一種高性能超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

劉 昊，徐美娟

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)研究院，四川 成都 611731)

1 引言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)了頻帶為3.1 GHz～10.6 GHz 在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用，超寬帶技術(shù)吸引了眾多學(xué)者的興趣，這也促進(jìn)了超寬帶系統(tǒng)及其器件研究的進(jìn)展［1］.作為超寬帶系統(tǒng)中的一種核心器件，超寬帶帶通濾波器的研究成為學(xué)者們的關(guān)注熱點(diǎn)和重點(diǎn)，其工作性能好壞直接影響到超寬帶系統(tǒng)的整體工作性能，特別是對(duì)帶外抑制的情況.

目前國(guó)內(nèi)外超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法有多種，如濾波器級(jí)聯(lián)方法［2］，多模諧振器法［3］，混合微帶/共面波導(dǎo)法［4］，LTCC 技術(shù)等［5］.雖然文獻(xiàn)［2－5］中的超寬帶濾波器的通帶帶寬滿足了要求，但是阻帶都非常窄，不能滿足一定情況下的要求.而缺陷地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure，簡(jiǎn)稱DGS)具有低通特性，慢波效應(yīng)，具有較高特征阻抗等，可廣泛地應(yīng)用于抑制諧波、改善效率、提高Q 值等方面［6］.

本文將多模階梯阻抗的超寬帶濾波器與DGS 結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了一種高性能的超寬帶濾波器，中心頻率在6.85GHz，帶寬3.0～10.6 GHz，相對(duì)帶寬111%，頻帶內(nèi)具有良好的通帶特性，同時(shí)又能有效的抑制高次諧波，下阻帶在30dB 以下達(dá)到19GHz，具有很好的阻帶特性.

2 超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)

學(xué)者M(jìn)akimot 和Yamashita 提出階梯阻抗諧振器(Stepped－Impedance Resonator，SIR)，它由兩段不同阻抗的傳輸線構(gòu)成.下圖1 所示為等效的半波長(zhǎng)型SIR 的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 半波長(zhǎng)SIR 諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖

半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器的基本結(jié)構(gòu)由短路面、開路面和它們之間的阻抗階躍接合面組成.阻抗率是表征SIR 的電學(xué)參數(shù)，它是兩段傳輸線的特性阻抗Z1和Z2的比值，定義:

這兩段傳輸線的導(dǎo)納分別為Y1和Y2，在半波長(zhǎng)SIR 諧振器中，從開路端看進(jìn)去的輸入導(dǎo)納Yin，可以由文獻(xiàn)［7］得到，可表示為:

當(dāng)取Yin=0 時(shí)，得到諧振條件為:

由上式(3)我們能得到SIR 的諧振條件由θ1、θ2和阻抗率Rz 決定.

本文中設(shè)計(jì)的UWB 濾波器根據(jù)階梯阻抗諧振器的原理設(shè)計(jì)，該濾波器電路由一個(gè)多模階梯阻抗諧振器和兩個(gè)交指狀的饋線電路組合而成［8］.如下圖2 所示.

圖2 超寬帶濾波器

文中采用電磁軟件HFSS 13.0 進(jìn)行仿真，使用其相對(duì)介電常數(shù)為9.6，厚度為0.8 mm 介質(zhì)基片(文中均采用此材料)，具體參數(shù)如下:W1=0.1mm，L1=4.6mm，W2=0.1mm，L2=4.6mm，W3=1.3mm，L3=1.8mm，d1=0.1mm，d2=0.1mm.其仿真結(jié)果如圖3 所示.

圖3 超寬帶濾波器器的S 參數(shù)曲線

從圖3 可以看出，該濾波器具有良好的帶通特性，通帶內(nèi)頻帶寬度覆蓋超寬帶范圍，回波損耗在10dB 左右，通帶內(nèi)波紋平整，但由于其上阻帶較窄，不能很好地抑制高次諧波，而且還有寄生通帶出現(xiàn)，因此極大的限制了其在超寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用.

3 DGS 結(jié)構(gòu)的低通濾波器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的啞鈴型DGS 結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示.而根據(jù)文獻(xiàn)［9］，半圓型DGS 結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)啞鈴型DGS 結(jié)構(gòu)相比，具有更高的Q 值，因此擁有更好的帶阻性能，能有效的擴(kuò)展阻帶特性.故本文采用半圓型DGS結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(b)所示，兩個(gè)對(duì)稱的半圓蝕刻在匹配的50 歐姆的微帶線正下方的接地金屬板上，半圓的半徑為R，它們之間由一窄縫相連接，窄縫的長(zhǎng)度為W0，窄縫的寬度為W1.

半圓形DGS 結(jié)構(gòu)可以等效為一個(gè)串聯(lián)的并聯(lián)LC 諧振電路［10］，如圖4(b)右上角所示.半圓形DGS結(jié)構(gòu)的相關(guān)物理尺寸的變化可以引起等效電感、電容的變化，從而導(dǎo)致電流方向發(fā)生改變，最終使傳輸線截止頻率發(fā)生變化.該等效諧振電路的電容和電感可由微波電路理論可得到，分別如下:

其中ωc是3dB 截止頻率，f0是阻帶的諧振頻率，Z0是微帶線的特性阻抗.

圖4 傳統(tǒng)啞鈴型DGS 單元與半圓形DGS 單元結(jié)構(gòu)對(duì)比

本文采用電磁仿真軟件HFSS 13.0 對(duì)不同尺寸的半圓形DGS 單元進(jìn)行了仿真.保持窄縫寬度W1=0.3mm 和窄縫長(zhǎng)度W0為1.1mm 保持不變，改變DGS 半徑R 的大小，令R 從0.7mm 依次增加到0.9mm，如圖5 所示.從仿真結(jié)果可以看出，半圓形DGS 單元的諧振頻率與半徑R 大小成反比.

圖6 6 個(gè)周期性半圓形DGS 結(jié)構(gòu)示意圖

單個(gè)的DGS 結(jié)構(gòu)可以拓展阻帶，但是作用有限.而多個(gè)具有相同單元的周期性DGS 結(jié)構(gòu)可以有效的拓寬阻帶，且對(duì)通帶內(nèi)波紋沒有太大的改變，滿足要求.本文采用6 個(gè)相同的DGS 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如上圖6 所示.

整個(gè)周期性的半圓形DGS 的尺寸為W0=1.1mm，W1=0.3mm，R=0.8mm，相鄰兩個(gè)DGS 的中心間距S=0.9mm.采用HFSS 進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示.從圖7 中可以看出，該低通濾波器的截止頻率大于12.6 GHz，帶外存在一個(gè)零點(diǎn)從而使得帶外比較陡峭，帶外30dB 抑制達(dá)到20GHz，具有良好的帶外抑制效果.

圖7 6 個(gè)半圓形DGS 結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)仿真曲線

4 高性能的超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)

將多模階梯阻抗諧振器(MMSIR)與DGS 周期性單元相結(jié)合，通過(guò)軟件優(yōu)化，可以得到一款高性能的超寬帶(UWB)濾波器.其中根據(jù)文獻(xiàn)［11］，漸變尺寸的周期DGS 結(jié)構(gòu)可以減小通帶內(nèi)波紋，使得通帶內(nèi)特性就可以明顯改善.故將DGS 低通濾波器與多模階梯阻抗諧振器結(jié)合起來(lái)時(shí)，為了保證超寬帶的帶寬指標(biāo)，所以不需要修改多模階梯諧振器中的參數(shù)，而只需要修改DGS 結(jié)構(gòu)中的相關(guān)參數(shù)，如半徑R 和窄縫長(zhǎng)度W0.因此本文只通過(guò)調(diào)整DGS 的相關(guān)參數(shù)的尺寸，并沒有修改多模諧振器的相關(guān)參數(shù).經(jīng)過(guò)HFSS 仿真和優(yōu)化，整個(gè)濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示，其具體尺寸如表1 所示.

表1 整個(gè)濾波器的尺寸

圖8 高性能超寬帶帶通濾波器的整體電路圖

對(duì)該濾波器整體進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖9 所示.

圖9 寬阻帶的超寬帶帶通濾波器的仿真曲線

從圖9 可以看出，該濾波器的工作頻段為3.0～10.6GHz，通帶內(nèi)的插入損耗小于0.3dB，回波損耗優(yōu)于20dB.阻帶的工作頻率達(dá)到19GHz，衰減大于30 dB，可以有效地抑制高次諧波.

5 結(jié)論

由于DGS 單元具有優(yōu)良的帶阻特性和慢波特性，可用于諧波抑制和減小電路尺寸.本文將DGS良好的帶阻特性與常用的濾波器相結(jié)合，利用其設(shè)計(jì)了一款高性能的超寬帶濾波器，使之通帶內(nèi)頻帶回波損耗降低，插入損耗減小，帶外的抑制效果非常好，下阻帶30dB 達(dá)到19GHz，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該濾波器有很好的帶通特性和諧波抑制效果.

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