一種微帶-槽線型寬邊耦合結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器設(shè)計

姬曉春，姬五勝，張志悅，童滎贇，戴 薇

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

隨著無線通信的發(fā)展，人們的通信需求已經(jīng)從最初的文件、語音及圖像的數(shù)據(jù)傳輸步入到網(wǎng)絡(luò)多媒體的高速數(shù)據(jù)流傳輸，與此同時，窄帶系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代無線通信發(fā)展的需求，寬帶及超寬帶（ultra wide band，UWB）發(fā)展已經(jīng)成為了一種必然趨勢[1]。對于一個寬帶濾波器的設(shè)計而言，大的帶寬必然需要電路的緊耦合來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的單層平面微帶電路中，大部分耦合形式屬于微帶線之間的弱耦合，對于寬帶電路的實現(xiàn)存在著一定的困難，同時還會帶來電路尺寸過大等問題[2]。文獻(xiàn)[3-4]提出了一款具有超寬帶特性的多模諧振器，雖然實現(xiàn)了電路的寬帶特性，但為了獲取電路緊耦合，使得2 條耦合微帶之間的距離只有0.05 mm，在電路制作工藝上存在著一定的困難。

相對而言，微帶-槽線型寬邊耦合傳輸線[5]由于其多層的電路結(jié)構(gòu)和上下層微帶間較大的耦合面積，在設(shè)計寬帶微波器件時具有較大的優(yōu)勢。基于此結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[6]提出了一種微帶-槽線型寬邊耦合結(jié)構(gòu)相移器，電路的上下層面上敷有一種橢圓貼片，中間層為橢圓形耦合槽；該相移器在3～11 GHz 的帶寬內(nèi)性能優(yōu)良。利用該微帶-槽線型寬邊耦合結(jié)構(gòu)分別設(shè)計了具有超寬帶特性的耦合器[7]、濾波器[8-10]及功率分配器[11-12]等。文獻(xiàn)[5]通過串聯(lián)多個橢圓微帶-槽線型耦合諧振器，增強電路耦合，提高電路分?jǐn)?shù)帶寬，實現(xiàn)了電路的寬帶特性。基于文獻(xiàn)[5]的設(shè)計思想，文獻(xiàn)[13]改進(jìn)了文獻(xiàn)[6-12]中的諧振器結(jié)構(gòu)，用一種彎曲T 型微帶貼片替換了[8]中的橢圓微帶貼片，并設(shè)計了一種具有陷波特性的UWB濾波器，該濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)在整個5～6 GHz 內(nèi)對WLAN 信號的屏蔽功能，體現(xiàn)出彎曲T型結(jié)構(gòu)獨特的器件性能。與橢圓微帶貼片相比，彎曲T 型微帶貼片構(gòu)成的微帶-槽線型寬邊耦合諧振器不僅可以實現(xiàn)陷波特性的UWB濾波器設(shè)計，而且?guī)?nèi)傳輸極點帶來的緊耦合使得電路寬帶性能更加優(yōu)越[13]。

本文基于文獻(xiàn)[13]，分析了單個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器的電路性能，并通過多個諧振器的串聯(lián)實現(xiàn)了一款UWB濾波器，同時分析了單個諧振器和多個諧振器級聯(lián)后帶內(nèi)傳輸極點的分布情況。傳輸極點的分布規(guī)律表現(xiàn)出了彎曲T 型優(yōu)良的緊耦合特性和寬帶特性。通過二端口級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析了諧振器單元之間的級聯(lián)特性、傳輸特性和寬帶性能，對影響濾波器性能的重要參數(shù)進(jìn)行了仿真和分析。

1 彎曲T 結(jié)構(gòu)微帶-槽線型諧振器設(shè)計

彎曲T 型微帶貼片是由一個大的半圓形微帶貼片除去2 個小的半圓形后形成2 個凹槽，然后與微帶線直接相連形成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：w1為微帶線的寬度，O 和Dm分別為大半圓形微帶貼片的圓心和直徑，Dm1為凹槽的直徑，且與Dm的關(guān)系為Dm1=（Dm-w1）/2。

圖1 彎曲T 型微帶貼片結(jié)構(gòu)

彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中Ds為中間層圓形耦合槽的直徑，上下2層介質(zhì)面上的彎曲T 型結(jié)構(gòu)尺寸一致且與耦合槽共同形成微帶-槽線型寬邊耦合結(jié)構(gòu)。h 為每一層介質(zhì)的厚度，L 為長度，W 為寬度，彎曲T 型微帶貼片和中間層耦合槽的圓心O 處在同一垂直方向上。電路分別以彎曲T 型微帶貼片作為諧振器的輸入端和輸出端，通過中間層耦合槽相互耦合。

圖2 彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結(jié)構(gòu)

對于一個諧振器單元而言，假設(shè)上下層微帶貼片之間的耦合系數(shù)為K，而彎曲T 型微帶貼片的邊緣是一個開路端，每個諧振器中輸入端反射系數(shù)S11與輸出端傳輸系數(shù)S21的計算公式為[5，8]：

式中：K 為上下層彎曲T 型微帶貼片之間的耦合系數(shù)；βef為耦合區(qū)電長度且βefl1=π/2；耦合區(qū)長度l1為中心頻率f0所對應(yīng)的λg/4 波長。

彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結(jié)構(gòu)的仿真S 參數(shù)如圖3所示。

圖3 彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結(jié)構(gòu)的仿真S 參數(shù)

參照圖1 和圖2 所對應(yīng)的參數(shù)關(guān)系且保證輸入端和輸出端微帶線為標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，取w1= 1.15 mm，Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，h1=h2=0.508 mm，電介質(zhì)層采用Rogers4003C 材料，介電常數(shù)εr=3.55，損耗角正切為δ=0.002 7。

圖3 中，單個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器的通帶中心頻率f0為5.2 GHz，通帶的上、下頻點分別為3.3 GHz 和7.1 GHz，可算得3 dB 分?jǐn)?shù)帶寬為73%；帶內(nèi)回波損耗S11優(yōu)于-12 dB，同時存在的2 個傳輸極點加強了電路耦合。

2 UWB濾波器設(shè)計及傳輸極點分析

2.1 多個彎曲T型諧振器級聯(lián)特性分析

當(dāng)多個耦合單元級聯(lián)時，電路結(jié)構(gòu)有一個特點：對于偶數(shù)個諧振器單元的組合，輸入和輸出端位于同一層，而對于奇數(shù)個諧振器單元，2 個端口位于不同層。本文以3 個諧振器單元的級聯(lián)結(jié)構(gòu)為例設(shè)計UWB濾波器。

3 個耦合單元UWB濾波器電路整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，上、下層彎曲T 型微帶結(jié)構(gòu)如圖5所示，中間層耦合槽結(jié)構(gòu)如圖6所示。在圖4-6 中，O1、O2和O3分別為諧振器耦合區(qū)圓心，相鄰耦合區(qū)圓心之間距離為d，Ds為耦合槽直徑。

2 個諧振器單元級聯(lián)時的信號流程如圖7所示，該流程圖可視為由3 個二端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成。

圖4 3 個耦合單元UWB濾波器電路整體結(jié)構(gòu)

圖5 上、下層彎曲T 型微帶結(jié)構(gòu)

圖6 中間層耦合槽結(jié)構(gòu)

圖7 2 個諧振器單元級聯(lián)時的信號流程

設(shè)連接2 個諧振器單元之間的微帶線長度為la，它與耦合區(qū)圓心之間的距離d 之間的關(guān)系為la=d-Ds。假設(shè)第j 個諧振單元和第i 個端口處的入射信號和反射信號分別為對于中間連接區(qū)域的微帶線而言，假設(shè)當(dāng)作為該區(qū)域入射信號傳輸時，引入相移常數(shù)其中，相位常數(shù)為中心頻率在介質(zhì)中對應(yīng)的波長。由微波網(wǎng)絡(luò)分析可知，網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端的回波損耗插入損耗則諧振單元之間S 參數(shù)表示為[8，13-15]：

假設(shè)諧振單元之間為理想匹配狀態(tài)，由于諧振器與級聯(lián)區(qū)域接相連，對于同一個直連端口而言

在2 個諧振單元之間的傳輸特性分析之上，可把式（3）和（4）推廣到n 個諧振器級聯(lián)的情況。第n 個諧振單元與前n-1 個耦合單元之間的S 參數(shù)可通過前n-1 個諧振單元級聯(lián)后的有效S 參數(shù)和第n 個諧振單元的輸出端有效S 參數(shù)來獲取，可得：

由以上分析可知，連接2 個諧振單元之間的微帶線長度la對于電路傳輸特性有著重要的影響，為了最佳的電路匹配，la的選擇非常關(guān)鍵，同時，為了使電路損耗最小和一些不必要的耦合出現(xiàn)，級聯(lián)區(qū)域的微帶線需保持50 Ω。根據(jù)d 值與la的關(guān)系，3 個諧振單元級聯(lián)后，la對電路S 參數(shù)的影響如圖8所示。參數(shù)分別取Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，w1=w2=1.15 mm。當(dāng)la分別為1.3 mm 和2.5 mm 時，通帶內(nèi)回波損耗S11和插入損耗S21非常差，而當(dāng)la值為3.7 mm 時，通帶內(nèi)插入損耗S21均在-2 dB 之內(nèi)，并且?guī)獾囊种颇芰σ驳玫搅烁纳啤?/p>

圖8 la 對電路S 參數(shù)的影響

2.2 UWB濾波器的實現(xiàn)

基于以上分析，利用圖4 中3 個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器級聯(lián)后實現(xiàn)UWB濾波器。考慮到帶內(nèi)插入損耗的平穩(wěn)和群時延等因素，取w1=1.15 mm，Dm= 4.5 mm，Ds= 6.1 mm，la= 3.3 mm，h1= h2=0.508 mm。UWB濾波器S 參數(shù)及群時延如圖9所示。

圖9 UWB濾波器S 參數(shù)及群時延

通帶中心頻率f0為7.1 GHz，通帶的上、下頻點分別為3.7 GHz 和10.5 GHz，可算得3 dB 分?jǐn)?shù)帶寬為96%；帶內(nèi)回波損耗S11小于-10 dB，其他頻段均優(yōu)于-15 dB，帶內(nèi)群時延變化范圍為0.22 ns。同時，帶內(nèi)存在6 個傳輸極點，加強了電路耦合。

2.3 帶內(nèi)傳輸極點分析

由式（5）、（6）可知，同一個電路中，不同數(shù)量的彎曲T 型諧振器級聯(lián)時，諧振器之間的最佳匹配由la決定。2 個諧振器單元級聯(lián)后S 參數(shù)及傳輸極點的分布情況如圖10所示。

圖10 2 個諧振器單元級聯(lián)后S 參數(shù)及傳輸極點的分布情況

保持其他參數(shù)與圖3 一致，考慮到諧振器之間的最佳匹配，la的取值在圖8 中為4.9 mm，帶內(nèi)存在4 個傳輸極點，其3 dB 分?jǐn)?shù)帶寬為87%。結(jié)合圖3 中單個諧振器與圖9 中3 個諧振器級聯(lián)后傳輸極點的分布情況與分?jǐn)?shù)帶寬，在電路滿足最佳匹配的條件下，可以總結(jié)如下規(guī)律：

（1）一個彎曲T 型諧振器可以在帶內(nèi)產(chǎn)生2 個傳輸極點，多個諧振器級聯(lián)后，當(dāng)la取值滿足最佳匹配的情況下，通帶內(nèi)傳輸極點個數(shù)與諧振器個數(shù)呈2倍關(guān)系。

（2）級聯(lián)的諧振器個數(shù)越多，傳輸極點越多，電路耦合越強，產(chǎn)生的電路帶寬越大。

3 結(jié) 語

本文通過一種彎曲T 型微帶貼片設(shè)計了一種微帶-槽線型寬邊耦合結(jié)構(gòu)諧振器，并通過多個諧振器串聯(lián)實現(xiàn)UWB濾波器的設(shè)計。通過級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析可知，微帶線長度la是多個諧振器級聯(lián)后電路性能的重要參數(shù)；在la滿足諧振器之間最佳匹配條件的時候，通帶內(nèi)傳輸極點呈現(xiàn)規(guī)律性分布，這有利于控制電路耦合程度與分?jǐn)?shù)帶寬。同時電路存在著對帶外信號的抑制能力不夠理想的問題，如單個諧振器和2 個諧振器串聯(lián)時，上阻帶帶外抑制還未達(dá)到-15 dB；3 個諧振器串聯(lián)后帶外抑制雖然得到了改善，但是同時帶來了電路尺寸過大等問題。對于多個彎曲T 型諧振器串聯(lián)后的電路，今后嘗試通過改變電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)電路小型化，并實現(xiàn)更好的帶外抑制特性。