基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶濾波器

曹暉暉，張友俊

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

2002年美國聯(lián)邦委員會(huì)（FCC）將 3.1～10.6 GHz之間的頻段分配給超寬帶通信系統(tǒng)使用[1]以后，作為其重要組成部分，超寬帶濾波器成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]中提出了基于多模諧振器的超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，之后很多學(xué)者對(duì)基于多模諧振器的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量擴(kuò)展性的研究。例如運(yùn)用基于枝節(jié)線加載的三模、四模、五模[3－5]等各種改進(jìn)型諧振器結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器。雖然這些超寬帶濾波器可以滿足 FCC對(duì)于超寬帶濾波器在通帶特性方面的要求，但是其中有些濾波器的邊帶選擇性較差，特別是在低頻邊帶的衰減速度比較緩慢[6]。文獻(xiàn)[7]提出中心加載T型開路枝節(jié)，離中心位置較近的兩邊分別加載開路階梯阻抗線，具有陡峭群邊沿和寬阻帶的寬帶濾波器。文獻(xiàn)[8]中提出的折疊多模諧振器結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)雙通帶帶通濾波器，該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，插入損耗小，帶外抑制良好。

本文在文獻(xiàn)[7－8]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種加載折疊枝節(jié)的多模諧振器，利用該多模諧振器設(shè)計(jì)超寬帶濾波器。這是一種新型的超寬帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其通帶范圍達(dá)到2.9～10.7 GHz，該濾波器通帶選擇性良好，而且具有帶內(nèi)衰減小的優(yōu)良性能。

1 超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)分析

圖1為所設(shè)計(jì)的基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶濾波器的物理結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7]提出的一種寬帶濾波器的多模諧振器結(jié)構(gòu)如圖2所示，在均勻阻抗線上離中心位置l2處的兩邊分別加載一個(gè)開路階梯阻抗線。本文將這種諧振器用于超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)中。諧振器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用奇偶模分析法，其奇偶等效電路如圖 2（b)、（c）所示。

圖1 超寬帶濾波器的物理結(jié)構(gòu)Fig.1 Physical structure of the UWB filter

諧振條件是

式（1）中Yodd和Yeven分別為奇模和偶模的等效電路的輸入導(dǎo)納。該多模諧振器有三個(gè)諧振頻率，通過合理地調(diào)節(jié)物理參數(shù)，可以使它們合理的分布在3.1～10.6 GHz的通帶范圍內(nèi)。將該諧振器與50Ω輸入輸出端口線進(jìn)行交指耦合設(shè)計(jì)出一個(gè)超寬帶濾波器。圖3是其仿真結(jié)果。采用介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板，其中各部分的參數(shù)（單位：mm）如 下 ：l1=18.4，l2=0.8，l3=0.7，l4=3.2，w0=0.3，w1=0.8，w=0.2，d=7.6，d1=0.4。

圖2 傳統(tǒng)的多模諧振器結(jié)構(gòu)Fig.2 The traditional structure of multi－mode resonator

圖3 傳統(tǒng)濾波器仿真S曲線Fig.3 The simulation Scurve of traditional filter

從圖3可以看出，該濾波器帶寬可以達(dá)到3.1～10 GHz，，通帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于1 dB，基本滿足UWB的需求，但是低阻帶衰減較慢，為了改善濾波器的性能，在其中心引入一個(gè)開路折疊枝節(jié)，使諧振器增加一個(gè)諧振模式，而且能在低頻段產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。

圖4 折疊枝節(jié)加載多模諧振器結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the Folded stubs loaded multi－mode resonator

圖4 為本文所設(shè)計(jì)的新型超寬帶濾波器的諧振器結(jié)構(gòu)。由于諧振器是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，同樣可以采用奇偶模分析法。定義階梯阻抗線、折疊枝節(jié)的導(dǎo)納比K1=Y1/Y、K2=Y3/Y2，以及它們的電長(zhǎng)度比 R1=θ4/（θ1+θ2+θ3）、R2=θ6/θ5。 其中 Y 為導(dǎo)納，θ為電長(zhǎng)度。折疊枝節(jié)的導(dǎo)納和電長(zhǎng)度Y3、θ6由a1、a2確定。由式（1）可知，通過調(diào)節(jié) K1、K2、R1、R2的大小，可以控制各個(gè)奇偶模諧振頻率，從而控制傳輸零點(diǎn)的位置和濾波器的性能。而K1、K2、R1、R2主 要通 過調(diào) 節(jié) a1、a2、a3、l4等參數(shù)就 可以得 到 控制。將該多模諧振器與50Ω輸入輸出端口線進(jìn)行耦合，并用電磁仿真軟件HFSS13.0進(jìn)行仿真得到濾波器的衰減響應(yīng)|S21|，從而可以觀察到多模諧振器的折疊枝節(jié)各參數(shù)對(duì)于濾波器性能的影響。

圖5 折疊枝節(jié)對(duì)S曲線的影響Fig.5 The folded stubs influence on Scurves

圖5 為所加載的折疊枝節(jié)各參數(shù)對(duì)濾波器S曲線的影響。 其中（a）、（b）分別為折疊枝節(jié)的 a1、a2從 0.7 mm 增加到1.3 mm時(shí)，濾波器的S21曲線?？梢钥闯鯽1的變化對(duì)濾波器的通帶產(chǎn)生了較大的影響，隨著a1的增大，下阻帶的傳輸零點(diǎn)不斷向左移動(dòng)，而上阻帶基本保持不變，于是濾波器的帶寬就增加了。a2的變化對(duì)上下阻帶的影響都不大，即對(duì)濾波器的帶寬影響不大。（c）為中心加載折疊枝節(jié)的長(zhǎng)度a3從4.9 mm到6.9 mm變化時(shí)的S21曲線?？梢钥闯鯽3的變化主要對(duì)下阻帶產(chǎn)生影響，隨著a3的增大，上阻帶的傳輸零點(diǎn)左移，即向低頻段移動(dòng)，也就是說帶寬在增加。于是，從圖5中可知，中心加載的開路折疊枝節(jié)在下阻帶產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)的位置主要受a1和a3影響，所以可以通過控制a1和a3的大小來調(diào)節(jié)下阻帶傳輸零點(diǎn)的位置。同時(shí)，通帶內(nèi)的S21曲線部分位置的下陷說明a1、a2和a3對(duì)帶內(nèi)耦合也有一定的影響 。而對(duì)于上阻帶的傳輸零點(diǎn)的位置可以從諧振器的水平方向上分析，即離中心l2處的階梯阻抗線。l4為階梯阻抗線的低阻抗線的長(zhǎng)度，改變l4就會(huì)改變整個(gè)階梯阻抗的電長(zhǎng)度比。

圖6 l4變化時(shí)S21曲線Fig.6 S21 curves of different l4

圖6 為l4從1.9 mm到3.9 mm變化時(shí)S21曲線?？梢钥闯鲭S著l4的增大，上阻帶的傳輸零點(diǎn)左移，即想低頻段移動(dòng)，而下阻帶基本不變，從而帶寬減小了。l4的變化不僅使上阻帶的傳輸零點(diǎn)移動(dòng)，使得帶寬發(fā)生變化，而且對(duì)帶內(nèi)插入損耗的影響也非常大。

綜上所述，a1和a3控制下阻帶，l4控制上阻帶，各參數(shù)都對(duì)濾波器的插入損耗有影響。于是可以主要通過調(diào)節(jié)上述的四個(gè)參數(shù)a1、a2、a3和l4的大小來控制濾波器兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的位置和諧振頻率，從而控制濾波器的帶寬，然后再進(jìn)行優(yōu)化，得出合理的參數(shù)比，改善帶內(nèi)插入損耗，就可以得出比較理想的S21曲線。

2 濾波器的仿真與測(cè)試

基于加載折疊枝節(jié)多模諧振器，本文提出了圖1所示的超寬帶濾波器。多模諧振器與50Ω的輸入輸出端口線采用交指耦合的方式相連。通過電磁仿真軟件HFSS13.0的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的尺寸（單位：mm）：l1=18.4，l2=0.8，l3=0.7，l4=2.9，w0=0.2，w1=0.8，w=0.2，d=7.6，d1=0.5，a1=1，a2=1，a3=5.9。所采用的介質(zhì)基板的介電常數(shù)是2.65，厚度為1 mm，輸入輸出端口饋線長(zhǎng)寬分別為5 mm、2.8 mm，整體物理尺寸為29.4 mm×12 mm。圖7為濾波器的加工實(shí)物圖。圖8為超寬帶濾波器的仿真和測(cè)試S參數(shù)。實(shí)物測(cè)試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器的超寬帶濾波器的通帶范圍為2.9～10.7 GHz，通帶內(nèi)的插入損耗小于1 dB，回波損耗優(yōu)于－10 dB，下阻帶邊緣陡峭，帶外阻帶11～16 GHz頻段內(nèi)衰減大于20 dB?？梢钥闯鲈摓V波器具有良好的通帶特性和頻率選擇性。測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合性較好，實(shí)測(cè)與仿真的插入損耗值有所偏離，主要是由于加工誤差、SMA接頭損耗等引起的。

3 結(jié) 論

本文基于折疊枝節(jié)加載多模諧振器，設(shè)計(jì)一種新型的超寬帶濾波器。調(diào)節(jié)濾波器水平方向上階梯阻抗線和垂直方向上折疊枝節(jié)的參數(shù)，控制濾波器的阻抗比和電長(zhǎng)度比，從而控制諧振頻率及傳輸零點(diǎn)的位置，以達(dá)到控制濾波器的帶寬、選擇性和插入損耗等性能。經(jīng)過加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，表明該濾波器具有低插入損耗，選擇性良好等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 濾波器加工實(shí)物圖Fig.7 Physical model of the filter

圖8 濾波器的仿真測(cè)試結(jié)果Fig.8 The simuzation and testing results of the filter

[1]Federal Communications Commission.Revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra wideband transmission systems[R].USA:FCC，2002.

[2]Zhu Lei，Sun Sheng，Menzel W.Ultra-wideband （UWB） bandpass filter using multiple-mode resonator[J].IEEEMicrowave and Wireless Components Letters，2005，15（11）:796－798.

[3]Han L，K.Wu K，Chen X P.Compact ultra-wideband bandpassfilter usingstub-loaded resonator[J].IETElectronics Letters，2009，45（10）:504－506.

[4]Li R，Zhu L.Compact UWB bandpass filter using stub-loaded multiple-mode resonator[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17（1）:40－42.

[5]Deng H W，Zhao Y J，Zhang L，et al.Compact quintuple-mode stub-loaded resonator and UWB filter[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20（8）:438－440.

[6]田旭坤，褚慶昕.微帶超寬帶帶通濾波器研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2012.

[7]張學(xué)順，趙永久.多模微帶濾波器的研究與設(shè)計(jì)[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2011.

[8]Hsu K W，Chien C H，Tu W H.Compact dual-wideband bandpass filter using asymmetrical resonator[J].The Institution of Engineering and Technology，2013，36（3）:1－2.