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CN105762478A - 一种加载高阻线的四模谐振器 - Google Patents

一种加载高阻线的四模谐振器 Download PDF

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CN105762478A CN201610099948.6A CN201610099948A CN105762478A CN 105762478 A CN105762478 A CN 105762478A CN 201610099948 A CN201610099948 A CN 201610099948A CN 105762478 A CN105762478 A CN 105762478A
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李文迅
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叶晶晶
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Abstract

该发明公开了一种加载高阻线的四模谐振器，涉及微波无源器件领域。该谐振器是由一个双模谐振器与两条对称分布的连接传输线的高阻抗线构成，其中，双模谐振器是一种折叠的半波长谐振器，其金属贴片的两臂向内折叠，在贴片底部中心位置处有一个过孔，而两条高阻抗线则对称的附加在双模谐振器的两侧，并与传输线相连接。上述所有结构均印刷在介质基板的正面，基板的背面则完全被金属覆盖。该谐振器克服了现有的超宽带陷波器件实现多个陷波阻带需要多个谐振器、频率选择性和陷波带宽等性能需要改进以及谐振结构难以适用或移植到其他辐射单元不同的UWB系统等不足。

Description

一种加载高阻线的四模谐振器
技术领域
本发明涉及微波无源器件领域，具体地说，是涉及一种基于半波长的双模谐振器。
背景技术
超宽带(UWB)无线通信系统已经引起了人们的广泛关注。而超宽带天线和滤波器作为超宽带无线通信系统的关键器件，对超宽带无线通信系统具有至关重要的作用。但目前在超宽带天线实际应用中仍然存在一些问题，其中之一就是一些现有的无线通信系统已经占用了某些UWB范围的频带，例如WiMAX(3.3～3.8GHz)、IEEE802.11a(5.15～5.35GHz&5.725～5.825GHz)或X波段卫星通讯服务(7.25～8.395GHz)等，因此UWB系统为了消除这些无线系统对其自身的影响，就需要具有陷波特性的UWB微波无源器件，例如天线，滤波器等。
上述问题目前已有一些解决方案。比如在天线的辐射体上蚀刻出槽结构[见J.Kim,C.S.Cho,andJ.W.Lee,“5.2GHznotchedultra-widebandantennausingslot-typeSRR,”Electronics.Letters,vol.42,no.6,pp.315-316,Mar.2006.]，在馈线上蚀刻出缝隙结构[见Y.H.Zhao,J.P.Xu,andK.Yin,“Dualband-notchedultra-widebandmicrostripantennausingasymmetricalspurlines,”Electronics.Letters,vol.44,no.18,pp.1051-U8,Aug.2008]或者在天线结构中加入一个调谐金属短柱的结构[见C.Pan,J.Duan,W.Tu,andJ.Jan,“Band-notchedultra-widebandplanarmonopoleantennausingshuntopen-circuitedstub,”MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,vol.53,no.7,pp.1535-1537,Jul.2011.]都可以实现天线的带阻特性，然而在这些结构中，若要产生多个陷波就需要使用多个谐振结构，这样无疑会增加无线系统的复杂性。虽然多模谐振器现在也已经被人们用于多陷波特性天线[见Y.Sung,“Tripleband-notchedUWBplanarmonopoleantennausingamodifiedH-shapedresonator,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.61,no.2,pp.953-957,Feb.2013；H.LiuandZ.Xu,“DesignofUWBmonopoleantennawithdualnotchedbandsusingonemodifiedelectromagnetic-bandgapstructure,”TheScientificWorldJournal,vol.2013,pp.917965,2013；K.D.Xu,Y.Zhang,R.J.Spiegel,Y.Fan,W.T.Joines,andQ.H.Liu,“Designofastub-loadedring-resonatorslotforantennaapplications,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.63,no.2,pp.517-524,Feb.2015.]，但这些使用多模谐振器的陷波天线，其频率选择性和陷波带宽等性能却仍然有很多的改进空间。更重要的是，由于这些谐振结构都是对天线辐射单元的结构进行改变，因此很难适用或移植到其他UWB系统中其他不同的辐射结构上去。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可产生陷波的四模谐振器，该谐振器克服现有的超宽带陷波器件实现多个陷波阻带需要多个谐振器、频率选择性和陷波带宽等性能需要改进以及谐振结构难以适用或移植到其他辐射单元不同的UWB系统等不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种加载高阻线的四模谐振器，该谐振器是由一个双模谐振器与两条对称分布的连接传输线的高阻抗线构成，其中，双模谐振器是一种折叠的半波长谐振器，其金属贴片的两臂向内折叠，在贴片底部中心位置处有一个过孔，而两条高阻抗线则对称的附加在双模谐振器的两侧，并与传输线相连接。上述所有结构均印刷在介质基板的正面，基板的背面则完全被金属覆盖。因而本发明一种加载高阻线的四模谐振器，该谐振器包括：金属地板、设置于金属地板上的介质基板、设置于介质基板上的谐振单元；所述谐振单元包括：双模谐振器、高阻抗连接线、传输线，其中双模谐振器为未封闭的对称方环形结构，该环形结构的两端部有向内延伸的枝节；该双模谐振器底部正对开口处的中心位置设置一通孔；背对着双模谐振器开口边设置有一条传输线，通过两条高阻抗连接线将双模谐振器的两侧分别与传输线连通。
进一步的，所述两条高阻抗连接线一端分别连接于双模谐振器所在开口边的两个角上，另一端连接于传输线。
进一步的，所述两条高阻抗连接线为方波状，且方向垂直于传输线。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明在UWB的频带范围内会产生两个陷波，相较于采用多个谐振器来实现多个陷波阻带的方法，其结构非常简单。
(2)基于提出的该谐振器，每个陷波会含有两个传输零点，相较于之前的单零点陷波设计，可以提高陷波的带宽。
(3)基于提出的该谐振器，在每个陷波的两侧会产生一个传输极点，通过调节谐振器物理尺寸，该传输极点的位置会很接近陷波内的传输零点，由此提高了陷波的频率选择性。
(4)本发明相比于采用相同的谐振器结构而不加入两条高阻抗线的谐振器，在阻带内有更高的抑制水平，同时减少了对线间缝隙加工的难度要求。
(5)当本发明的谐振器用于天线时，被放置在馈线附近即可产生陷波效果，可以很好的移植到辐射单元不同的各种UWB天线中。
附图说明
图1是传统双模谐振器
图2是本发明提出的新型谐振器
图3是本发明的变形版本(高阻线折叠后的情况)
图4是图1无通孔，图1和图2在弱耦合情况下的S11仿真结果。谐振器尺寸为：l1＝15.24,l2＝14.6,w1＝0.7,w2＝0.1,w3＝1.1,S1＝0.2,S2＝0.16,通孔半径为r＝0.2
图5是本发明中谐振器在不同尺寸参数了(a)l1,(b)l2,(c)w2下反射系数变化(S11)
图6是实施例中(a)UWB参考天线和(b)陷波UWB天线的结构图
图7是实施例中UWB参考天线和陷波UWB天线的回波损耗(S11)的仿真结果
图8是实施例中(a)参考UWB滤波器正面(b)参考UWB滤波器背面(c)基于本发明谐振器的UWB陷波滤波器
图9是图8(c)的S参数仿真结果
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：一种新型四模谐振器如图2所示。其介质基片的下表面完全由金属覆盖，上表面金属层包括一个双臂向内折叠的类U型谐振器(见图1(a))，其底部中心处有一个金属化过孔。在谐振器的两侧，两条高阻抗微带线从谐振器两臂延伸到馈线的附近，将谐振器与馈线相连。馈线为50Ω微带线，进一步的，若要减小谐振器的尺寸，那么可以将高阻抗微带线设计成蜿蜒曲折的形状而保持其长度不变，如图3所示。
本发明的原理是：
在原本类U型的单模式谐振器中心添加一个过孔(见图1(b))，可以在原本谐振模式的频率附近再产生一个额外的谐振模式。由于这两种模式的频率相互接近，因此可以结合成为一个更宽的阻带。在此基础上再在谐振器两侧附加两条高阻抗线，可以使谐振器阻带的中心频率降低，并在较高频段在生成一个额外的阻带，这两个阻带相较于附加高阻抗线前的阻带，具有更加优越的频率选择特性和更高的频带抑制水平，此外还有较多零点可以改善阻抗匹配。(见图4)
经过测试数据分析，调节本发明的尺寸，可以调节两个阻带的中心频率。如图5(a)所示，当增大l1的尺寸后，可以使谐振器两个阻带的中心频率都下降，增加l2的尺寸则会使较高频率阻带的中心频率下降，而较低频率阻带变化微弱，增大w2时，较低频率阻带的中心频率将会下降，而高频率阻带的中心频率将不会发生变化。
基于本发明的这些特性，在使用时只需先对l1的尺寸进行设计，将低频阻带的频率调整到需要的频率，然后调节l2将高频阻带的频率调节至所需的频率，在此过程中会对低频阻带的频率产生微弱偏移，因此最后还需调整w2对低频阻带频率的偏移进行补偿调整。
实施例1：UWB陷波天线
为进一步说明上述方案的可实施性，下面给出一个具体实例，一种高选择性双陷波超宽带平面单极子天线。介质基片使用厚度为34mm×25mm×0.508mm、介电常数为3.48的RT/Duorid4350基片。该天线的结构图如图6(b)所示，该天线基于图6(a)设计。仿真结果如图7所示，可以看到，天线在4.77-5.35GHz和7.26-8.35GHz产生了两个陷波阻带，除了两个陷波阻带外，回波损耗S11在3.2-12GHz内依然都小于-10dB，在10.5-13GHz通带内反射系数有显著改善。
实施例2：UWB陷波滤波器
基于传统的UWB滤波器(见图8(a)和(b)),加载本发明谐振器后的新型UWB滤波器(见图8(c))。图8(c)所示电路可产生带有两个陷波的UWB响应。其中每个陷波有2个传输零点，如图9所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本发明所公开的这些技术启示，做出各种不脱离本发明的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种加载高阻线的四模谐振器，该谐振器包括：金属地板、设置于金属地板上的介质基板、设置于介质基板上的谐振单元；所述谐振单元包括：双模谐振器、高阻抗连接线、传输线，其中双模谐振器为未封闭的对称方环形结构，该环形结构的两端部有向内延伸的枝节；该双模谐振器底部正对开口处的中心位置设置一通孔；背对着双模谐振器开口边设置有一条传输线，通过两条高阻抗连接线将双模谐振器的两侧分别与传输线连通。
2.如权利要求1所述的一种加载高阻线的四模谐振器，其特征在于所述两条高阻抗连接线一端分别连接于双模谐振器所在开口边的两个角上，另一端连接于传输线。
3.如权利要求1所述的一种加载高阻线的四模谐振器，其特征在于所述两条高阻抗连接线为方波状，且方向垂直于传输线。
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