紧凑型微带低通滤波器插入损耗较低的超宽频医学应用

文摘

基于传输线微带低通滤波器元素提出了超宽频医学应用。两个对称的构造滤波器并联开路的存根和三大系列单位元素。过滤器是为了展示一个椭圆函数响应以同样的涟漪在通频带和拒绝乐队。成功设计了一个原型,捏造,并测量,一个好的协议。过滤器显示过滤高选择性和超宽阻带20 GHz的衰减程度超过20分贝。过滤器是紧凑,低插入损耗和超宽带(UWB)拒绝这使得它吸引了许多技术,如超宽频医学应用。

1。介绍

超宽频技术(UWB)有几个特性使它适合医疗监控的应用,如渗透通过障碍,高精度测距在厘米级,低电磁辐射,低能耗处理。这些监视应用程序可能是病人运动监测、无线人体生命体征监测,医学存储监控。超宽频系统的主被动元件之一是低通滤波器阻止不需要的信号,抑制杂散谐波所必需的。

低通滤波器刨床过滤器与锋利的碾轧,宽阻带,电路尺寸紧凑,在高需求和低插入损耗是现代无线通信系统和军用雷达接收机系统阻止不需要的信号,抑制杂散谐波。一般常见的微带低通滤波器的结构是使用高和低阻抗(stepped-impedance)输电线路被称为stepped-impedance低通滤波器(1]。这种类型的滤波器设计方法简单但它展示一个裙子选择性差和拒绝带衰减水平很低。为了提高阻带滤波器的性能,低阻抗的线可以替换为四分之一波长引导开路存根(2]。开路的存根短裤在共振频率,因此可以从传播更广泛的拒绝带传动零可以获得。或者,可以实现纵向槽的地平面stepped-impedance滤波器来提高其性能(3]。由于慢波效应的slot-back微带线,过滤器可以表现出一个更广泛的阻带和一个尖锐截止与传统的过滤器。其他技术也可以用来增强stepped-impedance过滤器的性能如stepped-impendence发夹谐振器(4,5),折叠stepped-impedance谐振器(6),叛逃地平面结构(DGS)槽(7- - - - - -12),指状组合型或半圆叛逃地平面结构(DGS) [13,14]。此外,开发了各种方法和结构来提高微带低通滤波器的性能,比如使用圆形补丁和开放的存根(15),商业竞争定向耦合器(16),stepped-impedance螺旋谐振器(17dgs)、组合和改变径向存根(TRS) [18),t形微带谐振器细胞(19],coupled-line stub-loaded发卡单位(20.)和三角和径向贴片谐振器(21]。

低通滤波器也可以使用分布式设计元素,如开路的存根和单位元素(2]。这种类型的过滤器的谐波,因此,它需要更多的元素来提高它的性能。另外,输入/输出之间的交叉耦合可以介绍饲料线允许过滤器具有额外的传输零点的拒绝带(22]。该滤波器可以用在许多技术,如超宽频医学应用(23]。

紧凑与椭圆函数低通滤波器响应和一个很宽的拒绝乐队介绍了。过滤器是三个系列的构造单元元素和两个并联开路的存根。过滤器是用来提供一个平等的涟漪在通频带和拒绝乐队。它的目的是有一个通带用一把锋利的选择性和超宽阻带。提出的设计是实现微带基片和捏造使用printed-circuited-board (PCB)。过滤器的设计、分析和测量结果详细演示了。

2。滤波器的设计

的三维视图微带滤波器的设计如图1和图2说明了它的传输线等效电路模型。滤波器由两个对称并联开路的存根,特性阻抗的 ,由三大系列单元元素或连接线路的特性阻抗和 。开路的存根的电长度的电气长度单位元素的描述和 。

的矩阵()的等效电路模型可以写成 在哪里是矩阵的开路的存根是(为单位矩阵元素 ),可以定义 饲料的线路阻抗 ,插入损耗()和回波损耗()反应可以计算如下: 一般来说,与四分之一波长传输线滤波器元素( 在)在一个传输零点的频率,例如,midstopband频率()。因此,它需要更多的元素来提高选择性和增加的带宽拒绝乐队。另外,电路设计元素有不同的或不平等的电气长度允许过滤器展览三拒绝带内传输零点, , ,和 。在这种情况下,电长度选择 midstopband ()。为了显示这个新结构的性能,设计的滤波器截止频率为3.0 GHz。过滤器还设计有一个回波损耗超过24-dB所需的通带内插入损耗超过20 db在整个拒绝乐队。此外,过滤器是用来生成三个传输零点拒绝乐队在4.0 GHz, 12 GHz, 20 GHz。为了实现这一目标,优化电路模型是基于上述公式和计算参数显示在表中1。电路模型的计算级响应,使用参数值表1是显示在图3。可以注意到,过滤器展览三个传输零点广泛分开提供一个超宽拒绝带具有高选择性。这些传输零点生成的两个开路的存根。这是因为每个开路短截线的长度()是一个四分之一波长在4.0 GHz,因此,其生成基本共振频率为4.0 GHz,虚假的共振频率发生在奇怪的倍数的根本。因此,第一次和第二次的共振频率位于12兆赫和20 GHz如图4。自前三个共振频率开路存根是位于拒绝乐队,过滤器展品很宽的阻带。过滤器展品平等在通带纹波的回波损耗和插入损耗的拒绝。此外,此外,存根的第一共振频率位于接近低通滤波器的截止频率导致大幅截止。

3所示。微带设计和实验结果

该滤波器设计是建在一个RT特耐用5880衬底 厚度0.254毫米和微带布局显示在图5。基于微带设计方程(2略微调整,微带布局的参数如下: 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 毫米。开路的存根折叠在一个矩形螺旋形状,减少过滤器的大小。的距离优化没有对过滤性能的影响。微带布局模拟使用商用工具(24)和模拟性能与计算结果如图6。好的理论和模拟响应之间的协议。然而,有一个轻微的模拟和理论通频带之间的区别。微带布局可以进一步调整减少不连续的影响,获得一个更好的协议。这个过滤器的原型是成功制作并测量了和图7显示的照片制作的过滤器。捏造过滤器非常小的总体规模约18.0毫米到3.75毫米。原型的测量性能与仿真结果比较,显示在图8。实验筛选显示优秀的结果的插入损耗约为0.4 dB在通带中心频率。它也表现了超宽拒绝带20 GHz三个传输零点和衰减程度的超过20分贝。回波损耗的过滤器显示了一个平等的涟漪在通带和阻带的插入损耗。发表作品之间的性能比较,提出滤波器在桌子上2。它可以注意到,该过滤器显示宽阻带带宽。

4所示。结论

本文基于传输线微带低通滤波器提出了元素。三大系列单位元素的过滤器建造两个对称的并联开路的存根。过滤器的设计有一个截止频率为3.0 GHz。为了使滤波器表现出同等的涟漪在通频带和拒绝乐队,开路的存根的设计有其阻带内前三个共振频率。原型已经成功地设计、制造,和测量,优秀的协议预期和测量性能。过滤器展品quasielliptic函数响应导致高选择性过滤和延长阻带20 GHz的衰减程度超过20分贝。由于体积小、插入损耗低、宽拒绝带,提出了过滤看起来吸引力使它吸引了许多技术,如超宽频医学应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由阿卜杜勒阿齐兹国王科技城(KACST)。

引用

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