11)、（12);整體結(jié)構(gòu) 上下對稱，左右對稱，布局緊湊。微帶金屬面（2)和接地金屬面（3)為金屬箱，三個(gè)Hilbert (希爾伯特)分形單元用腐蝕液腐蝕露出介質(zhì)面。
[0035]當(dāng)截止頻率5GHz，阻帶寬度6~20GHz，回波損耗大于23dB，矩形系數(shù)1.02的實(shí)施例 的具體尺寸見圖7,其中輸入并聯(lián)開路支節(jié)(5)和輸出并聯(lián)開路支節(jié)(8)的長度為9.7mm，寬 度為0.5_。左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)(6)和右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)(7)半徑長度為2mm， 連結(jié)狹縫的長度為〇. 515mm，寬度為0.2mm。輸入并聯(lián)開路支節(jié)(5)和左半圓形階梯阻抗并聯(lián) 節(jié)(6)之間的輸入漸變微帶線(9)寬度從2.4mm漸變到1.8mm;左半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)(6) 和右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)(7)級聯(lián)的微帶金屬面寬度為2.4mm;右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié) (7)和輸出并聯(lián)開路支節(jié)(8)之間的輸出漸變微帶線（13)寬度從1.8mm漸變到2.4mm。
[0036] 分形缺陷地單元結(jié)構(gòu)（10)、（11)、（12)相同，分形次數(shù)為2階，長寬為4.8mmx4.8mm， 其中線寬t為〇.3mm，分形寬度a為0.6mm，b為0.4mm，中間開口寬度g為0.2mm。
[0037] 圖7發(fā)明實(shí)例的仿真結(jié)果為圖8,從中可以看到，本發(fā)明的低通濾波器的過渡帶很 陡峭，通帶紋波為〇.3dB，其通帶內(nèi)回波損耗大于-23.2dB，通帶內(nèi)插入損耗和回波損耗都比 較小。阻帶比較寬，延伸至20GHz，尺寸也減小了許多。矩形系數(shù)(k(xdB) = BW(xdB)/BW(3dB)，X可 為40dB、30dB、20dB等）用來描述過渡帶的陡峭程度，矩形系數(shù)越接近于1，陡峭程度越明顯， 本發(fā)明實(shí)例矩形系數(shù)(k( 2MB))達(dá)到了 1.02,實(shí)現(xiàn)了銳截止。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小尺寸低損耗寬阻帶銳截止低通濾波器，主要由介質(zhì)板、微帶金屬面、接地金屬 面、輸入端口、輸出端口組成，其微帶金屬面包括傳統(tǒng)微帶線和輸入并聯(lián)開路支節(jié)、左半圓 形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、右半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)、輸出并聯(lián)開路支節(jié)及連接的微帶線，其特征 在于其中輸入/輸出并聯(lián)開路支節(jié)和半圓形階梯阻抗并聯(lián)節(jié)間級聯(lián)的微帶線是漸變線形； 接地金屬面包括三個(gè)面積相同的二次Hi Ibert分形缺陷地單元結(jié)構(gòu);整體結(jié)構(gòu)上下對稱，左 右對稱，布局緊湊，微帶金屬面的微帶線和支節(jié)匹配部分為金屬箱，接地金屬面也為金屬 箱，在其上按三個(gè)希爾伯特分形單元用腐蝕液腐蝕露出介質(zhì)面。
【文檔編號】H01P1/203GK105896005SQ201610278574
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】彭菊紅, 楊維明, 王旭光, 趙晶晶, 黃漢華
【申請人】湖北大學(xué)