本實用新型涉及通訊
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種超寬帶濾波器。
背景技術(shù)：
：超寬帶（UWB）技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶通信系統(tǒng)不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個人通信。美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)規(guī)定，超寬帶的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶（UWB）技術(shù)由于其技術(shù)特點及優(yōu)勢，目前在軍事及民用通信領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并具有更廣泛的應(yīng)用前景。濾波器是一種具有頻率選擇特性的二端口網(wǎng)絡(luò),其基本作用是在電路和電子系統(tǒng)中使不同頻率的信號有選擇性地通過,以抑制不必要或有害的信號。在超寬帶通信系統(tǒng)中，限波濾波器的作用是有效濾除3.1GHz~10.6GHz頻帶內(nèi)的其它系統(tǒng)工作信號。結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、成本低的微波濾波器，是超寬帶系統(tǒng)小型化的要求，亦是技術(shù)進步和市場競爭的要求。目前，在超寬帶通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的平面耦合濾波器，因尺寸過大，已經(jīng)越來越不適應(yīng)技術(shù)進步的需求。電磁波在自然存在的物質(zhì)材料中傳播時，電場E、磁場H以及波矢量K均滿足右手螺旋關(guān)系，所以，自然界存在的材料均定義為右手材料。對應(yīng)的，如果電磁波在某種材料中傳播時，其內(nèi)部的電場E、磁場H以及波矢量K滿足左手螺旋關(guān)系，則這種材料就稱之為左手材料。事實上，左手材料在自然界中并不直接存在，目前只能是在自然存在的右手材料中，通過一定的設(shè)計，使之具備左手材料的特性，這樣的材料常常也直接稱之為左手材料。將左手材料的概念引入到微波濾波器的設(shè)計中，可以克服傳統(tǒng)材料濾波器設(shè)計中的一些限制（例如二分之一波長等），能有效減小濾波器的尺寸，改善濾波器的性能。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的是提供一種基于左手材料的超寬帶限波濾波器，其結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，能夠很好地滿足超寬帶無線通信系統(tǒng)小型化的需求。本實用新型為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是：一種基于左手材料的超寬帶限波濾波器，由一塊矩形的雙面覆銅微波介質(zhì)基板刻蝕出不同的金屬結(jié)構(gòu)而形成，金屬結(jié)構(gòu)包括刻蝕在微波介質(zhì)基板正面的金屬縫隙結(jié)構(gòu)和刻蝕在介質(zhì)基板背面的金屬條結(jié)構(gòu)；金屬縫隙結(jié)構(gòu)包括工字形金屬條及兩個矩形金屬板，工字形金屬條包括設(shè)置在微波介質(zhì)基板縱長向相對兩側(cè)邊緣且相互平行的金屬臂Ⅰ和金屬臂Ⅱ，及垂直連接在金屬臂Ⅰ和金屬臂Ⅱ中部之間的金屬臂Ⅲ，兩個矩形金屬板分別位于金屬臂Ⅲ與金屬臂Ⅰ、金屬臂Ⅱ圍成兩個半封閉空間中，且兩個矩形金屬板對稱設(shè)置在金屬臂Ⅲ的兩側(cè)；金屬條結(jié)構(gòu)是在微波介質(zhì)基板縱長向呈王字形的金屬條結(jié)構(gòu)，金屬條結(jié)構(gòu)包括三條相互平行的金屬臂Ⅳ、金屬臂Ⅴ、金屬臂Ⅵ及垂直連接在金屬臂Ⅳ、金屬臂Ⅴ、金屬臂Ⅵ中部的金屬臂Ⅶ，金屬臂Ⅴ位于金屬臂Ⅳ、金屬臂Ⅵ之間且與正面的兩個矩形金屬板構(gòu)成十字交叉耦合型結(jié)構(gòu)，金屬臂Ⅳ、金屬臂Ⅵ、金屬臂Ⅶ的中部還分別有一段無金屬層覆蓋的開槽。本實用新型的進一步技術(shù)方案是：所述微波介質(zhì)基板的厚度為0.8毫米，相對介電常數(shù)εr=2.55，介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.019。本實用新型刻蝕在介質(zhì)基板正面金屬層上的結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)區(qū)段的金屬板，可作為系統(tǒng)的地；刻蝕在介質(zhì)基板背面金屬層上的結(jié)構(gòu)，是一對高阻抗彎曲線，是系統(tǒng)的信號輸入輸出線。上下兩層組成十字交叉耦合型結(jié)構(gòu)，使濾波器具有左手特性，實現(xiàn)了如下有益效果：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小；（2）電氣性能得到進一步的改善。下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器作進一步的說明。附圖說明圖1是本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器的背面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器的回波損耗S11、插入損耗曲線S21測試結(jié)果圖；圖4是本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器的駐波比（VSWR）測試結(jié)果圖；附圖標(biāo)號說明：1-金屬臂Ⅰ,2-金屬臂Ⅱ,3-金屬臂Ⅲ,4-矩形金屬板,5-金屬臂Ⅳ,6-金屬臂Ⅴ,7-金屬臂Ⅵ,8-金屬臂Ⅶ。具體實施方式如圖1、圖2所示，本實用新型基于左手材料的超寬帶限波濾波器（簡稱“濾波器”），由一塊矩形的雙面覆銅微波介質(zhì)基板刻蝕出不同的金屬結(jié)構(gòu)而形成。微波介質(zhì)基板長為L，寬為W，微波介質(zhì)基板的厚度為0.8毫米，相對介電常數(shù)εr=2.55，介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.019。金屬結(jié)構(gòu)包括刻蝕在微波介質(zhì)基板正面的金屬縫隙結(jié)構(gòu)和刻蝕在介質(zhì)基板背面的金屬條結(jié)構(gòu)。金屬縫隙結(jié)構(gòu)包括工字形金屬條及兩個矩形金屬板4，工字形金屬條包括設(shè)置在微波介質(zhì)基板縱長向相對兩側(cè)邊緣且相互平行的金屬臂Ⅰ1和金屬臂Ⅱ2，及垂直連接在金屬臂Ⅰ1和金屬臂Ⅱ2中部之間的金屬臂Ⅲ3。兩個矩形金屬板4分別位于金屬臂Ⅲ3與金屬臂Ⅰ1、金屬臂Ⅱ2圍成兩個半封閉空間中，且兩個矩形金屬板4對稱設(shè)置在金屬臂Ⅲ3的兩側(cè)。金屬條結(jié)構(gòu)是在微波介質(zhì)基板縱長向呈王字形的金屬條結(jié)構(gòu)，金屬條結(jié)構(gòu)包括三條相互平行的金屬臂Ⅳ5、金屬臂Ⅴ6、金屬臂Ⅵ7及垂直連接在金屬臂Ⅳ5、金屬臂Ⅴ6、金屬臂Ⅵ7中部的金屬臂Ⅶ8，金屬臂Ⅴ6位于金屬臂Ⅳ5、金屬臂Ⅵ7之間且與正面的兩個矩形金屬板4構(gòu)成十字交叉耦合型結(jié)構(gòu)，金屬臂Ⅳ5、金屬臂Ⅵ7、金屬臂Ⅶ8的中部還分別有一段無金屬層覆蓋的開槽。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)濾波器具有很好的左手特性，能有效減少濾波器的尺寸，改善濾波器電氣性能。該濾波器通帶范圍為3.16~6.9GHz和9.08~12.13GHz，限波（阻帶）范圍為6.91~9.08GHz。顯然，該濾波器能在超寬帶（3.1~10.6GHZ）工作頻段內(nèi)工作，同時能有效避免X波段（7.25~7.75GHz，7.9~8.4GHz）信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生電磁的干擾。該設(shè)計利用左手材料的相位補償特性，突破了傳統(tǒng)濾波器設(shè)計的半波長限制，有效縮小了濾波器的尺寸。優(yōu)化后濾波器的尺寸為7.2mm×15.8mm×0.8mm，結(jié)構(gòu)緊湊，能較好地滿足超寬帶無線通信系統(tǒng)小型化的要求。本實用新型濾波器成功設(shè)計的一組幾何參數(shù)如下面表1所示。表1：濾波器一組幾何參數(shù)（尺寸參數(shù)單位為：毫米）。WLh1h2h3h4h5d115.87.20.870.871.263.26.40.6d2d3d4d5d6d7d8d917.470.51.43.26.50.3表1說明：表1為針對厚度為h=0.8毫米，相對介電常數(shù)εr=2.55，損耗角正切tanδ=0.019的微波介質(zhì)基板得出的一組濾波器尺寸數(shù)據(jù)。對于其它厚度或不同物理參數(shù)的TaconicTLX(tm)材料，更改、調(diào)整以上數(shù)據(jù)，也可以設(shè)計出相應(yīng)的超寬帶限波濾波器。附圖3是濾波器回波損耗和插入損耗的仿真結(jié)果，仿真工具：美國ANSOFT公司商用高頻仿真軟件HFSSV.10。由圖可見，在6.91~9.08GHz頻段，濾波器的回波損耗S11大于-10dB；其余在3.16~12.13GHz頻段，濾波器的回波損耗S11小于-10dB。顯然，所實用新型的濾波器在超寬帶（3.1~10.6GHz）頻段上可有效地濾除X波段信號，避免了X波段信號對超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾。附圖4是濾波器駐波比（VSWR）的仿真結(jié)果，仿真工具：美國ANSOFT公司商用高頻仿真軟件HFSSV.10。由圖可見，在超寬帶所覆蓋的3.16~12.13GHz頻段內(nèi)，當(dāng)頻率范圍處于6.91~9.08GHz頻段內(nèi)濾波器駐波比遠大于2，表明超寬帶濾波器在此范圍內(nèi)具有良好的抑制信號作用。選用上述參數(shù)的微波介質(zhì)基板，按表1尺寸參數(shù)在金屬面上刻蝕出濾波器圖案，并按一定精度要求刻蝕加工，即完成本實用新型超寬帶限波濾波器的制作。具體應(yīng)用時，可將濾波器與系統(tǒng)集成制作在同一塊介質(zhì)基板上。以上實施例僅為本實用新型的較佳實施例，本實用新型的結(jié)構(gòu)并不限于上述實施例列舉的形式，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3