三陷波微帶超寬帶濾波器設計

李國金，唐江勃，南敬昌

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

2002 年，美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)授權頻譜3.1～10.6 GHz 用于商業通信應用，這一舉措引導了超寬帶無線技術產品商業化的新發展[1-3]。超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)濾波器作為超寬帶系統中不可或缺的組成部分，近年來備受關注，最初應用在軍事領域，現在已被應用于多個領域。而在超寬帶區域，還有其他幾種窄帶無線電信號，如C 波段衛星通信信號(CSCS) (3.7～4.2 GHz)、無線局域網(WLAN)(5.725～5.825 GHz)、X 波段衛星通信信號(XSCS) (7.9～8.4 GHz)，這些現有的無線通信信號會對超寬帶用戶造成嚴重干擾[4-6]，因此需要設計具有多個陷波帶的超寬帶濾波器來抑制這些信號。

目前，有不少關于超寬帶濾波器的設計方法。在文獻[7]中，超寬帶濾波器是通過級聯低通濾波器和高通濾波器來實現的，以達到較寬的上阻帶帶寬。但該方法增加了器件的物理尺寸，不符合集成電路小型化的趨勢。通過設計多模諧振器(MultiMode Resonator，MMR)來實現超寬帶濾波器的頻帶是最常見的方法，由于其設計簡單、結構緊湊并且易于制造而變得非常流行。文獻[8]提出了MMR 的原始想法，并基于此概念，在文獻[9]中報道了一種超寬帶帶通濾波器，該結構使用兩極平行耦合線和三模MMR 實現了五個傳輸極點。文獻[10]基于文獻[9]的工作設計UWB 濾波器，并通過使用孔徑來改善諧振器和饋線之間的耦合。文獻[11]中的UWB 濾波器是通過加載有兩組短截線的環形諧振器來實現的，以產生5～6 GHz 的陷波頻帶，從而避免WLAN 信號。雖然該濾波器在UWB 頻段具有通帶，但它只有一個陷波頻帶，且陷波深度不足。文獻[12]引入了具有U 形缺陷地面結構(Defective Ground Structure，DGS)的嵌入式開路短截線，以在期望的頻帶中實現陷波特性。文獻[13]也利用4 個E 型缺陷接地結構，在不增加尺寸的同時改善了帶外抑制特性。

基于上述研究，本文提出了一種基于缺陷地面結構的超寬帶濾波器，通過設計新型多模諧振器來構建通帶和陷波帶。在此基礎上刻蝕三個T 型組合結構設計了一個新型DGS 結構，能夠形成一個新的陷波并改善濾波器性能。該結構不僅實現了三個陷波，并且陷波深度達到了-20 dB，在增加陷波數量的同時保證了基板的尺寸，經測試性能良好。

1 超寬帶濾波器理論

提出的超寬帶濾波器將MMR 和DGS 組合在一起，UWB 濾波器通過將MMR 與輸入輸出饋線耦合形成。該濾波器為對稱結構，用奇偶模分析法來分析[14]。圖1 所示為提出的MMR 模型，圖2 所示為奇模等效電路，圖3 所示為偶模等效電路。

圖1 MMR 結構Fig.1 The structure of the MMR

圖2 奇模等效結構Fig.2 Odd mode equivalent structure

圖3 偶模等效結構Fig.3 Even mode equivalent structure

當奇模諧振時，對稱面視為短路，此時，輸入導納可以表示為:

而偶模諧振時，對稱面視為開路，偶模等效電路模型輸入導納可視為:

K=Y3/Y1，Y1=Y2，Y3=Y4=Y5，θ1=θ2。當Yino=0時，奇模共振頻率可以簡化為:

當Yine=0，偶模共振頻率可以簡化為:

θ1=β1L1，θ2=β2L2，θ3=β3L3，θ4=β4L4，θ5=β5L5。式中:K為導納比;L為微帶線長度;θ為電長度;β為相位常數。由上述公式可以看出，奇偶模諧振頻率均與L1，L3相關。在弱耦合條件下進行仿真，并取前四個諧振頻率點f1，f2，f3，f4進行分析，從圖4 中可以看出，當L3從2.5 mm 增加到4 mm 時，f1，f4基本無變化，而f2，f3在一定范圍會有一個較大的下降幅度。圖5 表示的是隨著L1的增加四個頻率的變化曲線。從中能夠看出，隨著L1的增加，所有頻率有一個下降的趨勢，于是根據L1的變化來控制整個通帶的變化。因此，可以通過調整諧振器的物理參數來設計超寬帶濾波器。

圖4 L3 對諧振頻率的影響Fig.4 Influence of L3 on resonant frequency

圖5 L1 對諧振頻率的影響Fig.5 Influence of L1 on resonant frequency

2 DGS 設計

在超寬帶濾波器基礎上設計了一種新型DGS 結構。DGS 是通過在金屬接地底部刻蝕缺陷圖形形成的，該結構通過刻蝕三個T 型圖案設計而成。通過調整使其能夠在8 GHz 處形成一個新的陷波，同時改善濾波器性能。圖6 和圖7 分別給出了超寬帶濾波器結構圖和DGS 的結構圖。

圖6 超寬帶濾波器結構Fig.6 Ultra-wideband filter structure

圖7 DGS 結構Fig.7 Structure of DGS

利用HFSS 15.0 對所設計的缺陷結構進行仿真，L6對陷波頻率的影響如圖8 所示，可以看出，當L6從0.2 mm 增加到0.6 mm 時，第一個陷波頻率從7.7 GHz 偏移到8.3 GHz，第二個陷波頻率基本不變。L7對陷波頻率的影響如圖9 所示，可以看出，當L7從4.1 mm 增加到4.5 mm 時，第一個陷波頻率基本沒有變化，第二個陷波頻率則逐漸向低頻方向發生偏移，從11.7 GHz 到10.9 GHz。

圖8 L6 對陷波頻率的影響Fig.8 Influence of L6 on notch frequency

圖9 L7 對陷波頻率的影響Fig.9 Influence of L7 on notch frequency

3 仿真結果與實測

超寬帶濾波器采用了介質基板Rogers RT/duroid 6010/6010 LM，基板厚度為1.27 mm，相對介電常數為10.2，微帶線厚度為0.035 mm。在加入DGS 結構后，濾波器性能會發生變化。優化后的超寬帶濾波器最終尺寸如表1 所示。最終仿真結果如圖10 所示。仿真結果表明，該超寬帶濾波器的通頻帶為2.8～10.6 GHz，中心頻率為6.7 GHz，通帶內波紋較小，其插入損耗小于1 dB。而回波損耗大于12 dB，在3.8，5.9和8.2 GHz 三個位置形成三個陷波，且深度均達到-20 dB。同時，介質背面DGS 采用銅介質，最終的基板尺寸18.4 mm×9 mm。

表1 濾波器尺寸參數 Tab.1 Filter size parameters mm

圖10 三陷波超寬帶濾波器S 參數曲線圖Fig.10 S-parameter curves of triple-notch ultra-wideband filter

圖11 是所制作的濾波器實物圖，使用矢量網絡分析儀Agilent N5247A 對其進行測試。仿真結果與實測S參數如圖12 所示，實測結果與仿真基本一致。

圖11 超寬帶濾波器實物圖Fig.11 Physical view of the ultra-wideband filter

圖12 仿真結果與實測S 參數Fig.12 Simulation and measured S-parameters

與其他具有相同陷波個數的超寬帶濾波器相比，本文設計的濾波器具有更深的陷波和相對較小的電路尺寸，比較結果如表2 所示。

表2 提出的超寬帶性能比較Tab.2 Comparison of the proposed ultra-wideband performances

4 結論

本文設計了一個基于DGS 的微帶超寬帶濾波器，首先設計一個MMR 結構來產生通帶和兩個陷波帶。并通過奇偶模分析法進行分析，證明了該結構的可實現性。在此基礎上刻蝕了一個新型的缺陷地面結構，通過HFSS 15.0 分析該結構的陷波特性，結果表明，該結構能在8 GHz 處形成陷波并改善濾波器的性能。最后通過仿真制作證明該濾波器性能良好，并且能夠在三個陷波處形成20 dB 的衰減。有效地抑制了CSCS、WLAN、XSCS 等信號對超寬帶頻段的影響，適用于現代電路的集成。