具有陷波特性的超寬帶濾波器設(shè)計

李泳 冒東星 程勇 毛金燕

摘? 要：在現(xiàn)代無線通信高速發(fā)展的背景下，超寬帶無線技術(shù)以其優(yōu)異的性能成為了全世界的研究熱點。超寬帶濾波器是超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能將直接對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。本文提出了一種基于微帶/共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的超寬帶帶通濾波器，并通過嵌入λ/4開路支節(jié)實現(xiàn)了在5.8GHz處的陷波特性，可以有效地濾除WLAN信號。實測濾波器的結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證了設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞：超寬帶? 帶通濾波器? 共面波導(dǎo)? 陷波

中圖分類號：TN713 .5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（b）-0096-05

Design of Ultra Wideband Filter with Notch Characteristics

LI Yong1? MAO Dongxing2? CHENG Yong2? MAO Jinyan3

（1.Yun Micro Electronics Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230088 China;2.College of Electronic and Optical Engineering & College of Microelectronics，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing， Jiangsu Province， 210003 China ;3. Hangzhou Branch of China Mobile Group Zhejiang Co.，Ltd. ， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China）

Abstract： In the context of the rapid development of modern wireless communications， ultra wideband wireless technology has become a research hotspot in the world due to its excellent performance. The UWB filter is an important part of the UWB communication system， and its performance will directly have a significant impact on the entire system. This paper proposes an UWB filter based on a microstrip/coplanar waveguide structure， and realizes the notch characteristics at 5.8GHz by embedding λ/4 open-circuit branches， which can effectively filter WLAN signals. The results of the measured filter are basically consistent with the simulation results， verifying the effectiveness of the design.

Key Words： Ultra wideband （UWB）; Bandpass filter （BPF）; Coplanar-waveguide （CPW）; Notched band

1? 引言

超寬帶通信系統(tǒng)與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的兼容性是整個UWB系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[1]。比如，超寬帶與WLAN系統(tǒng)在5.8GHz處共用一個窄帶范圍。理論上，超寬帶系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)可以很好的兼容其他無線通信系統(tǒng)，因為它的發(fā)射功率譜密度很低。但在實際通信系統(tǒng)應(yīng)用中，這種兼容性還需要實驗證明。

此外，UWB系統(tǒng)也存在帶外干擾問題。當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)有大量超寬帶設(shè)備時，會產(chǎn)生大量的疊加干擾。來自其他無線通訊系統(tǒng)的信號，也會對超寬頻系統(tǒng)造成帶內(nèi)干擾。超寬帶設(shè)備很低的發(fā)射功率譜密度使其極易受到噪聲和干擾的影響。其中，窄帶無線系統(tǒng)引起的阻塞干擾是不容忽視的關(guān)鍵問題。這些干擾問題極大地限制了民用超寬帶技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器被設(shè)計用來濾除這些重疊頻率。

具有陷波特性的濾波器也可用于構(gòu)造雙頻帶[2]或多頻帶濾波器[3]。國內(nèi)外研究人員已經(jīng)研制了多種帶陷波特性的超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)，其中，陷波特性的實現(xiàn)方法主要有：雙模諧振器[4-7]、并聯(lián)諧振器[8]、接λ/4開路支節(jié)[9]、雙陷波帶[10]、E型微帶線結(jié)構(gòu)[11]、以及新型材料[12]等，這些濾波器都能很好地在滿足超寬帶系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)陷波特性。

2? 陷波特性分析

根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，當(dāng)微波電路連接到開路支節(jié)、短路枝節(jié)或純電抗元件時，在特定頻率會發(fā)生全反射，從而實現(xiàn)陷波特性。在連接多個長度不等的支節(jié)線的結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)多陷波特性。

但由于純電抗元件在實際中難以構(gòu)造，通常設(shè)計λ/4開路支節(jié)或λ/2短路支節(jié)來實現(xiàn)陷波特性。不過，由于λ/2短路支節(jié)尺寸相對較大，需要打接地孔來實現(xiàn)短路，加工復(fù)雜，誤差較大，所以實際工程中最常用λ/4開路支節(jié)。

本文通過設(shè)計λ/4開路支節(jié)實現(xiàn)陷波特性。陷波特性就是諧振，基本參數(shù)是支節(jié)的長度和諧振頻率。確定需要濾除的頻率f0后，波長由公式λ=c/f0求得，確定λ/4開路支節(jié)的長度。

3? 具有陷波特性的超寬帶濾波器設(shè)計

本文設(shè)計了一個嵌入式λ/4開路支節(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了濾波器的陷波特性。結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中黑色部分為金屬。

圖1中各參數(shù)值如下：L1=8.5mm，g=0.1mm。仿真結(jié)果如圖2所示，本結(jié)構(gòu)在5.8GHz處實現(xiàn)了陷波特性。通過改變L1的值得到仿真對比結(jié)果圖3，可知當(dāng)L1取值的減小，陷波中心頻率增大，可知陷波頻段的中心頻率與開路支節(jié)長度成反比。另外，當(dāng)w8=8.5mm時，約為0.30λg，略大于0.25λg的理論值。這種誤差出現(xiàn)的原因可能是實際電路并非理想狀態(tài)，存在損耗。因此本設(shè)計選擇略大于四分之一波長的開路支節(jié)。由于陷波中心頻率處的衰減只有7.6dB，效果較差。參照級聯(lián)濾波器設(shè)計方法，在此設(shè)計中級聯(lián)兩個相同的λ/4開路支節(jié)，將此結(jié)構(gòu)與UWB濾波器結(jié)合，得到圖4所示的電路，L1=5.5mm。

仿真的S參數(shù)結(jié)果如圖5所示。此濾波器在5.8GHz處出現(xiàn)陷波特性，-3dB帶寬2.8～10.6GHz，通帶內(nèi)反射損耗大于10dB，插損小于1dB，群時延小于0.7ns。

加工此濾波器后得到實物，如圖6所示。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，實測和仿真響應(yīng)曲線如圖7所示。

從圖7（a）可以看出，測得與仿真的S參基本相符，陷波特性均出現(xiàn)在5.8GHz。此外，實測的-3dB低頻截止頻率為2.7GHz，與仿真的2.8GHz相比有輕微頻偏。同時，2.7～5.5GHz頻段具有良好的帶內(nèi)性能，插損小于1dB，反射損耗大于15dB。然而，在6.1～10.0GHz頻段，性能變差，帶內(nèi)極點數(shù)與仿真結(jié)果相比發(fā)生變化，A處的兩個極點變?yōu)?個，B處的兩個極點變成了一個。這些誤差可能是介質(zhì)板材料不均勻，加工精度不夠等原因造成的。此外，實測所得高頻帶外抑制性能優(yōu)于仿真結(jié)果。10～14GHz頻段實測帶外抑制大于18dB，而仿真結(jié)果在12GHz處出現(xiàn)突變。

如圖7（b）所示，群時延平坦，除陷波頻段外，仿真與測試結(jié)果在通帶內(nèi)基本一致，均小于0.7ns，而群時延在陷波頻段處，位置相同，符號相反，實測小于零，仿真大于零。

4? 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計的超寬帶濾波器在5.8GHz處具有陷波特性，中心頻率f0為6.35GHz，通帶范圍2.7～10.0GHz，相對帶寬為115%，實物尺寸為48mm×10mm，約為1.87λg×0.39λg。

本文主要優(yōu)化了微帶/共面波導(dǎo)超寬帶濾波器的性能，設(shè)計的兩款UWB濾波器群時延平坦。此外，通過設(shè)計T型缺陷地結(jié)構(gòu)，增強了帶外抑制性能，設(shè)計λ/4開路支節(jié)，使得此濾波器在5.8GHz處具有陷波特性，可有效濾除WLAN頻段信號。

參考文獻

[1] 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[J].微波學(xué)報，2008（S1）：153-156.

[2] P. Wen， Z. Ma， H. Liu， et al.， Dual-band filtering power divider using dual-resonance resonators with ultrawide stopband and good isolation [J].IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.， vol. 29， no. 2， pp. 101-103， Feb. 2019.

[3] J. Xu， H. Wan， J. Ding and Y. Zhu Miniaturised tri-band lowpass–bandpass filter using lumped-element structure [J].Electron. Lett.， vol. 55， no. 5， pp. 272-274， 2019.

[4] D Jhariya，AR Azad，A Mohan.Compact UWB bandpass filter with notched band using multiple-mode resonator.[C].Applied Electromagnetics Conference，2016：1-2.

[5] Wong SW， Deng F， Li ES. Single-/dual-band triple-mode cavity filters with wide tunable frequency range [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 1， Jan. 2019， pp. 96-100.

[6] Mahan A， Pourjafari SM， Tayarani M， Mahani MS. A novel compact dual-mode SIW filter with wide rejection band and selective response [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 3， Mar. 2019， pp. 573-7.

[7] Chu P， Wu K Balanced dual-mode SIW filter [J].Electron Lett， V. 55， No. 4， Feb 21. 2019， pp. 208-9.

[8] XY Zhang，YW Zhang，Q Xue.et al.CompactBand-Notched UWB Filter Using Parallel Resonators With a Dielectric Overlay [J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2013，23 （5）：252-254.

[9] X Li，X Ji.Novel Compact UWB Bandpass Filters Design With Cross-Coupling Between λ/4 Short-Circuited Stubs[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2014，24 （1） ：23-25.

[10] H Liu，Z Xu，B Wu，et al.Compact HMSIW UWB bandpass filter using DGS and EBGtechnology with two notched-band[J].International Workshop on Microwave & Millimeter Wave Circuits & System Technology，2013：225-228.

[11] Hammed R T，Syahkal D M.Multiple band rejection notches in miniaturized UWB fifth order filter using E-shape microstrip structures[C].2013 IEEE Radio and Wireless Symposium，20-23 Jan.2013：271-273.

[12] Ali A， Hu Zhi-Run.Metamaterial resonatorbased wave propagation notch for ultrawideband filteapplications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7： 210-212.