微带低通滤波器
阅读说明：本技术 微带低通滤波器 (Microstrip low-pass filter ) 是由 陈荣斌 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微带低通滤波器,包括介质基板；微带传输线,微带传输线设于介质基板的第一面上；多个谐振单元,谐振单元蚀刻在介质基板的第二面上,第二面与第一面为对立面,多个谐振单元呈对数周期阵列排列在介质基板上,呈锯齿形的相邻两个谐振单元的顶点处形成一个夹角。本发明采用了对数周期锯齿形的缺陷地结构,并作为谐振单元设置在介质基板上形成微带低通滤波器,通过设置锯齿形的呈对数周期阵列排列的谐振单元,使得滤波器在通带内的插入损耗低,通带外具有超宽带抑制性以及从通带到阻带的急剧转换特性,具有高性能、宽阻带、良好的回波损耗和低插入损耗等特点。(The invention discloses a microstrip low-pass filter, which comprises a dielectric substrate; the microstrip transmission line is arranged on the first surface of the dielectric substrate; the resonant units are etched on the second surface of the dielectric substrate, the second surface and the first surface are opposite surfaces, the resonant units are arrayed on the dielectric substrate in a log periodic mode, and an included angle is formed at the top point of two adjacent zigzag resonant units. The invention adopts a log periodic sawtooth-shaped defected ground structure, is used as a resonance unit and arranged on a medium substrate to form a microstrip low-pass filter, and the sawtooth-shaped resonance units arranged in a log periodic array are arranged, so that the filter has low insertion loss in a pass band, has ultra-wideband inhibition outside the pass band and sharp conversion characteristic from the pass band to a stop band, and has the characteristics of high performance, wide stop band, good return loss, low insertion loss and the like.)
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种微带低通滤波器。
背景技术
在当今无线通信和物联网连接性日益增强的今天，微波器件和其他相关组件在当前和将来都是不可缺少的。这是由于这种滤波器能够抑制宽带噪声和杂散信号。由于微带滤波器易于制作和成本较低，在提高系统性能的同时也降低了成本。迄今为止，已经研制了许多基于微带的滤波器，但重要的是，这种滤波器的性能需要进一步提高，以满足所有相关的应用。因此，过滤器的性能改进需要持续进行。低通滤波器是当今无线通信系统中广泛应用于噪声和互调信号抑制的重要部件，通常，具有超宽带抑制和快速滚转以及通带内低插入损耗的低通带滤波器，在许多实际应用中都是非常需要的。相关技术中的微带低通滤波器阻带不够宽、回波损耗差和插入损耗高，导致性能不好。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种微带低通滤波器，具有高性能、宽阻带、良好的回波损耗和低插入损耗等特点。
根据本发明的第一方面实施例的微带低通滤波器，其特征在于，包括：介质基板；微带传输线，所述微带传输线设于所述介质基板的第一面上；多个谐振单元，所述谐振单元蚀刻在所述介质基板的第二面上，所述第二面与所述第一面为对立面，多个所述谐振单元呈对数周期阵列排列在所述介质基板上，呈锯齿形的相邻两个所述谐振单元的顶点处形成一个夹角。
根据本发明实施例的微带低通滤波器，至少具有如下有益效果：本发明实施例采用了对数周期锯齿形的缺陷地结构，并作为谐振单元设置在介质基板上形成微带低通滤波器，滤波器在通带内的插入损耗低，通带外具有超宽带抑制性以及从通带到阻带的急剧转换特性，具有高性能、宽阻带、良好的回波损耗和低插入损耗等特点。
根据本发明的一些实施例，所述微带传输线位于所述谐振单元的中间，所述谐振单元呈周期性分布于所述微带传输线上。
根据本发明的一些实施例，所述谐振单元包括相连续的第一谐振单元、第二谐振单元和第三谐振单元，相邻两个所述谐振单元的夹角到所述微带传输线的距离为高度，所述第一谐振单元与所述第二谐振单元形成的第一夹角到所述微带传输线的距离为第一高度，所述第二谐振单元与所述第三谐振单元形成的第二夹角到所述微带传输线的距离为第二高度，所述第一高度与所述第二高度的比值为第一尺度因子值，相邻两个所述谐振单元的所述高度根据所述第一尺度因子值呈比例递增。
根据本发明的一些实施例，所述谐振单元的两个顶点之间为间距，所述第一谐振单元的两个顶点之间为第一间距，所述第二谐振单元的两个顶点之间为第二间距，所述第一间距与所述第二间距之间的比值为第二尺度因子值，相邻两个所述谐振单元的所述间距根据所述第二尺度因子值呈比例递增。
根据本发明的一些实施例，所述第一尺度因子值与所述第二尺度因子值相等。
根据本发明的一些实施例，所述第一尺度因子值与所述第二尺度因子值的取值在0.7到0.9之间。
根据本发明的一些实施例，所述微带传输线的输入阻抗的取值在30至70欧姆之间。
根据本发明的一些实施例，相邻的两个所述谐振单元的夹角处具有间隙。
根据本发明的一些实施例，所述介质基板的两端分别设有SMA接头。
根据本发明的一些实施例，所述介质基板的介电常数的取值在9至10之间、损耗角正切值的取值在0.002至0.004之间、厚度的取值在0.7至0.9毫米之间。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明一些实施例提供的微带低通滤波器示意图；
图2为本发明另一些实施例提供的微带低通滤波器示意图；
图3为本发明另一些实施例提供的谐振单元布局示意图；
图4为本发明另一些实施例提供的微带低通滤波器的带内响应测试示意图；
图5为本发明另一些实施例提供的微带低通滤波器的宽带抑制响应测试示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1至图3所示，本发明实施例提供了一种微带低通滤波器，包括介质基板110、微带传输线120和谐振单元130，微带传输线120设于介质基板110的第一面上，谐振单元130通过蚀刻在介质基板110的第二面上，形成槽，介质基板110的第二面为接地面，第一面和第二面为对立面，多个谐振单元130呈对数周期阵列排列在介质基板110上，呈锯齿形的相邻两个谐振单元130的顶点处形成一个夹角，构成了具有一定周期性的槽阵列。本发明实施例采用了对数周期锯齿形的缺陷地结构，并作为谐振单元130设置在介质基板110上形成微带低通滤波器，通过设置锯齿形的呈对数周期阵列排列的谐振单元130，使得滤波器在通带内的插入损耗低，通带外具有超宽带抑制性以及从通带到阻带的急剧转换特性，具有高性能、宽阻带、良好的回波损耗和低插入损耗等特点。
参照图3所示，在本发明的一些实施例中，微带传输线120位于谐振单元130的中间，谐振单元130呈周期性分布于微带传输线120上，多个谐振单位围绕在微带传输线120的两端呈周期性分布。
参照图3所示，在本发明的一些实施例中，谐振单元130包括第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133，第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133是三个相邻的谐振单元130，这个三个谐振单元130根据所形成的槽的长度依次增加，第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133可以是任意的三个相邻的谐振单元130，相邻谐振单元130之间的夹角到微带传输线120的距离为高度，以第一谐振单元131与第二谐振单元132形成的第一夹角134到微带传输线120的距离为第一高度，第二谐振单元132与第三谐振单元133形成的第二夹角135到微带传输线120的距离为第二高度，第一高度与第二高度的比值为第一尺度因子值，第一尺度因子值是一个预设的值，在一实施例中，第一高度除以第二高度等于第一尺度因子，取第一尺度因子的值为第一尺度因子值，故第一高度与第二高度的比值为第一尺度因子值，在一实施例中，第一尺度因子值小于1，因此第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133的槽高度呈比例递增，在一实施例中，第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133分别在介质基板110上从左到右设置，在满足本发明实施例要求的前提下，第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133也可以从其它方向设置在介质基板110上，本发明不对其作具体限制。
参照图3所示，在本发明的一些实施例中，多个谐振单元130形成槽阵列，每个槽呈长条状并具有两个顶点，相邻的两个槽之间各通过一个顶点连接在一起，谐振单元130的两个顶点之间为间距，以第一谐振单元131的两个顶点之间为第一间距，第二谐振单元132的两个顶点之间为第二间距，第一间距与第二间距之间的比值为第二尺度因子值，第二尺度因子值是一个预设的值，在一实施例中，第一间距除以第二间距等于第二尺度因子，取第二尺度因子的值为第二尺度因子值，故第一间距与第二间距的比值为第二尺度因子值，在一实施例中，第二尺度因子值小于1，因此第一谐振单元131、第二谐振单元132和第三谐振单元133的槽宽度呈比例递增。需要说明的是，在本发明的一些实施例中，高度和间距共同决定了槽的长度。
在本发明的一些实施例中，为了简化设计，第一尺度因子值与第二尺度因子值相等，使得构成了具有一定周期性的槽阵列。
在本发明的一些实施例中，第一尺度因子值与第二尺度因子值的取值在0.7到0.9之间，第一尺度因子与第二尺度因子是通过扫参进行，扫参范围是从0.7到0.9，最短槽有最高抑制频率来确定，也可由尺度因子和初始高度以及初始周期性，再加上特定的周期性数来决定，基于这些初始值，本发明实施例的微带低通滤波器可以才用全波电磁模拟器来开发，在一实施例中，第一尺度因子值与第二尺度因子值的取值为0.8352，此时本发明实施例的微带低通滤波器具有最高的性能、宽阻带、良好的回波损耗和低插入损耗等特点。
在本发明的一些实施例中，微带传输线120的输入阻抗在30至70欧姆之间，在一实施例中，微带传输线120的输入阻抗为50欧姆，当输入阻抗在70多欧姆左右时，传输损耗最小，在30多欧姆时，承受功率最大，而选择输入阻抗为50欧姆的标准微带传输线120，能同时兼顾到两种性能，同时兼顾到传输损耗和承受功率，使得本发明实施例中的微带低通滤波器具有最优的性能。
在本发明的一些实施例中，相邻的两个谐振单元130的夹角处具有间隙，参照图3所示，第一夹角134和第二夹角135处具有间隙，本发明实施例为了将锯齿形的两个相邻顶点之间的槽分开，在每个顶点的顶端引入一个小间隙，在取极限中，当谐振单元130的周期趋近于负无穷时，槽阵列会收敛到介质基板110的最左边，当谐振单元130的周期趋近于正无穷时，槽阵列会变成无限大的阵列，在一实施例中，间隙的大小由高度和间距决定。
参照图2所示，在本发明的一些实施例中，介质基板110的两端分别设有SMA接头140，微带传输线120与SMA接头140同轴接头匹配，SMA接头140于频率范围直流至26.5GHz的微波领域，SMA接头140是一种应用广泛的小型螺纹连接的同轴连接器，它具有频带宽性能优可靠寿命长的特点，通过设置SMA接头140，具有频带宽性能优、可靠寿命长的特点，适用于连接微带传输线120。
在本发明的一些实施例中，介质基板110的介电常数的取值在9至10之间、损耗角正切值的取值在0.002至0.004之间、厚度的取值在0.7至0.9毫米之间，在一实施例中，介质基板110的介电常数为9.6、损耗角正切值为0.003、厚度为0.8毫米，选用高介电常数的介质基板110可以严格控制电路设计的尺寸，整个通带内插入损耗较低，在高频段产生两个传输零点，有效的保证了良好的带外特性，滤波器陷波深度足够大，且满足窄带陷波的要求，同时，使得本发明实施例的微带低通滤波器整体储存较小，陷波可调，结构紧凑，加工方便，易于与其他电路集成。
需要说明的是，在本发明的一些实施例中，本发明实施例的微带低通滤波器通过采用相对介电常数为9.6，耗角正切值为0.003、厚度为0.8毫米的介质基板110，使得微带低通滤波器的截止频率为fc，fc为2GHz，预期抑制频带为24GHz，即12fc，因此具有高宽带的抑制效果，在上述衬底上，当槽在fc处作为半波长谐振器时，最长槽的长度约为24毫米。
需要说明的是，在本发明的一些实施例中，最开始的槽作为基本谐振频率为2GHz的半波谐振器，初始高度为16毫米，以及第一尺度因子值和第二尺度因子值为0.7到0.9，初始间距设为8毫米，扫描范围从7毫米到9毫米，基于这些初始值，本发明实施例中的微带低通滤波器可以才用全波电磁模拟器来开发。
需要说明的是，在本发明的一些实施例中，经过全面的扫参研究和全波电磁优化，本发明实施例中的微带低通滤波器的抑制频带内抑制电平为20dB、带内回波损耗为10dB。在一实施例中，共使用了10个槽线谐振器(即周期数为10)。因此最长的槽的高度为16毫米，尺度因子为0.8352，因此，第一个槽的高度为3.164毫米，第一个槽的间距为1.999毫米，槽缝宽度为1.213毫米，两个槽缝顶点处的间隙固定为0.45毫米，因此介质基板110面积大小为40.65×29.546平方毫米。
参照图4和图5所示，需要说明的是，在本发明的一些实施例中，通过测试发现本发明实施例中的微带低通滤波器的截止频率约为1.96GHz，并给出了仿真响应进行比较，模拟截止频率约为2.14GHz，带内响应如图4所示，在直流至1.85GHz左右时，插入损耗优于1dB，特别是从直流至1.54GHz时插入损耗小于0.7dB。需要注意的是，损耗包括微带传输线120的导体损耗和两端两个SMA接头140的导体损耗，以及连接端与微带传输线120之间的过渡。总体而言，测量的带内群延迟为0.4ns，同时，仿真和测量结果表明，本发明实施例中的微带低通滤波器具有从通带到阻带的急剧过渡，宽带抑制响应参照图5所示。本发明实施例中的微带低通滤波器从2.6GHz到超过26.5GHz，带外抑制水平达到20dB，因而具有宽频带的高抑制特性。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。