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開路支節、左半圓形階梯阻抗并聯節、右半圓形階梯阻抗并聯節、輸出并聯開路支節及其連接的微帶線，其中輸入/輸出并聯開路節和半圓形階梯阻抗并聯節間級聯的微帶線是漸變線形；接地金屬面包括三個面積相同的二次Hilbert分形缺陷地(DGS)單元結構；整體結構上下對稱，左右對稱，布局緊湊。仿真結果表明：與傳統的微帶低通濾波器相比,本發明具有通帶內的紋波小，回波損耗和插入損耗較小，阻帶較寬，過渡帶陡峭，結構緊湊等特點；且具有成本低、尺寸小、易加工等優點。
【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
技術領域
[0001] 本發明涉及的是無線通信、雷達和遙感等電子技術的低通濾波器，公開了一種小 尺寸低損耗寬阻帶銳截止特點的微帶低通濾波器。本發明中，利用加載微帶漸變線的分形 缺陷地結構、半圓形階梯阻抗單元與微帶并聯枝節級聯設計，所設計的濾波器具有損耗低， 阻帶寬，過渡帶陡峭及結構緊湊，尺寸小等優點。
【背景技術】
[0002] 為了適應現在日益復雜的電磁環境以及無線通信技術的快速發展，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劣的關鍵指標。
[0003] 傳統的階梯阻抗微帶低通濾波器的尺寸大，阻帶窄，不滿足現代通信系統發展的 需要。為擴展阻帶帶寬，文獻[1-2]用開路T型微帶結構替代傳統微帶濾波器中的階梯阻抗 傳輸線，但該方法設計的濾波器尺寸較大;文獻[3]通過把兩個發卡型諧振器用等效于電感 的細微帶線連接起來構成二級低通濾波器，其阻帶性能明顯改善，但濾波器結構尺寸仍然 較大。
[0004] 缺陷地結構(Defected Ground Structure，DGS)結構，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，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），并且使傳輸線結構更加緊 湊。
[0005] 傳統的DGS單元周期級聯構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用。傳統啞鈴型DGS過渡帶下降平緩，選擇性不好，體積也較 大。文獻[4]采用啞鈴型和螺旋型缺陷接地結構獲得了結構緊湊的DGS準橢圓低通濾波器， 其阻帶寬度達到通帶帶寬的5倍;文獻[5]利用半圓形缺陷地結構單元和半圓形階梯阻抗級 聯設計，通過改變其半圓半徑和狹縫寬度對濾波器進行優化設計，獲得良好的通帶和阻帶 特性;文獻[6]采用Hilbert分形缺陷地結構代替啞鈴型DGS單元，設計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，達到-15.6dB，其阻帶也不夠寬，阻帶范圍為5-13.5GHz，不能抑制3次諧波。
[0006] 所以，如何實現對微帶線低通濾波器高次諧波的有效控制，使通帶反射損耗進一 步減小，而且尺寸進一步減小是非常重要和迫切需要解決的問題。
[0007] 參考文獻
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[0013] [6]-種銳截止Hilbert分形缺陷地結構微帶低通濾波器，ZL201520276088.X
【發明內容】
[0014]本發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 結構，以解決現有的低通濾波器尺寸較大和阻帶較窄，損耗較大等問題。
[0015]為解決上述技術問題，本發明設計了一種加載微帶漸變線的Hilbert(希爾伯特） 分形缺陷地結構單元和半圓形階梯阻抗枝節相級聯、并在輸入和輸出端加載終端開路的微 帶并聯枝節，構成的低通濾波器結構，如圖1(a)所示。其基本原理為:Hilbert (希爾伯特)分 形缺陷地結構單元等效為與主傳輸線串聯的LC并聯諧振回路，半圓形階梯阻抗枝節等效為 與主傳輸線并聯的LC串聯諧振回路，因此Hilbert(希爾伯特)分形缺陷地結構單元和半圓 形階梯阻抗枝節級聯的濾波器結構，可以等效為如圖1(b)所示的帶阻濾波器模型，本發明 就是以帶阻濾波器結構，實現寬阻帶的低通濾波器；圖1(a)中Hilbert分形缺陷地結構單元 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 性阻抗的補償;輸入端口及輸出端口的微帶并聯枝節用于改善濾波器端口的阻抗匹配性 能。
[0016] 本發明實例是這樣實現的。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微帶線 和輸入并聯開路支節、左半圓形階梯阻抗并聯節、右半圓形階梯阻抗并聯節、輸出并聯開路 支節及連接的微帶線，其特征在于其中輸入/輸出并聯開路支節和半圓形階梯阻抗并聯節 間級聯的微帶線是漸變線形；接地金屬面包括三個面積相同的二次Hilbert分形缺陷地 (DGS)單元結構;整體結構上下對稱，左右對稱，布局緊湊，微帶金屬面的微帶線和支節匹配 部分為金屬箱，接地金屬面也為金屬箱，在其上按三個希爾伯特分形單元用腐蝕液腐蝕露 出介質面。
[0017] 本發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、終端開路的微帶并聯枝節級聯設計微帶低通濾波器，有效地提高了濾波器的性能，并減 小了濾波器的面積。
[0018] 本發明引入Hilbert (希爾伯特)分形缺陷地單元，二次迭代Hilbert分形結構單元 有著相對比較好的通帶性能和阻帶特性。它在較低的頻段內有3個傳輸零點，在通帶內的插 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 于低通濾波器的設計
[0019]本發明利用分形缺陷地單元能夠減小濾波器尺寸，降低通帶內損耗，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。同時在輸入輸出端口加載了并聯開路支 節來補償微帶線，改善濾波器匹配特性，擴寬濾波器阻帶的帶寬。輸入/輸出并聯開路支節 和半圓形階梯阻抗支節級聯時，設計的Hilbert分形缺陷地的微帶金屬面是漸變形，可進一 步減小濾波器通帶回波損耗、展寬阻帶。按上述電路結構所設計的低通濾波器，損耗小、過 渡帶陡峭、阻帶寬、尺寸小。
[0020]表1是傳統濾波器與本發明的微帶低通濾波器性能參數比較。
[0021 ]表1微帶低通濾波器性能參數比較 [0022]
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明低通濾波器的結構示意圖a及等效圖b;
[0024] 圖2是本發明實例結構的主視圖；
[0025] 圖3是本發明實例微帶金屬面的結構示意圖（圖2的仰視圖）；
[0026] 圖4是本發明實例接地金屬面的結構示意圖（圖2的俯視圖）；
[0027]圖5是圖4接地金屬面上的三個Hilbert分形缺陷地結構單元示意圖；
[0028] 圖6是Hilbert分形原理圖；
[0029]圖7是本發明在截止頻率5GHz，阻帶寬度6~20GHz以上實施例的具體尺寸圖（圖中 尺寸單位為mm);
[0030]圖8是圖7所示實施例HFSS仿真結果。
[0031 ] 其中1----介質板，2----微帶金屬面，3----接地金屬面，4----微帶線，5----輸入 并聯開路支節，6-一左半圓形階梯阻抗并聯節，7-一右半圓形階梯阻抗并聯節，8-一輸 出并聯開路支節，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。
【具體實施方式】
[0032]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實 施方式進行詳細的闡述。
[0033]從圖2,3,4中看出本發明實施例主要由介質板（1)、微帶金屬面(2)、接地金屬面 (3 )、輸入端口、輸出端口組成。
[0034]介質板（1)的相對介電常數為er = 2.2,介質層厚度為H = 0.781mm。中間微帶線寬 為2.4_;微帶金屬面(2)包括傳統的微帶線(4)和四個并聯支節以及兩段漸變微帶線，依次 是輸入并聯開路支節(5)、輸入漸變微帶線(9)、左半圓形階梯阻抗并聯節(6)、右半圓形階 梯阻抗并聯節(7 )、輸出并聯開路支節(8 )、輸出漸變微帶線（13);接地金屬面(3)包括三個 面積相同的二次Hilbert(希爾伯特)分形缺陷地(DGS)單元結構（10)、（11)、（12);整體結構 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Hilbert (希爾伯特)分形單元用腐蝕液腐蝕露出介質面。
[0035]當截止頻率5GHz，阻帶寬度6~20GHz，回波損耗大于23dB，矩形系數1.02的實施例 的具體尺寸見圖7,其中輸入并聯開路支節(5)和輸出并聯開路支節(8)的長度為9.7mm，寬 度為0.5_。左半圓形階梯阻抗并聯節(6)和右半圓形階梯阻抗并聯節(7)半徑長度為2mm， 連結狹縫的長度為〇. 515mm，寬度為0.2mm。輸入并聯開路支節(5)和左半圓形階梯阻抗并聯 節(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節(6) 和右半圓形階梯阻抗并聯節(7)級聯的微帶金屬面寬度為2.4mm;右半圓形階梯阻抗并聯節 (7)和輸出并聯開路支節(8)之間的輸出漸變微帶線（13)寬度從1.8mm漸變到2.4mm。
[0036] 分形缺陷地單元結構（10)、（11)、（12)相同，分形次數為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發明實例的仿真結果為圖8,從中可以看到，本發明的低通濾波器的過渡帶很 陡峭，通帶紋波為〇.3dB，其通帶內回波損耗大于-23.2dB，通帶內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(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，矩形系數越接近于1，陡峭程度越明顯， 本發明實例矩形系數(k( 2MB))達到了 1.02,實現了銳截止。
【主權項】
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微帶線和輸入并聯開路支節、左半圓 形階梯阻抗并聯節、右半圓形階梯阻抗并聯節、輸出并聯開路支節及連接的微帶線，其特征 在于其中輸入/輸出并聯開路支節和半圓形階梯阻抗并聯節間級聯的微帶線是漸變線形； 接地金屬面包括三個面積相同的二次Hi Ibert分形缺陷地單元結構;整體結構上下對稱，左 右對稱，布局緊湊，微帶金屬面的微帶線和支節匹配部分為金屬箱，接地金屬面也為金屬 箱，在其上按三個希爾伯特分形單元用腐蝕液腐蝕露出介質面。
【文檔編號】H01P1/203GK105896005SQ201610278574
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】彭菊紅, 楊維明, 王旭光, 趙晶晶, 黃漢華
【申請人】湖北大學