一種緊湊型低成本雙陷波超寬帶帶通濾波器*

覃 鳳，雷久淮

(1.廣東理工學院電氣與電子工程學院，廣東 肇慶 526100；2.廣東省科學院電子電器研究所，廣東 廣州 510400)

超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)設備主要應用于室內環境下的短距離通信系統，其工作頻譜為3.1 GHz～10.6 GHz，且嚴格遵守由聯邦通信委員會[1-2](Federal Communications Commission，FCC)定義的功率輻射限制(-41.3 dBm/MHz)。該頻譜也是其他高功率射頻源的工作范圍，如無線局域網、C 波段、X 波段等，通常會對UWB 系統產生干擾。因此，具有較大通帶外抑制的小體積、低成本UWB 濾波器的市場需求量正在快速增加。

為了使這些UWB 設備能夠無干擾運行，研究人員設計并開發了集成多個阻帶特性的UWB 帶通濾波器[3]。而雙陷波UWB 濾波器在頻譜資源的利用率和頻段的兼容性方面的優勢，使之成為近年來的研究熱點。Mohammadi 等[4]采用基于波對消原理的短截線，設計了一種雙頻陷波UWB 帶通濾波器。Ghazali 等[5]提出并實現了一種基于微帶/共面波導(Coplanar Waveguide，CPW)過渡寬邊耦合的雙陷波UWB 帶通濾波器。Nouri 等[6]提出了一種基于階梯阻抗諧振器的雙陷波緊湊型UWB 帶通濾波器。實際工程應用中雙陷波UWB 濾波器的陷波頻率必須處于3.1 GHz～10.6 GHz 的范圍，以便滿足FCC 的通帶要求，此外帶寬越大越好。然而上述研究成果雖然均能滿足這些要求，但是大多數是在高成本電介質上開發的，具有較大的電路尺寸，并且缺少傳輸零點(無法實現較大的通帶外抑制)，導致無法實現UWB 帶通濾波器的小型化。

因此，本文設計了一種緊湊型低成本雙陷波UWB 帶通濾波器，該濾波器采“面對面”式過渡技術，在基板兩側采用微帶和短路蝶形共面波導[7-9]。此外，折疊開口環式諧振器被添加到該UWB 帶通濾波器中，以便在通帶內實現雙傳輸零點并避開干擾。提出的帶通濾波器是在相對介電常數εr為4.4、厚度為0.8 mm、損耗角正切為0.002 3的低成本基板(FR4)上開發的。利用全波電磁場仿真軟件IE3D 進行了設計和仿真。最后，對該濾波器原型樣機的實測數據進行了驗證，并與預測結果進行了分析比較。

1 基本UWB 帶通濾波器設計

所提出UWB 帶通濾波器的布局如圖1 所示。

圖1 所提UWB 帶通濾波器的布局

可以看到，接地由一個蝶形的短路CPW 組成，而頂部平面有兩個“面對面”對齊的微帶。微帶和CPW 由電介質隔開。調整短路階梯阻抗諧振器[10-11](Stepped Impedance Resonators，SIR)的阻抗比以將其諧振模式置于UWB 頻譜內，同時探索和利用面對面過渡的寬帶特性，以產生所需的具有通帶內外多個傳輸零點的UWB。

本文首先設計CPW，然后優化其與微帶線的耦合。不同阻抗比時弱耦合的頻率特性如圖2 所示。

圖2 不同阻抗比時弱耦合的頻率特性

圖2 中還顯示了所提基本帶通濾波器(無折疊開口環式諧振器)的接地板視圖，具有中間窄、外部寬的短路CPW。中段和端段的阻抗分別為Z1和Z2，電長度分別為2θ1和θ2。這種短路CPW 在弱耦合條件下的諧振模式[12-14]，是阻抗比K＝Z1/Z2的函數。可以觀察到，隨著K的減小，最低諧振模式(f0)的值左移，而較高諧振模式(f1，f2)保持不變。阻抗Z2通過加寬其槽而增加，最終呈蝶形。在本研究中，考慮Z1＝84 Ω，2θ1＝85.67°，Z2＝154.43 Ω，θ2＝42.86°。

在三種諧振模式的公式分析中，左短端的輸入阻抗Zin可表示為:

在帶通濾波器設計中，截面長度取為θ2(42.86°)≈θ1(42.83°)。由共振條件Zin＝0 可得出:

通過封閉求解，可以獲得最低的共振頻率f0、f1和f2。

2 雙陷波優化設計

為進一步實現UWB 頻譜，需要恰當地選擇CPW 中心/末端部分的槽寬和條帶寬度，以便在通帶的較低、中心和較高端分配這三個最低的諧振頻率。CPW 的優化設計主要是通過增強其與頂部微帶線的耦合，產生具有良好插入/回波損耗的通帶，并在通帶邊緣產生兩個傳輸零點，以增強濾波器的選擇性[15]。這可以通過優化微帶線的長度(P＝6.9 mm)和寬度(t0＝0.35 mm)來實現，以便開發一種準橢圓WUB 帶通濾波器，其中兩個傳輸零點位于1.55 GHz 和11.1 GHz。

兩個傳輸零點在2.9 GHz～10.75 GHz 的通帶內產生的衰減分別大于40 dB/GHz 和46 dB/GHz，插入損耗和回波損耗分別大于0.16 dB 和23 dB。基本UWB 帶通濾波器的仿真頻率特性如圖3 所示。

圖3 基本UWB 帶通濾波器的仿真頻率特性

使用靠近饋線和短截線交界處的折疊開口環式諧振器，在UWB 頻譜中引入了多個陷波帶。不同尺寸時折疊開口環式諧振器的仿真S參數如圖4所示。

圖4 不同尺寸時折疊開口環式諧振器的仿真S 參數

從圖4 中可以看出，折疊開口環式諧振器利用其基頻在通帶內產生陷波，而其高階諧波會衰減阻帶。本文在濾波器的輸入側嵌入了兩個折疊開口環式諧振器，以在6.1 GHz 和13 GHz 處設置陷波，而在輸出端集成的兩個折疊開口環式諧振器分別在8 GHz和14.3 GHz 處產生阻帶。在基頻陷波頻率下，折疊開口環式諧振器的長度大約是四分之一波長[16]。所提濾波器中的電流分布如圖5 所示。

圖5 所提濾波器中的電流分布

如圖5 所示，折疊開口環式諧振器的電流濃度很高(反映了其與帶通濾波器的強耦合)，這與饋線和短截線中的電流異相。這種異相現象，也被稱為波對消技術，用于在感興趣的頻率上開發傳輸零點。雙陷波UWB 帶通濾波器的仿真頻率響應如圖6所示。

圖6 雙陷波UWB 帶通濾波器的仿真頻率響應

優化后的尺寸為:W＝16 mm，L＝21.2 mm，u1＝6.84 mm，v1＝1.0 mm，u2＝4.14 mm，v2＝1.49 mm，s＝0.645 mm，ls＝2.573 mm，ws＝1.14 mm，x＝4.14 mm，y＝2.53 mm，r＝5.1 mm，t0＝0.35 mm，w0＝1.49 mm，g＝1.14 mm，g1＝0.2 mm，g2＝0.3 mm，P＝6.9 mm，lFSRR1＝13.73 mm，lFSRR2＝10.53 mm，H＝6.65 mm，G＝6.14 mm。

所提出的雙陷波UWB 帶通濾波器的集總等效電路模型如圖7 所示。電路仿真和全波電磁仿真的頻率響應比較如圖8 所示。

圖7 所提帶通濾波器的集總等效電路模型

圖8 電路仿真和全波電磁仿真的頻率響應比較

從圖7 可以觀察到，饋線由元件L2表示，而附連到饋線的短截線由L1、C1的并聯組合表示。短截線之間的耦合由C0表示。此外，短截線通過C7與CPW 電容耦合。L5、C5和C6的儲能電路構成了短路CPW。折疊開口環式諧振器分別由L4、C4和L3、C3的并聯組合來表示，并通過C8耦合到短截線/CPW。優化的集總參數為:L1＝3 nH，L2＝1.17 nH，L3＝1.338 nH，L4＝1.01 nH，L5＝0.734 nH，以及C0＝0.004 7 pF，C1＝4.92 pF，C3＝0.175 pF，C4＝0.34 pF，C5＝0.497 pF，C6＝0.643 pF，C7＝0.255 pF，C8＝0.328 6 pF。

3 實驗結果與分析

制作了所提出的雙陷波UWB 濾波器樣機，并對其進行了測試。在安捷倫矢量網絡分析儀N5230A[17]上進行了實際頻率特性測量。測量和仿真的S參數對比和群延遲對比分別如圖9 所示和圖10 所示。

圖9 測量和仿真的S 參數對比

圖10 測量和仿真的群延遲對比

從圖9 可以看出，測量的通帶范圍為2.75 GHz～10.7 GHz，在6 GHz 和8.1 GHz 處有雙陷波。兩個陷波的衰減都大于15 dB。通帶插入損耗在第一個陷波之前＜0.87 dB，在兩個陷波之間＜1.8 dB，在最后一個陷波之后＜0.9 dB，而回波損耗在整個通帶(除陷波之外)大于11 dB。

所提雙陷波UWB 濾波器樣機如圖10 中插圖所示。從圖10 可以看出，測量的群延時在0.84 到0.11 ns 之間變化，表現出良好的線性。該濾波器的總電路面積為21.2 mm×16 mm。測量數據和仿真數據之間的差異可以歸因于連接器的反射[18]、制造中的意外公差以及有限的基板。

將所提UWB 帶通濾波器與現有類似帶通濾波器進行了比較，如表1 所示。

表1 所提UWB 帶通濾波器與現有類似帶通濾波器的性能比較

從表1 可以看出，所提UWB 帶通濾波器在多個指標上均表現更優。從相對介電常數來看，與其他帶通濾波器不同，該帶通濾波器是在低成本電介質上開發的。從通帶來看，所提帶通濾波器可輕松滿足3.1 GHz 至10.6 GHz 的FCC 通帶要求。從傳輸零點數量來看，該帶通濾波器在兩個通帶邊緣均具有傳輸零點，而其他帶通濾波器要么在兩個通帶邊緣均不具有傳輸零點，要么僅在一個通帶邊緣具有傳輸零點。從陷波/衰減來看，該帶通濾波器的雙陷波在6.1(C 頻段)和8.1 GHz(X 頻段)具有良好的衰減(＞15 dB)。從阻帶來看，與大多數具有窄阻帶的帶通濾波器不同，所提帶通濾波器具有較寬的阻帶(18 GHz)，衰減大于15 dB。雖然少數研究也具有較寬的阻帶，但就插入/回波損耗而言，其通帶特性較差。從電路尺寸來看，盡管該帶通濾波器基于低成本電介質，但與大多數結構相比還是非常緊湊的。

4 結論

提出了一種基于微帶到CPW 過渡技術的新型緊湊雙陷波UWB 帶通濾波器。所提UWB 濾波器在UWB 頻譜內外具有多個傳輸零點。上下阻帶邊緣附近的兩個傳輸零點增強了選擇性，并提供了良好的通帶響應。此外，采用了折疊開口環式諧振器，以便在通帶內避免干擾。實驗結果表明，與現有類似帶通濾波器相比，該帶通濾波器能夠在低成本電介質上實現十分出色的頻率特性，對于現代UWB通信系統具有較大的應用價值。