基于加載諧振器的陷波超寬帶濾波器的設計

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計

南敬昌，王 穎

（遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105）

采用加載諧振器結構，設計了一款在8 GHz處具有陷波特性的超寬帶濾波器，有效地避免了X波段衛星通信系統（7.9~8.395 GHz）的連續波對超寬帶通信系統的干擾。在三模諧振器的基礎上加載中心加載諧振器，通過調整加載諧振器的參數對陷波頻率進行調控，使得濾波器在超寬帶范圍內產生陷波。利用HFSS進行仿真后結果表明，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，通帶范圍內插入損耗在0.9 dB左右，帶外衰減十分陡峭。其陷波中心頻率發生在8.19 GHz，在陷波頻段（7.98~8.40 GHz）范圍內最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現優良。實際測試結果與仿真結果基本一致，性能指標能夠達到設計要求。

多模諧振器；陷波；超寬帶；濾波器；頻率；插入損耗

隨著通信行業的迅猛發展，超寬帶（UWB）系統以其結構簡單、成本低、功耗小、數據傳輸率高、安全性高等優點在通信領域中得到越來越廣泛的應用。超寬帶微波濾波器在超寬帶系統中承擔信號選擇的重任，對系統的整體性能有著重大影響。根據美國聯邦通信委員會（FCC）的定義，超寬帶系統的頻率范圍為3.1~10.6 GHz，這其中也有一部分應用于現代無線通信系統中的窄帶頻段，因此在設計超寬帶濾波器時也應考慮如何避免與現有通信系統之間的干擾問題[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構和形式。高低通濾波器級聯是實現UWB濾波器較為簡單易行的技術[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聯的方式設計濾波器，但此種方法很難滿足當前濾波器小型化的需求。四分之一波長短路枝節線濾波器設計方法也是實現UWB濾波器的一種形式。其結構由/4的短路枝節和半波長連接線構成[6-8]。文獻[9]中，四分之一波長短接線被階梯阻抗開路枝節代替，提升了濾波器的帶外性能。但是其中枝節導納的改變會嚴重影響濾波器的相對帶寬。混合微帶共面波導法是近年來設計UWB濾波器的常用方法，該方法利用微帶饋線結構，同時引入源負載耦合，在高低阻帶均產生了傳輸零點，使得阻帶十分陡峭[10-12]。多模諧振器結構最早由Zhu等[13-15]提出，并提出將階梯阻抗多模諧振器應用于超寬帶濾波器中。多模諧振器結構是到現在為止最適合高性能、小體積UWB濾波器的設計方法。

本文主要針對如何避免通信系統信號之間的相互干擾和沖突這一問題進行研究，在文獻[16]中，Menzel等創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有系統的頻段沖突，并可根據需要來調整陷波頻率。陷波濾波器的設計方法主要分為三種，第一種為開路枝節法，第二種為非對稱耦合線法，第三種為加載諧振器法。其中加載諧振器法以其結構清晰、易于實現、陷波可調自由度高且整體性能表現良好等優勢，逐漸成為設計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，達到引入傳輸零點的目的。本文據此創新性地設計了一款在8.19 GHz處能夠產生陷波的超寬帶濾波器，該濾波器能夠有效避免X波段衛星通信系統的連續波對超寬帶通信系統的干擾。采用加載多模諧振器的方法進行設計，并利用HFSS進行仿真后結果表明，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，其陷波中心頻率發生在8.19 GHz，陷波頻段7.98~8.40 GHz范圍內最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現優良。

1 設計原理

本文設計了一種采用加載多模諧振器結構、在8 GHz處具有陷波特性的超寬帶濾波器。其結構示意圖如圖1所示，首先在三模諧振器的基礎上，通過從諧振器的兩側引出兩個開路枝節再加以平行耦合，使其增進為交指耦合線，獲得更強的耦合來提升UWB通帶的帶內性能。然后在原諧振器基礎上加載中心加載諧振器，通過調整加載諧振器參數調控陷波頻率，使得濾波器在超寬帶范圍內產生陷波、避免X波段衛星通信系統（7.9~8.395 GHz）連續波對超寬帶通信系統的干擾。

圖1 超寬帶帶通濾波器結構

本文設計的超寬帶濾波器采用的介質基片的相對介電常數為2.2，介質基板的厚度為3.0 mm。1為耦合線的長度，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表達式為

式中：r代表相對介電常數；代表介質基片厚度；代表耦合線的寬度。將各參數代入計算可得e1的值為1.67。1的計算公式為

(2)

式中：p代表相波長；e代表頻率；代表自由空間光速。計算可得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

諧振器的長度為

(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，對本節設計的濾波器模型進行仿真驗證，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整而變化的散射參數響應曲線。通過調節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，用HFSS仿真之后的結果。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，不容易實現。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。也可以通過調整諧振器的長度6來調節通帶寬度以及陷波特性。同樣，保持枝節1~5和寬度不變，對枝節6分別取1.5，2.0，2.5 mm時，對超寬帶陷波處的傳輸特性進行觀察。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移動到8.45 GHz，可以較好地在超寬帶范圍內實現陷波調節的要求。如果為了追求濾波器體積的小型化而對6取值過小，很有可能會造成帶內衰減過大，影響其整體性能。所以本設計選取6的最終參數值為2.5 mm。

圖3 加載諧振器參數W3變化對陷波頻率的影響

在選擇結構中枝節的尺寸參數時，既要保證所設計陷波頻段的阻帶帶寬有較高的衰減量，同時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。經多次結構參數的調整和優化，最終的具體尺寸參數如表1所示。從而得到該濾波器的參數仿真曲線如圖5所示。虛線代表11，實線代表21。可以觀察到，該超寬帶濾波器的通帶在2.5~10.3 GHz，通帶范圍內插損在0.9 dB左右，高低阻帶外抑制良好。其陷波中心頻率發生在8.19 GHz，深度達到–17.4 dB，陷波頻段7.98~8.40 GHz范圍內最小插入損耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整體性能表現優良。通帶內的回波損耗小于–15 dB，插入損耗優于–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 超寬帶濾波器結構中的參數

Tab.1 Parameters of the ultra wideband filter structure

圖5 S參數仿真結果

圖6給出了所設計濾波器的群時延特性曲線。從圖中可以看出，在通帶范圍的內群時延遠遠低于0.5 ns，在通帶內陷波中心頻率8.19 GHz處群時延急劇增大，這些群時延特性和傳輸特性曲線反應相同，說明所設計的濾波器是合格的超寬帶濾波器。該款濾波器實物圖如圖7所示。圖8為測試結果，與仿真結果有細微差別，主要是因為仿真精度、測試環境及硬件隨機性等因素產生的誤差。但需要補充的不足之處在于，當改變加載諧振器的參數獲取陷波效果時，原超寬帶通帶范圍受到影響也會隨之變化。也就是說，當加載的加載諧振器與原多模諧振器共同作用的時候，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度或寬度，勢必也會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立性方面還需要進一步研究和優化。

圖6 超寬帶帶通濾波器的群時延

圖8 測試結果和仿真結果對比

3 結論

采用加載多模諧振器的方法設計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對該超寬帶濾波器進行建模，優化仿真。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，整體性能表現優良。這款超寬帶濾波器結構緊湊，且滿足尺寸小型化的要求，可避免X波段衛星通信系統（7.9~8.395 GHZ）連續波對超寬帶通信系統的干擾。

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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

國家自然科學基金資助項目（No. 61372058）；遼寧省高校重點實驗室資助項目（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、通信系統與仿真的研究，E-mail: 1379483777@qq.com ；王穎（1993－），女，遼寧大連人，研究生，研究方向為射頻無源器件，E-mail: 1379483777@qq.com 。

網絡出版時間：2017-02-14 15:13:47

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