一種結構緊湊的超寬帶帶通濾波器

高山山, 廖先莉， 喬惠民

(成都大學 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

超寬帶技術是一種新型無線通信技術，與傳統無線技術相比，具有發射信號功率譜密度低、信號隱蔽性好、安全性高及難以被檢測等優點，近年來受到了越來越多的關注[1-6].帶通濾波器在超寬帶無線通信系統中具有選擇信號的重要作用，如何設計出結構緊湊且性能優良的超寬帶帶通濾波器已成為當前超寬帶濾波器研究的熱點和難點之一[7-15].目前，超寬帶帶通濾波器設計中存在的主要難點包括：如何實現超寬帶的通帶帶寬范圍，如何減小通帶內的插入損耗以及如何保證良好的帶外抑制特性等[16-20].針對這些難點，本研究提出了一種帶加載的環形諧振器，在此基礎上設計出一種結構緊湊的超寬帶帶通濾波器，并利用ADS仿真軟件對所設計的超寬帶帶通濾波器進行仿真計算.仿真結果表明，該濾波器結構緊湊，具有優良的通帶特性和帶外抑制特性.

1 超寬帶帶通濾波器研究

本研究所設計的帶加載的環形諧振器結構如圖1所示.

從圖1可知，該環形諧振器的左右兩側分別加載有一組高阻抗線，在內部加載有平行耦合線，且在左右兩側的每一根高阻抗線上分別加載有一開路支節.該環形諧振器具有多諧振點的特性，通過調節其物理尺寸，可以將多個諧振點放置在超寬帶的通帶范圍內，從而實現超寬帶的通帶帶寬.

圖1帶加載的環形諧振器

基于上述帶加載的環形諧振器，本研究設計了一種結構緊湊的超寬帶帶通濾波器，其結構如圖2所示.

圖2超寬帶帶通濾波器

從圖2可知，帶加載的環形諧振器的兩側采用了交指狀的饋線結構，從而實現與環形諧振器之間的強耦合.當環形諧振器只加載在其左右兩側的高阻抗線時，可實現超寬帶的通帶帶寬.

1)在w1=0.1 mm、w2=1.4 mm、w3=0.1 mm、l1=5.4 mm、l2=2 mm、l3=4.7 mm、d1=0.2 mm的物理尺寸下，對該濾波器進行了仿真計算，仿真結果如圖3所示.

圖3超寬帶帶通濾波器的仿真計算結果

從圖3可知， 該濾波器雖然具有超寬帶的通帶帶寬特性，但通帶性能較差，通帶內的插入損耗較大，帶外13.99 GHz處雖然有一個傳輸零點，但在13.81 GHz處有諧波，帶外特性也不理想.

為了進一步改善該濾波器的通帶性能，在環形諧振器的內部加載如圖1所示的平行耦合線，通過此加載方式，可以有效改善該濾波器的通帶性能.

2)在w1=0.1 mm、w2=1.4 mm、w3=0.1 mm、w4=0.1 mm、l1=5.4 mm、l2=2 mm、l3=4.7 mm、d1=0.2 mm的物理尺寸下，對該濾波器進行了仿真計算，仿真結果如圖4所示.圖4給出了該濾波器在環形諧振器內部加載和不帶加載平行耦合線等2種情況下的仿真結果.

圖4 環形諧振器內部帶加載與不帶加載情況的仿真計算結果

從圖4可知，當在環形諧振器的內部加載平行耦合線時，該濾波器的通帶性能明顯得到改善，通帶內最小的插入系數由-1.85 dB改善到-0.73 dB，帶外諧波的位置向高頻方向移動，由13.81 GHz移動到14.29 GHz.由此可見，通過在環形諧振器的內部加載平行耦合線，該濾波器的通帶特性以及帶外特性都明顯得到了改善.

同時，為了抑制該濾波器在高頻段的諧波，在環形諧振器左右兩側的每根高阻抗線上分別加載開路支節(見圖1)，通過此加載方式，能有效改善該濾波器的帶外特性，抑制高頻段的諧波.

2 仿真結果分析

本研究設計的超寬帶帶通濾波器的具體尺寸為：w1=0.1 mm,w2=1.4 mm,w3=0.1 mm,w4=0.1 mm,w5=0.1 mm,l1=5.4 mm,l2=2 mm,l3=4.7 mm,l4=0.6 mm,d1=0.2 mm,d2=0.3 mm.

本研究采用ADS仿真軟件對所設計的超寬帶帶通濾波器進行了仿真計算.仿真計算中，介質的介電常數為9.6，厚度為0.8 mm.仿真計算得到的結果如圖5所示.

圖5基于帶加載環形諧振器的超寬帶帶通濾波器的仿真結果

從圖5可知，該超寬帶帶通濾波器的3 dB帶寬范圍為3.57～9.43 GHz，相對帶寬為90.2%，通帶內反射系數較低，具有優良的通帶特性.此外，高頻帶的諧波被抑制，在13.86 GHz處有一傳輸零點，有效保證了該濾波器的帶外特性.

3 結 語

本研究提出了一種帶加載的環形諧振器，并在此基礎上設計了一種結構緊湊的超寬帶帶通濾波器.電磁仿真結果表明，該濾波器不僅具有優良的通帶特性，而且還具有良好的帶外抑制特性.