基于加載諧振器的陷波超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)

南敬昌，王 穎

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基于加載諧振器的陷波超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)

南敬昌，王 穎

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

采用加載諧振器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款在8 GHz處具有陷波特性的超寬帶濾波器，有效地避免了X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（7.9~8.395 GHz）的連續(xù)波對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾。在三模諧振器的基礎(chǔ)上加載中心加載諧振器，通過調(diào)整加載諧振器的參數(shù)對(duì)陷波頻率進(jìn)行調(diào)控，使得濾波器在超寬帶范圍內(nèi)產(chǎn)生陷波。利用HFSS進(jìn)行仿真后結(jié)果表明，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，通帶范圍內(nèi)插入損耗在0.9 dB左右，帶外衰減十分陡峭。其陷波中心頻率發(fā)生在8.19 GHz，在陷波頻段（7.98~8.40 GHz）范圍內(nèi)最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現(xiàn)優(yōu)良。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，性能指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

多模諧振器；陷波；超寬帶；濾波器；頻率；插入損耗

隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，超寬帶（UWB）系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、數(shù)據(jù)傳輸率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)在通信領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。超寬帶微波濾波器在超寬帶系統(tǒng)中承擔(dān)信號(hào)選擇的重任，對(duì)系統(tǒng)的整體性能有著重大影響。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的定義，超寬帶系統(tǒng)的頻率范圍為3.1~10.6 GHz，這其中也有一部分應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的窄帶頻段，因此在設(shè)計(jì)超寬帶濾波器時(shí)也應(yīng)考慮如何避免與現(xiàn)有通信系統(tǒng)之間的干擾問題[1]。

近些年來研究者們不斷提出多種新型的超寬帶濾波器的結(jié)構(gòu)和形式。高低通濾波器級(jí)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)UWB濾波器較為簡(jiǎn)單易行的技術(shù)[2-4]。如2005年Hsu等[5]提出的采用低通濾波器和高通濾波器相互嵌入級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)濾波器，但此種方法很難滿足當(dāng)前濾波器小型化的需求。四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)線濾波器設(shè)計(jì)方法也是實(shí)現(xiàn)UWB濾波器的一種形式。其結(jié)構(gòu)由/4的短路枝節(jié)和半波長(zhǎng)連接線構(gòu)成[6-8]。文獻(xiàn)[9]中，四分之一波長(zhǎng)短接線被階梯阻抗開路枝節(jié)代替，提升了濾波器的帶外性能。但是其中枝節(jié)導(dǎo)納的改變會(huì)嚴(yán)重影響濾波器的相對(duì)帶寬?；旌衔Ч裁娌▽?dǎo)法是近年來設(shè)計(jì)UWB濾波器的常用方法，該方法利用微帶饋線結(jié)構(gòu)，同時(shí)引入源負(fù)載耦合，在高低阻帶均產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)，使得阻帶十分陡峭[10-12]。多模諧振器結(jié)構(gòu)最早由Zhu等[13-15]提出，并提出將階梯阻抗多模諧振器應(yīng)用于超寬帶濾波器中。多模諧振器結(jié)構(gòu)是到現(xiàn)在為止最適合高性能、小體積UWB濾波器的設(shè)計(jì)方法。

本文主要針對(duì)如何避免通信系統(tǒng)信號(hào)之間的相互干擾和沖突這一問題進(jìn)行研究，在文獻(xiàn)[16]中，Menzel等創(chuàng)新性地提出了具有陷波特性的超寬帶濾波器。這種陷波超寬帶濾波器能夠有效避開與現(xiàn)有系統(tǒng)的頻段沖突，并可根據(jù)需要來調(diào)整陷波頻率。陷波濾波器的設(shè)計(jì)方法主要分為三種，第一種為開路枝節(jié)法，第二種為非對(duì)稱耦合線法，第三種為加載諧振器法。其中加載諧振器法以其結(jié)構(gòu)清晰、易于實(shí)現(xiàn)、陷波可調(diào)自由度高且整體性能表現(xiàn)良好等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為設(shè)計(jì)陷波超寬帶濾波器的主要方法。其基本思想就是在超寬帶濾波器的諧振器或耦合線旁邊，加載一組或多組諧振器，達(dá)到引入傳輸零點(diǎn)的目的。本文據(jù)此創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一款在8.19 GHz處能夠產(chǎn)生陷波的超寬帶濾波器，該濾波器能夠有效避免X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的連續(xù)波對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾。采用加載多模諧振器的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用HFSS進(jìn)行仿真后結(jié)果表明，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，其陷波中心頻率發(fā)生在8.19 GHz，陷波頻段7.98~8.40 GHz范圍內(nèi)最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現(xiàn)優(yōu)良。

1 設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)了一種采用加載多模諧振器結(jié)構(gòu)、在8 GHz處具有陷波特性的超寬帶濾波器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，首先在三模諧振器的基礎(chǔ)上，通過從諧振器的兩側(cè)引出兩個(gè)開路枝節(jié)再加以平行耦合，使其增進(jìn)為交指耦合線，獲得更強(qiáng)的耦合來提升UWB通帶的帶內(nèi)性能。然后在原諧振器基礎(chǔ)上加載中心加載諧振器，通過調(diào)整加載諧振器參數(shù)調(diào)控陷波頻率，使得濾波器在超寬帶范圍內(nèi)產(chǎn)生陷波、避免X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（7.9~8.395 GHz）連續(xù)波對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾。

圖1 超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器采用的介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)基板的厚度為3.0 mm。1為耦合線的長(zhǎng)度，1為耦合線之間的距離，耦合線的寬度為1=0.5 mm。

由微帶傳輸線理論可知，諧振器耦合線的有效介電常數(shù)表達(dá)式為

式中：r代表相對(duì)介電常數(shù)；代表介質(zhì)基片厚度；代表耦合線的寬度。將各參數(shù)代入計(jì)算可得e1的值為1.67。1的計(jì)算公式為

(2)

式中：p代表相波長(zhǎng)；e代表頻率；代表自由空間光速。計(jì)算可得1的值為8.4 mm。同理，諧振器的寬度為2=5.4 mm，諧振器的有效介電常數(shù)

諧振器的長(zhǎng)度為

(4)

2 圖形仿真

如圖2所示，這里采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0，對(duì)本節(jié)設(shè)計(jì)的濾波器模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該濾波器在軟件中的模型如圖2所示。

圖2 超寬帶帶通濾波器建模模型

圖3和圖4所展示的是該濾波器隨加載諧振器的尺寸調(diào)整而變化的散射參數(shù)響應(yīng)曲線。通過調(diào)節(jié)加載諧振器的尺寸來改變諧振的頻率，從而改變陷波頻率的特性。圖3為在HFSS中保持枝節(jié)及寬度1，2的值不變，3取值分別為0.1，0.3，0.5，0.7，0.9 mm時(shí)，用HFSS仿真之后的結(jié)果。隨著3值的變化，濾波器的帶寬和陷波中心頻率都在隨之改變。另外考慮到隨著尺寸變小，加工精度要求越高，不容易實(shí)現(xiàn)。綜合考慮尺寸大小和性能影響這兩方面因素，取3的值為0.5 mm。也可以通過調(diào)整諧振器的長(zhǎng)度6來調(diào)節(jié)通帶寬度以及陷波特性。同樣，保持枝節(jié)1~5和寬度不變，對(duì)枝節(jié)6分別取1.5，2.0，2.5 mm時(shí)，對(duì)超寬帶陷波處的傳輸特性進(jìn)行觀察。由圖4可以看出，隨著6的減小，陷波的中心頻率逐漸右移，從7.8 GHz移動(dòng)到8.45 GHz，可以較好地在超寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波調(diào)節(jié)的要求。如果為了追求濾波器體積的小型化而對(duì)6取值過小，很有可能會(huì)造成帶內(nèi)衰減過大，影響其整體性能。所以本設(shè)計(jì)選取6的最終參數(shù)值為2.5 mm。

圖3 加載諧振器參數(shù)W3變化對(duì)陷波頻率的影響

在選擇結(jié)構(gòu)中枝節(jié)的尺寸參數(shù)時(shí)，既要保證所設(shè)計(jì)陷波頻段的阻帶帶寬有較高的衰減量，同時(shí)也要考慮加工精度的因素，二者兼顧才能確定最后的尺寸大小。經(jīng)多次結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，最終的具體尺寸參數(shù)如表1所示。從而得到該濾波器的參數(shù)仿真曲線如圖5所示。虛線代表11，實(shí)線代表21?？梢杂^察到，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，通帶范圍內(nèi)插損在0.9 dB左右，高低阻帶外抑制良好。其陷波中心頻率發(fā)生在8.19 GHz，深度達(dá)到–17.4 dB，陷波頻段7.98~8.40 GHz范圍內(nèi)最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現(xiàn)優(yōu)良。通帶內(nèi)的回波損耗小于–15 dB，插入損耗優(yōu)于–2.8 dB，高頻端阻帶寬度從10.92 GHz到12.25 GHz，具有良好的通阻帶特性。

表1 超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)中的參數(shù)

Tab.1 Parameters of the ultra wideband filter structure

圖5 S參數(shù)仿真結(jié)果

圖6給出了所設(shè)計(jì)濾波器的群時(shí)延特性曲線。從圖中可以看出，在通帶范圍的內(nèi)群時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.5 ns，在通帶內(nèi)陷波中心頻率8.19 GHz處群時(shí)延急劇增大，這些群時(shí)延特性和傳輸特性曲線反應(yīng)相同，說明所設(shè)計(jì)的濾波器是合格的超寬帶濾波器。該款濾波器實(shí)物圖如圖7所示。圖8為測(cè)試結(jié)果，與仿真結(jié)果有細(xì)微差別，主要是因?yàn)榉抡婢?、測(cè)試環(huán)境及硬件隨機(jī)性等因素產(chǎn)生的誤差。但需要補(bǔ)充的不足之處在于，當(dāng)改變加載諧振器的參數(shù)獲取陷波效果時(shí)，原超寬帶通帶范圍受到影響也會(huì)隨之變化。也就是說，當(dāng)加載的加載諧振器與原多模諧振器共同作用的時(shí)候，它們之間存在相互的諧振，增加或減小中心加載諧振器的長(zhǎng)度或?qū)挾?，?shì)必也會(huì)影響它們之間的相互諧振，從而影響通帶的效果。因此，在加載諧振器與原超寬帶濾波器的工作獨(dú)立性方面還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

圖6 超寬帶帶通濾波器的群時(shí)延

圖8 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

采用加載多模諧振器的方法設(shè)計(jì)出一款具有單陷波特性的超寬帶濾波器，并利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0對(duì)該超寬帶濾波器進(jìn)行建模，優(yōu)化仿真。通過曲線圖可以看出該濾波器通帶波紋十分平坦，在陷波頻率處具有良好的抑制水平，整體性能表現(xiàn)優(yōu)良。這款超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，且滿足尺寸小型化的要求，可避免X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（7.9~8.395 GHZ）連續(xù)波對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾。

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（編輯：陳渝生）

Design of a band notched filter for UWB applications based on loaded multi-mode resonator

NAN Jingchang, WANG Ying

(School of Electrics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China)

A UWB filter was designed with notch characteristics at 8 GHz based on loaded resonator structure, which could avoid the interference of the continuous wave of X band satellite communication system (7.9－8.395 GHz) on UWB communication system effectively. Based on the three mode resonator, by adjusting the parameters of the loaded resonator to adjust the notch frequency, so the filter was generated the notch band over the ultra wide band. The results of simulation by HFSS show that the bandwidth of the ultra wide band filter is in 2.5－10.3 GHz, and the insertion loss is about 0.9 dB, with a very steep attenuation in outside of the pass band. The center frequency of the trapped wave occurs at 8.19 GHz, and the minimum insertion loss is lower than –7 dB in the notch band (7.98－8.40 GHz), which has a good suppression level and a good overall performance. The actual test results are basically the same as the simulation results, and the performance indexes can meet the design requirements.

multi-mode resonator; notch band; ultra wide band; filter; frequency; insertion loss

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.012

TN713

A

1001-2028（2017）02-0054-05

2016-11-25

王穎

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61372058）；遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（No. LJZS007)

南敬昌（1971－），男，河南滑縣人，教授，主要從事射頻電路與系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與仿真的研究，E-mail: 1379483777@qq.com ；王穎（1993－），女，遼寧大連人，研究生，研究方向?yàn)樯漕l無源器件，E-mail: 1379483777@qq.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-02-14 15:13:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.012.html