一種簡單微帶線/共面波導結構的新型超寬帶帶通濾波器*

黃近秋，曹建忠，王善進

(1.惠州學院電子科學系，廣東惠州516007;2.東莞理工學院電子工程學院，廣東 東莞523808)

自從美國聯邦通信委員會(FCC)允許超寬帶技術的民用，并開放了相應的免費民用頻段后，超寬帶無線通信技術因信號功耗小、數據傳輸率高等優點成為近些年通信領域的研究熱點［1-2］。超寬帶無線通信技術的興起，帶動了一系列相關研究的開展，超寬帶濾波器作為超寬帶無線通信系統的關鍵部件，其性能優劣直接影響通信系統整體指標的水平。結構簡潔、性能優越的超寬帶濾波器的研究一直以來都是相關研發人員的興趣所在。

超寬帶濾波器可以利用高通濾波器與低通濾波器的級聯實現［3］，該原理簡單明了，但顯然體積相對更大，不太符合小型化的設計理念;也可采用短路枝節線結構［4-5］，這種濾波器的結構主要包括四分之一波長短截線和半波長連接傳輸線;也有采用階梯阻抗開路枝節替代短截線或其他的一些改進方法，包括引入電磁帶隙結構、加載扇形枝節、枝節折疊結構等，從而提高濾波器帶外性能，實現緊湊結構;多模諧振器結構也可用于設計超寬帶濾波器，其基本原理是利用諧振器在頻帶內產生的多個諧振模式以展寬頻帶［6-7］，該類濾波器一般要利用平行耦合饋線構成強耦合的輸入輸出端口，由于強耦合導致耦合線之間間隙非常小，不便制作，所以有時會采用具有缺陷地結構(DGS)的平行耦合線［8］。文獻［9-10］利用共面波導結構設計超寬帶濾波器，電路基板頂層微帶傳輸線與接地板上的共面波導諧振器之間的耦合機理可實現超寬帶濾波特性。

本文提出了一種新型簡單結構的超寬帶帶通濾波器，該濾波器由T形階躍阻抗微帶線和四分之一共面波導諧振器組合而成，具有結構簡單，制作容易，尺寸小的優點。利用HFSS軟件對其進行了仿真分析，結果表明其通帶范圍覆蓋了3.1 GHz～10.6 GHz，且選擇性良好，符合FCC的UWB無線通信的指標要求。

1 結構

圖1為濾波器頂面和底面的具體結構。介質基板尺寸為L×W×h，介電常數為 εr，兩面均覆有銅。基板的頂面上呈軸對稱地設置有兩條分別用于信號輸入和輸出的階躍阻抗微帶開路線，每條微帶開路線呈T字形，其中長度為L1、寬度為W1的兩條對稱微帶線構成濾波器的輸入、輸出端口，與之級聯的另一對長為L2、寬為W2開路微帶線構成耦合微帶線，耦合線間距為S，該耦合微帶線的下端各接有L3×W3的矩形微帶線枝節，參見圖1(a)。介質基板的底面為覆銅的接地板，接地板上通過開槽除去覆銅，使之形成四分之一波長共面波導諧振器。開槽的寬度為g，諧振器為(L4-2g)×(W4-2g)的矩形微帶，且與尺寸為(W6+g)×ga的細長矩形微帶相連，該細長微帶的另一端與地短路。在諧振器的另一條邊的中心位置(長度為L4-2g的邊)向內開有尺寸為(W5×L5)的矩形凹槽，整個諧振器僅有最上端與地短路，最后諧振器呈現一倒“Y”形，見圖1(b)所示。

圖1 濾波器的頂層和底面結構示意圖

2 設計

濾波器頂層左、右兩側的T形微帶線與底層的微帶(諧振器)之間可形成電容效應，諧振器通過一條細長微帶線與地短路，形成電感效應。頂層的兩條T形微帶線之間的電磁耦合效應構成的電容效應，可起到輸入、輸出端口之間交叉耦合的作用，可用來控制濾波器通帶低頻端傳輸零點的形成。通過調整頂層T形微帶線邊緣上大小為L3×W3的微帶線枝節，可控制濾波器通帶高頻端傳輸零點，濾波器等效的集總電路模型見圖2所示［10］。

圖2 濾波器的等效電路

利用 HFSS建模，板材選取 Rogers RT，εr取2.33，板厚h=0.787 mm。保持濾波器結構其他尺寸不變(下同)，改變頂層開路線上的延伸部分的寬度W3和長度L3，S21的變化十分明顯，見圖3所示，主要表現在高頻截止點及其傳輸零點的劇烈移動，隨著寬度W3的增大，濾波器的高頻截止點和傳輸零點均往高處移動，長度L3從3 mm減小到2 mm時，頻段的高頻段部分發生移動，參見圖4。注意到L3從2 mm減小到1 mm時，濾波器通帶幾乎不變，但右邊的傳輸零點從-27 dB左右降低到-42 dB。圖5表明隨著W2增大，插損隨之變大，帶寬變窄，但低頻截止點不變。改變諧振器的尺寸W4或L6，將改變其諧振頻率，從而改變濾波器的通帶特性，圖6和圖7表明了這種影響是顯著的。微帶短路枝節的長度W6和寬度ga的變化，將改變濾波器等效電路模型中電感L1的量值，圖8和圖9給出了這種變化關系。濾波器性能對諧振器凹槽尺寸的改變非常敏感，尤其是凹槽長度W5的變化，圖10提示改變W5將引起濾波器通帶的明顯變化，特別表現在高頻截止點及其傳輸零點的劇烈變化。凹槽寬度L5變化所帶來的影響相對溫和，主要表現在通帶的右半部分，低頻段則幾乎沒有改變，如圖11所示。圖12和圖13給出了接地板開槽寬度的影響，槽寬的改變引起了濾波器上下結構間的電磁耦合量之改變，也就引起了等效電路模型中相關元素的數值，從而改變了濾波器的傳輸特性。圖14 3.0 mm，W2=4.0 mm，S=0.1 mm，L3=2.0 mm，W3=0.2 mm，L4=6.6 mm，W4=4.4 mm，L5=0.5 mm，W5=1.1 mm，L6=3.0 mm，W6=2.9 mm，ga=0.2 mm，g=0.2 mm。為優化后濾波器的S參數，S曲線表明濾波器的帶寬涵蓋了3.1 GHz～10.6 GHz的范圍，且通帶兩邊到阻帶的過渡段陡峭，表明器件具體良好的選擇性。優化后濾波器具體尺寸為L1=6.95 mm，W1=1.8 mm，L2=

圖3 S21隨微帶開路線延伸部分寬度的變化曲線

圖4 S21隨微帶開路線延伸部分長度的變化曲線

圖5 S21隨濾波器微帶耦合線寬度的變化曲線

圖6 S21隨共面波導諧振器寬度的變化曲線

圖7 S21隨共面波導諧振器長度的變化曲線

圖8 S21隨諧振器短路枝節長度的變化曲線

圖9 S21隨諧振器短路枝節寬度的變化曲線

圖10 S21隨諧振器凹槽長度的變化曲線

圖11 S21隨諧振器凹槽寬度的變化曲線

圖12 S21隨地板開槽寬度的變化曲線

圖13 S11隨開槽寬度的變化曲線

圖14 優化后濾波器的S參數

3 結語

本文提出了一種結構簡單的新型超寬帶帶通濾波器，由介質板材上層的一對T形微帶開路線和接地板上的倒Y形四分之一波長共面波導諧振器組合而成。其特點是結構簡單且緊湊，容易加工，易于與其他電路集成。利用HFSS仿真軟件對其進行了優化設計，結果表明，濾波器的頻帶范圍為3.1 GHz～10.6 GHz，選擇性良好，可以滿足實際的需求。

［1］Schantz H G.Introduction to Ultra-Wideband Antennas［C］//Ultra Wideband Systems and Technologies.IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies，2003:1-9.

［2］Federal Communications Commission.Revision of Part 15 of the Commission’sRulesRegardingUltra-Wideband Transmission System First Report and Order［R］.Tech Rep ET:FCC.2002.

［3］Tang C W，Chen M G.A Microstrip Ultra-Wideband Bandpass Filter with Cascaded Broadband Bandpass and Bandstop Filters［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(11):2412-2418.

［4］Cai P，Ma Z W，Guan X H，et al.A Compact UWB Bandpass Filter Using Two-Section Open-Circuited Stubs to Realize Transmission Zeros［C］//Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，2005.

［5］Garcia-Garcia J， Bonache J， Martin F. Application of Electromagnetic Bandgaps to the Design of Ultra-Wide Bandpass Filters with Good out-of-Band Performance［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(12):4136-4140.

［6］Sun S，Zhu L.Multiple-Resonator-Based Bandpass Filters［J］.IEEE Microwave Magazine，2009，10(2):88-98.

［7］Zhu L，Sun S，Menzel W.Ultra-Wideband(UWB)Bandpass Filters Using Ultiple-Mode Resonator［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15(11):796-798.

［8］Zhu L，Wang H.Ultra-Wideband Bandpass Filter on Aperture-Backed Microstrip Line［J］.IET Electronics Letters，2005，41(18):1015-1016.

［9］Thomson N，Hong J S.Compact Ultra-Wideband Microstrip/Coplanar Waveguide Bandpass Filter［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17(3):184-186.

［10］Tsung-Nan Kuo，Shih-Cheng Lin，Chun Hsiung Chen.Compact Ultra Wideband Bandpass Filters Using Composite Microstrip Coplanar Waveguide Structure［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54，(10):3772-3778.