一種小型化的超寬帶微帶帶通濾波器的設(shè)計

艾明貴， 梁顯鋒

（1. 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

2002 年，美國聯(lián)邦通信委員會將3.1～10.6 GHz 頻段設(shè)為民用超寬帶（Ultra－wideband）頻段，并使之能夠應(yīng)用于超寬帶設(shè)備[1]，超寬帶通信是一種無線通信新技術(shù)，帶寬高達7.5 GHz，有效保障了超高速的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射功率較低，功耗小，抗干擾性能強。

目前，超寬帶技術(shù)因其優(yōu)良性能引起各界極大關(guān)注。 作為超寬帶系統(tǒng)中的一種核心器件，超寬帶濾波器的性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此超寬帶濾波器的研究成為學(xué)者們的關(guān)注熱點和重點。

超寬帶濾波器可以通過級聯(lián)低通高通濾波器來實現(xiàn)[2－4]，利用低/高通濾波器分別產(chǎn)生的高端/低端阻帶級聯(lián)合成所需帶通通帶。 這種結(jié)構(gòu)電路尺寸較大，不太符合小型化的設(shè)計理念。 另外一種方法是采用短路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)[5]，濾波器的結(jié)構(gòu)包含有四分之一波長短截線和半波長連接傳輸線。在文獻[6－10] 中作者提出了多種微帶多模諧振器構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器的方法，利用階躍阻抗的概念控制諧振器的前3 個諧振點在頻帶內(nèi)來實現(xiàn)超寬帶帶帶通特性。 該濾波器中所采用的多模諧振器是以通帶中心頻率為基準的全波長。 這類濾波器結(jié)構(gòu)簡單，在通帶內(nèi)性能表現(xiàn)良好，但是阻帶內(nèi)的無用諧波不能被有效克服。

本文提出了一種新型的超寬帶帶通濾波器，通過將帶阻結(jié)構(gòu)嵌入到環(huán)形槽線諧振器中，有效提升高頻抑制特性的同時極大地減小了電尺寸。 濾波器模型尺寸僅為13.82×6.74 mm2。

1 超寬帶帶通濾波器的設(shè)計

圖1 為設(shè)計的超寬帶帶通濾波器模型結(jié)構(gòu)圖，其中濾波器頂層為50 歐微帶線連接著圓形微帶枝節(jié)， 底層為環(huán)形槽線諧振器和兩對圓形槽線結(jié)構(gòu)。 采用槽線諧振器和頂層微帶枝節(jié)耦合的方式，實現(xiàn)類似文獻[7]中微帶/共面波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生UWB 通帶特性。 優(yōu)化后的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，以下討論全部基于表1 中的參數(shù)組合。

在帶通濾波器的設(shè)計中耦合電路可以起到阻抗變化的作用， 電容耦合電路和電感耦合電路分別用J 變換電路和K變換電路表示[10]，其中J 變換電路和K 變換電路的特性阻抗不同于傳輸線的輸入輸出阻抗。

J 變換電路可以通過環(huán)形槽線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)， 等效電路圖如圖2 所示。

圖1 UWB 帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the UWB BPF

表1 濾波器尺寸參數(shù)Tab. 1 Size parameters of the filter

圖2 等效電路結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the equivalent circuit

在濾波器的結(jié)構(gòu)中，短路部分的電長度φ 可以用一個K轉(zhuǎn)換器連同兩傳輸線部分的特性阻抗Z0=1/Y0 和兩端的電長度θ1來等效， 得出短路線的奇偶導(dǎo)納和轉(zhuǎn)換器的K 值關(guān)系如下：

由上述分析，可以得出環(huán)形槽線諧振器和頂層微帶線耦合結(jié)構(gòu)的等效電路圖如圖3 所示。

圖3 槽線諧振器和頂層微帶線耦合結(jié)構(gòu)等效電路圖Fig. 3 Equivalent circuit of the slot-line resonator and top microstrip

仿真研究發(fā)現(xiàn)，頂層圓形微帶枝節(jié)半徑對通帶有很大影響。從圖4 可以看出，當(dāng)圓形微帶枝節(jié)半徑R1為0 mm 時，阻帶內(nèi)的諧波未能被抑制。 R1由0 mm 變化至0.9 mm，超寬帶濾波器的通帶范圍能夠得到有效調(diào)整，同時帶外諧波抑制性能有所提高。 為了進一步提升濾波器的阻帶性能，在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入一對圓形槽線結(jié)構(gòu)，將其對稱的連接在環(huán)形槽線諧振器上，改進結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖5 所示。 可以看出加入的圓形槽線結(jié)構(gòu)在17.2 GHz 處產(chǎn)生了一個傳輸零點，提高了阻帶抑制特性。 另外一對圓形啞鈴槽線結(jié)構(gòu)耦合在頂層微帶線下面， 從圖5 可知該結(jié)構(gòu)在16 GHz 產(chǎn)生一個傳輸零點。 通過將兩對帶阻結(jié)構(gòu)嵌入到濾波器結(jié)構(gòu)里面的方式，使得帶外的諧波抑制有了顯著提高，與此同時，極大減小了濾波器的尺寸。

圖4 圓形枝節(jié)半徑對超寬帶濾波器的影響Fig. 4 The effect of the radius of circular stubs to UWB BPFs

圖5 三種濾波器仿真結(jié)果Fig. 5 Simulated frequency responses of three kinds of filter

2 超寬帶帶通濾波器的制作和測試

依據(jù)上述理論分析，在利用ADS2011 仿真軟件優(yōu)化的基礎(chǔ)的上， 使用介電常數(shù)10.2， 高度0.635 mm 的羅杰斯RO3010 微波板進行超寬帶微帶帶通濾波器的設(shè)計。 濾波器實物照片如圖6 所示，我們采用安捷倫的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工好的濾波器進行測量，圖7 為S 參數(shù)仿真和測試結(jié)果對比圖，圖8 顯示了測量的群時延的結(jié)果。 從對比圖7 可以發(fā)現(xiàn)，實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，有著較小的插入損耗。測量結(jié)果顯示通帶內(nèi)的群時延低于0.2 ns。測量出的-3 dB帶寬為3.37～11.74 GHz，在通帶內(nèi)最大插入損耗為1.2 dB 左右， 該結(jié)果包含了焊接SMA 接口而引起的損耗。 在4.3～10.2 GHz 范圍內(nèi)反射損耗小于10 dB， 阻帶工作頻率可以達到20 GHz，接近中心頻率6.8 GHz 的3 倍位置，抑制電平達到-20 dB，有效的抑制了高次諧波。 表2 顯示了本文設(shè)計和采用級聯(lián)低通高通濾波器方法設(shè)計的濾波器尺寸對比。 從對比中可以看出，嵌入帶阻結(jié)構(gòu)的方法相對于傳統(tǒng)的級聯(lián)低通高通濾波器的方法，在獲得良好諧波抑制性能的同時，能夠有效減小濾波器尺寸。

圖6 濾波器實物圖Fig. 6 The fabricated UWB band-pass filter

圖7 仿真和實測s 參數(shù)Fig. 7 Simulated and measured results of S21 and S11

圖8 測量的群時延結(jié)果Fig. 8 Measured result of group delay

表2 超寬帶帶通濾波器性能比較Tab. 2 Comparison of UWB BPFs

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一個小尺寸的超寬帶帶通濾波器，通過在環(huán)形槽線諧振器中心對稱地引入圓形槽線結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)高頻段的諧波抑制，相較于傳統(tǒng)的引入低通結(jié)構(gòu)的方法顯著地減小了濾波器的尺寸。 實際測量結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)具有更加誘人的應(yīng)用前景。

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