具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器

楊 虹，丁孝倫，彭 洪，陳思良

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具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器

楊 虹，丁孝倫，彭 洪，陳思良

（重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065）

采用修改的多模諧振器（MMR）結(jié)構(gòu)，通過輸入輸出端開槽形成交叉耦合，實現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶（UWB）帶通濾波器。修改的多模諧振器在通帶中能產(chǎn)生兩個奇模、三個偶模，加載的階躍阻抗開路枝節(jié)在通帶的兩邊產(chǎn)生兩個傳輸零點，提高了邊緣選擇性。同時在濾波器下方耦合雙模階躍阻抗諧振器形成具有雙陷波特性超寬帶帶通濾波器，利用HFSS13.0驗證。結(jié)果表明：該濾波器通帶在2.61~11.21 GHz，其陷波頻率分別發(fā)生在5.61，7.81 GHz，能有效抑制WLAN和X頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)對超寬帶通信系統(tǒng)的影響，可適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。

超寬帶；多模諧振器；帶通濾波器；陷波頻帶；交叉耦合；HFSS

由于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的帶通濾波器已經(jīng)不能滿足需求[1]。自從2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）正式授權(quán)無需許可證就可以使用3.1~10.6 GHz的UWB通信頻譜[2]。超寬帶通濾波器作為UWB射頻通信系統(tǒng)的無源關(guān)鍵器件之一，同時擁有很寬的頻帶、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗等優(yōu)點，因此，超寬帶帶通濾波器在學術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域受到許多研究人員的關(guān)注。

近年來，多模諧振器理論被廣泛運用于設(shè)計超寬帶帶通濾波器，許多不同類型的超寬帶帶通濾波器被實現(xiàn)[3-8]，文獻[3]介紹了采用多模諧振器（MMR）并且引入四分之一波長的平行耦合線實現(xiàn)了具有五個傳輸極點的超寬帶帶通濾波器。通過形成微帶線—槽線混合結(jié)構(gòu)，增加輸入輸出間耦合的方式來設(shè)計超寬帶帶通濾波器的方法在文獻[4]中報道。文獻[5-6]介紹了通過增加諧振模式來提高分配模式的自由度和濾波器帶外性能。由于超寬帶無線通信系統(tǒng)易受到干擾信號的影響，其中5.8 GHz WLAN（無線局域網(wǎng)絡）、8 GHz衛(wèi)星通信信號均是戶外超寬帶通信系統(tǒng)的干擾信號。因此，迫切需要具有多陷波特性的超寬帶帶通濾波器。到目前為止，各種各樣結(jié)構(gòu)和設(shè)計均被提出，例如：不對稱反饋線、額外加載諧振器、缺陷微帶線結(jié)構(gòu)。文獻[7]提出了采用枝節(jié)加載多模環(huán)形諧振器實現(xiàn)陷波特性的方法。文獻[8]介紹了通過在I/O饋線引入開口環(huán)諧振器來實現(xiàn)具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器，但是尺寸偏大。

本文在文獻[6]設(shè)計的多模諧振器的基礎(chǔ)上修改了多模諧振器結(jié)構(gòu)并且加載了雙模階躍諧振器，設(shè)計出一種新的具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器。該濾波器采用修改的多模諧振器結(jié)構(gòu)，通過輸入輸出端開槽形成交叉耦合實現(xiàn)，修改的多模諧振器在通帶中能產(chǎn)生五個模式和兩個傳輸零點在通帶的上下截止頻率處，使濾波器具有更好的邊緣選擇性。同時在濾波器下方耦合折疊的雙模諧振器引入雙陷波特性，產(chǎn)生兩個窄小的陷波特性，實現(xiàn)對WLAN、衛(wèi)星干擾信號的抑制。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，該濾波器具有緊湊的結(jié)構(gòu)和良好的性能。

1 濾波器的設(shè)計

該濾波器的設(shè)計主要分為多模諧振器的設(shè)計和加載諧振器設(shè)計兩個部分。

1.1 多模諧振器的設(shè)計和分析

圖1展示了修改的多模諧振器的基本結(jié)構(gòu)，該多模諧振器由修改的三模諧振器和一個開路階躍阻抗枝節(jié)構(gòu)成，其中三模諧振器的高阻抗線位于水平位置，兩個低阻抗線分別垂直位于高阻抗線的兩側(cè)，開路階躍阻抗枝節(jié)位于三模諧振器的高阻抗線的中心。修改后的多模諧振器較文獻[6]中設(shè)計的多模諧振器結(jié)構(gòu)的尺寸小。因為該多模諧振器是對稱結(jié)構(gòu)，可以運用奇模分析法來分析，當奇模激勵時，橫截面-1等效為短路，偶模激勵時，橫截面-1等效為開路。

圖1 修改的多模諧振器結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳輸線理論，一定長度的均勻傳輸線可以構(gòu)成諧振器，其輸入阻抗可以定義為in，

式中：C為傳輸線的特性阻抗；L為負載阻抗。

當奇模激勵時，其奇模等效電路的輸入導納為：

當偶模激勵時，其偶模等效電路的輸入導納為：

其中：

則有：

對于圖1的結(jié)構(gòu)，可以推導出參數(shù)的表達式為：

由方程（9）可知，得到兩個傳輸零點的條件是：

從方程（10）可知，兩個傳輸零點由中間的開路階躍阻抗枝節(jié)確定，由方程（7）、（8）得出，奇模是由修改的三模諧振器確定的，并且改變開路階躍阻抗枝節(jié)的尺寸可以調(diào)整偶模。

1.2 加載諧振器的設(shè)計和分析

圖2顯示了雙模階躍諧振器的幾何結(jié)構(gòu)，由兩個半波長的SIR組成，包括一個奇模和一個偶模。當雙模諧振器位于一條饋電微帶線下方時，該結(jié)構(gòu)可以等效成兩個并聯(lián)的LC諧振電路。因為該諧振器是對稱結(jié)構(gòu)，可以運用奇偶模分析法分析其原理，由諧振條件可知，輸入導納=0，因此可以推出陷波頻率的表達式：

式中：為光速；e代表介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)。由方程（11）可知，諧振器的頻率跟電長度呈反比，因此，該諧振器在調(diào)整諧振模式的位置時具有較高的調(diào)整自由度。

圖2 雙模階躍阻抗諧振器的基本結(jié)構(gòu)

Fig.2 Basic structure of dual mode step impedance resonator

圖3、圖4展示出雙模諧振器尺寸變化時的傳輸特性。圖3顯示出雙模諧振器長度3變化對陷波頻率的影響，可以看出隨著雙模諧振器長度3的減小，陷波中心頻率右移，第一個陷波頻率的變化范圍較第二個陷波頻率變化范圍小。因此，可以通過調(diào)整加載的雙模諧振器長度3來調(diào)整超寬帶帶通濾波器的兩個陷波頻率。從而提高了對陷波頻率調(diào)整自由度。圖4顯示雙模諧振器寬度2變化時對陷波頻率的影響，不難看出隨著2尺寸的減小，第一個陷波頻率中心右移，而第二個陷波頻率中心保持不變。因此，通過合理的調(diào)整雙模諧振器的尺寸，兩個陷波特性可以在期望的頻率上獲得。

圖3 加載雙模諧振器長度LS3變化時對陷波頻率的影響

圖4 加載雙模諧振器寬度WS2變化時對陷波頻率的影響

2 仿真結(jié)果與討論

本文提出的具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器的幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示。該濾波器基于多模諧振理論，其中多模諧振器采用修改的三模諧振器，通過中間加載開路的階躍阻抗枝節(jié)構(gòu)成五模諧振器并產(chǎn)生兩個傳輸零點。通過在輸入輸出端開槽形成交叉耦合實現(xiàn)超寬帶帶通濾波器。同時通過開槽引入缺陷接地結(jié)構(gòu)增強輸入輸出端的耦合。在濾波器下方合理地耦合折疊的雙模階躍阻抗諧振器的優(yōu)勢是引入雙陷波特性，并且提高調(diào)整陷波頻率的自由度。該濾波器的介質(zhì)基板為Rogers RT/duroid5880，相對介電常數(shù)為2.2，基板厚度為0.5 mm，選定阻抗比z為0.5，利用ADS微帶線計算工具計算出每段微帶線的長寬，經(jīng)過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸優(yōu)化，最終濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸為16.2 mm×21.8 mm。最后采用電磁仿真軟件HFSS13.0對濾波器模型進行仿真驗證。

圖5 濾波器的幾何結(jié)構(gòu)

圖6展示出多模諧振器在弱耦合時的21仿真參數(shù)。該多模諧振器產(chǎn)生了五個諧振模式，包括兩個奇模和三個偶模，其中兩個奇模的諧振頻率分別為4.11，8.91 GHz，三個偶模的諧振頻率分別為3.11，6.71，10.61 GHz，單個頻率的偏離可能受到了微帶線不連續(xù)的影響。圖7展示出超寬帶帶通濾波器的21仿真參數(shù)。超寬帶帶通濾波器頻帶范圍為2.61~11.21 GHz。其中心頻率為6.85 GHz，相對帶寬FBW=125.5%，通帶內(nèi)的插入損耗IL<1.2 dB。同時通過在輸入輸出端開槽增加耦合使通帶外1.5 GHz處產(chǎn)生了一個額外的傳輸零點。提高了通帶帶外抑制性能。

圖6 多模諧振器弱耦合時S21參數(shù)仿真結(jié)果

圖8展示出具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器的21參數(shù)仿真結(jié)果，具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器的帶寬為2.6~11.2 GHz，通帶內(nèi)的插入損耗小于1.5 dB，上下截止頻率陡峭，帶外抑制良好。第一個陷波中心波頻率發(fā)生在5.61 GHz，在陷波中心頻率的衰減超過20 dB，3 dB帶寬從5.51 GHz到5.71 GHz，陷波的相對帶寬FBW=3.6%。第二個陷波中心波頻率發(fā)生在7.81 GHz，在陷波中心頻率的衰減超過30 dB，3 dB帶寬從7.61 GHz到8.01 GHz，陷波的相對帶寬FBW=5.1%。

圖7 超寬帶帶通濾波器S21參數(shù)仿真結(jié)果

圖8 具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器S21參數(shù)仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文基于多模諧振理論，提出了一種新型具有雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器，該濾波器采用修改的多模諧振器，并在中心引入開路階躍阻抗枝節(jié)產(chǎn)生兩個傳輸零點，通過對開路階躍阻抗枝節(jié)的參數(shù)調(diào)整使兩個傳輸零點分別位于上下截止頻率，提高了頻率選擇性。同時在濾波器下方耦合折疊的雙模階躍阻抗諧振器產(chǎn)生雙陷波頻率。最后采用HFSS13.0對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行仿真和優(yōu)化，設(shè)計出能產(chǎn)生雙陷波特性的超寬帶帶通濾波器，結(jié)果表明：該濾波器尺寸較小，性能優(yōu)良，滿足超寬帶無線通信的基本要求。

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（責任編輯：陳渝生）

Ultra wideband band pass filter with double notched bands

YANG Hong, DING Xiaolun, PENG Hong, CHEN Siliang

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

The UWB band pass filter was realized by using the modified multi-mode resonator (MMR) structure to form the cross-coupling through the input and output slot. The modified MMR could produce two odd modes and three even modes in the passband, and the loaded step impedance open branches produced two zero transmissions on both sides of the passband, improving edge selectivity. At the same time, a dual-mode step impedance resonator was coupled below the filter to form an ultra-wideband band pass filter with double trap characteristics. The HFSS13.0 simulation results show that the passband frequency of the ultra-wideband band pass filter is 2.61－11.21 GHz, and the notch frequency occurs at 5.61 GHz and 7.81 GHz, respectively, which can effectively suppress the influence of WLAN and X-band satellites on UWB communication system, and can be applied to UWB wireless communication system.

ultra wideband; multiple-mode resonator; band pass filter; notch bands; cross coupling; HFSS

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.011

TN713

A

1001-2028（2018）02-0059-05

模擬集成電路重點實驗室基金項目資助（6142802011503）；重慶市重點產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項項目資助（cstc2016zdcy-ztzx0038）；重慶市重點產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項項目資助（cstc2017zdcy-zdyf0166）

2017-10-15

丁孝倫

楊虹（1966－），男，四川蓬溪人，教授，研究方向為微波/毫米波集成電路設(shè)計與天線設(shè)計等；丁孝倫（1992－），男，重慶開州人，研究生，研究方向為集成電路設(shè)計與射頻集成電路設(shè)計。