具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

戴琪林，馬偉平，侯衛(wèi)國

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具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器設(shè)計(jì)

戴琪林，馬偉平，侯衛(wèi)國

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

提出了一種超寬帶微帶帶通濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，僅由單級(jí)平行耦合線和兩個(gè)對(duì)稱的1/4波長的短路截線構(gòu)成。連接至平行耦合線兩端的短路截線在通帶兩端各產(chǎn)生一個(gè)衰減極點(diǎn)，增強(qiáng)了該超寬帶濾波器的選擇性。為了消除無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，在提出的濾波器結(jié)構(gòu)上添加開路短截線，使該濾波器具有通帶內(nèi)陷波特性。利用電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，本文設(shè)計(jì)的超寬帶帶通濾波器的通帶范圍為3.1~10.6 GHz，插入損耗小于1 dB，陷波頻段為5.8~5.9 GHz，陷波深度達(dá)到–40 dB。

短路截線；超寬帶；微帶線；平行耦合線；開路截線；陷波頻段

2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)對(duì)位于3.1~10.6 GHz的超寬帶(UWB)相關(guān)頻帶解禁[1]。隨著超寬帶無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)超寬帶無線通信電子設(shè)備提出了更高的要求，高性能、小型化已經(jīng)成為超寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

近十幾年來，由于結(jié)構(gòu)簡單、小型化等優(yōu)點(diǎn)，微帶線結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器，成為了研究的主要方向，并涌現(xiàn)出多種形式的超寬帶濾波器。例如，文獻(xiàn)[2]中通過將高通濾波器和低通濾波器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)濾波器的超寬帶特性。文獻(xiàn)[3]中介紹了一種基于并聯(lián)1/4波長短路短截線電路的超寬帶帶通濾波器。這些結(jié)構(gòu)均能有效應(yīng)用于超寬帶無線通信系統(tǒng)中。其中，文獻(xiàn)[3]提出的短路截線帶通濾波器具有工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是要提高這種濾波器的選擇性，必須增加短路枝節(jié)數(shù)目，或者用兩個(gè)枝節(jié)的開路截線替換短路截線以在通帶兩端產(chǎn)生兩個(gè)衰減極點(diǎn)[4]，因此這兩種方法都會(huì)增加濾波器的尺寸。此外，在濾波器的輸入輸出端饋線之間引入交叉耦合，也可以在通帶兩端引入新的衰減極點(diǎn)[5]。

本文提出了一種超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)建立在有兩個(gè)短路枝節(jié)線帶通濾波器的基礎(chǔ)上，并將其中的傳輸線用一段平行耦合線代替。改進(jìn)后的濾波器，在不增加濾波器尺寸的情況下，不僅在通帶兩端各產(chǎn)生一個(gè)衰減極點(diǎn)，同時(shí)在通帶內(nèi)增加額外的傳輸極點(diǎn)，提高了濾波器的性能。

由于超寬帶頻段內(nèi)存在來自其他窄帶信號(hào)如無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，因此需要設(shè)計(jì)出一種具有陷波特性的濾波器以濾除無線網(wǎng)絡(luò)的干擾。通過添加開路枝節(jié)使濾波器具有陷波特性的方法簡單方便[6]，得到許多研究人員的關(guān)注。本文設(shè)計(jì)的濾波器在上述超寬帶帶通濾波器的基礎(chǔ)上添加一個(gè)開路短截線，使該濾波器在通帶內(nèi)具有陷波特性。合理調(diào)整開路負(fù)載的長度和寬度可以抑制通帶內(nèi)的任意頻段，并且可以控制抑制頻段的帶寬[7]。

1 超寬帶微帶帶通濾波器

1.1 超寬帶濾波器基本結(jié)構(gòu)

首先提出一種超寬帶微帶帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖1可看出，該濾波器電路由一級(jí)平行耦合線以及兩個(gè)分別連接在平行耦合線的輸入輸出端的對(duì)稱短路截線組合而成，結(jié)構(gòu)簡單。其電路圖及等效電路如圖2、圖3所示，圖中s為短路截線的特性阻抗，為平行耦合線以及短路截線的電長度，oe，oo分別為平行耦合微帶線的偶模和奇模特性阻抗。

圖1 超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超寬帶帶通濾波器電路圖

圖3 超寬帶帶通濾波器等效電路圖

設(shè)短路截線與平行耦合線的矩陣分別為s和p，則該濾波器等效電路的矩陣可經(jīng)以下步驟得到：

(3)式中的平行耦合傳輸線的導(dǎo)納可由偶模和奇模(oe，oo)特性阻抗代替，如下式

因此，

本文所提出的濾波器的矩陣可表示為：

其中，

本文所有短路截線和平行耦合線在中心頻率0處的電長度均為，即四分之一波長，因此其他頻點(diǎn)處短路截線的電長度可通過得到。基于上述理論，在Matlab中完成濾波器的優(yōu)化綜合，可以得到的濾波器偶模和奇模特性阻抗的初始值分別為130W以及36W，短路截線特性阻抗的初始值為49W，即各傳輸線的寬度。

1.2 超寬帶濾波器的參數(shù)優(yōu)化仿真

選用相對(duì)電常數(shù)為10.9，厚度為1.27 mm的基片，由1.1節(jié)求出的各段傳輸線的特性阻抗與電長度，利用ADS軟件中自帶的LineCalc功能計(jì)算對(duì)應(yīng)的傳輸線寬度與長度的初始值。改變各傳輸線的參數(shù)，通過電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，該濾波器在超寬帶帶通濾波器的通帶的兩端各產(chǎn)生了一個(gè)衰減極點(diǎn)。其中，上邊帶衰減極點(diǎn)的位置與短路截線長度d有關(guān)，如圖4所示，隨著d的增大，衰減極點(diǎn)向中心頻率處移動(dòng)。

圖4 濾波器的S21曲線隨參數(shù)Ld調(diào)整的變化曲線

本設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器的中心頻率為6.85 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到110%，經(jīng)過HFSS優(yōu)化，最終的參數(shù)為p=3.4 mm，p=0.2 mm，p=0.1 mm，d=3.9 mm，d=0.4 mm，1=0.2 mm，0=1.2 mm。

優(yōu)化參數(shù)確定的21和11如圖5所示，通帶頻率分布在超寬帶3.1~10.6 GHz內(nèi)，插入損耗21小于0.5 dB，回波損耗11小于–16.5 dB。此外，該濾波器在通帶兩端各引入了一個(gè)衰減極點(diǎn)（在0.8 GHz達(dá)到–75 dB，在11.9 GHz處達(dá)到–40 dB），因此具有良好的帶外抑制及選擇特性。

同時(shí)，盡管該濾波器僅含有個(gè)短路枝節(jié)，但能在通帶內(nèi)產(chǎn)生（3–2）個(gè)反射極點(diǎn)。如圖5所示，=2，共產(chǎn)生了4個(gè)反射極點(diǎn)，而傳統(tǒng)的包含枝節(jié)短路線的短路截線濾波器僅能產(chǎn)生個(gè)反射極點(diǎn)[4]。要提高傳統(tǒng)短路截線帶通濾波器的插入損耗，只能通過增加濾波器的階數(shù)來引入更多的反射極點(diǎn)，這無疑增大了濾波器的尺寸。因此，本文提出的超寬帶濾波器在增強(qiáng)了濾波器通帶內(nèi)的插入損耗的同時(shí)保證了濾波器尺寸的小型化。

圖5 超寬帶帶通濾波器S參數(shù)曲線

2 具有陷波特性的超寬帶微帶帶通濾波器

為了抑制無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾，需要對(duì)章節(jié)1所提出的超寬帶帶通濾波器進(jìn)行陷波處理。獲得陷波特性的常用方法有：并聯(lián)開路短截線、蝕刻缺陷接地結(jié)構(gòu)（DGS）、耦合階梯阻抗諧振器（SIR）結(jié)構(gòu)等[8]。其中，添加并聯(lián)短截線的方法結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生的阻帶較窄，并且對(duì)原有電路的傳輸特性影響較小。因此，采用加載開路短截線的方法設(shè)計(jì)了一款阻帶在5.8~5.9 GHz處的帶通濾波器。

基于并聯(lián)開路短截線的陷波超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中開路線的總長度為，寬度為，為了不增加濾波器的尺寸，將開路短截線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成L形。從圖7和圖8看出，通過加載開路短截線可以在通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波功能，且陷波頻段受開路段短截線的長度與寬度控制。隨著開路短截線長度以及寬度的增大，陷波的頻段會(huì)向低頻段移動(dòng)，因此通過調(diào)整開路負(fù)載的長度可以方便地調(diào)整陷波頻帶。為對(duì)5.8~5.9 GHz頻段進(jìn)行陷波，其對(duì)應(yīng)的開路短截線的長度為5.5 mm，寬度為0.2 mm。

圖6 具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)

圖7 濾波器的S21曲線隨參數(shù)L調(diào)整的變化曲線

圖8 濾波器的S21曲線隨參數(shù)W調(diào)整的變化曲線

加入開路短截線的超寬帶帶通濾波器的參數(shù)如圖9所示，該濾波器的通帶范圍為3.1~10.6 GHz，陷波頻段為5.8~5.9 GHz，陷波的最大抑制達(dá)到了–49 dB。在3.1~4.9 GHz和6.4~10.6 GHz內(nèi)，插入損耗小于1 dB。邊帶抑制能力較強(qiáng)，在11.9 GHz處達(dá)到–40 dB的衰減。在兩個(gè)通帶范圍內(nèi)回波損耗較為理想，滿足了超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)要求。

圖9 具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器S參數(shù)曲線

3 結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)的短路截線帶通濾波器進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新型的超寬帶帶通濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，在不增加傳統(tǒng)短截線濾波器尺寸的條件下，實(shí)現(xiàn)了較寬的帶寬及較好的選擇性，在通帶范圍內(nèi)，插入損耗以及回波損耗均達(dá)到超寬帶濾波器的要求。在所設(shè)計(jì)的濾波器的結(jié)構(gòu)上添加適當(dāng)長寬的開路短截線，在5.8~5.9 GHz實(shí)現(xiàn)陷波功能，以抑制無線網(wǎng)絡(luò)的干擾。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)濾波器的傳輸性能進(jìn)行優(yōu)化仿真。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)不僅能夠確保通帶范圍覆蓋整個(gè)超寬帶頻段，而且能夠有針對(duì)性地抑制頻段內(nèi)的干擾頻率分量。

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[3] 郭香華, 賈寶富, 楊赤如. 四分之一波長短截線超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2008(S1):153-156.

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（編輯：曾革）

Design of ultra-wideband bandpass filter with notched band

DAI Qilin, MA Weiping, HOU Weiguo

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A microstrip bandpass filter with ultra-wideband passband was proposed. The structure of this filter is very simple. It is consist of only one parallel coupled line and two short-circuited stubs which are quarter wavelength long at the center frequency. The short-circuited stubs which are connected at the input/output ends of the parallel?coupled lines obtain one pair of transmission zeros on both sides of the passband and improve the selectivity of this filter. In order to inhibit the wireless local area network signal, the rejection band was introduced by adding a loaded stub resonator. Electromagnetic simulations was carried out. The filter has a pass band of 3.1–10.6 GHz, a insertion loss of less than 1 dB, and a notched band of –40 dB at 5.8–5.9 GHz.

short-circuited stubs; ultra-wideband; microstrip; parallel-coupled line; loaded stub; notched band

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.007

TN821

A

1001-2028（2016）11-0030-04

2016-08-08

戴琪林

戴琪林（1991－），女，江蘇南通人，研究生，主要研究方向?yàn)闉V波器、微波與射頻電路，E-mail: 13101895778@163.com 。

2016-10-28 14:04:40

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.008.html