艾明貴， 梁顯鋒

（1. 中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190； 2. 中國科學院大學 北京 100190）

2002 年，美國聯(lián)邦通信委員會將3.1～10.6 GHz 頻段設為民用超寬帶（Ultra－wideband）頻段，并使之能夠應用于超寬帶設備[1]，超寬帶通信是一種無線通信新技術，帶寬高達7.5 GHz，有效保障了超高速的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射功率較低，功耗小，抗干擾性能強。

目前，超寬帶技術因其優(yōu)良性能引起各界極大關注。 作為超寬帶系統(tǒng)中的一種核心器件，超寬帶濾波器的性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，因此超寬帶濾波器的研究成為學者們的關注熱點和重點。

超寬帶濾波器可以通過級聯(lián)低通高通濾波器來實現(xiàn)[2－4]，利用低/高通濾波器分別產(chǎn)生的高端/低端阻帶級聯(lián)合成所需帶通通帶。 這種結構電路尺寸較大，不太符合小型化的設計理念。 另外一種方法是采用短路枝節(jié)線結構[5]，濾波器的結構包含有四分之一波長短截線和半波長連接傳輸線。在文獻[6－10] 中作者提出了多種微帶多模諧振器構成不同結構超寬帶濾波器的方法，利用階躍阻抗的概念控制諧振器的前3 個諧振點在頻帶內來實現(xiàn)超寬帶帶帶通特性。 該濾波器中所采用的多模諧振器是以通帶中心頻率為基準的全波長。 這類濾波器結構簡單，在通帶內性能表現(xiàn)良好，但是阻帶內的無用諧波不能被有效克服。

本文提出了一種新型的超寬帶帶通濾波器，通過將帶阻結構嵌入到環(huán)形槽線諧振器中，有效提升高頻抑制特性的同時極大地減小了電尺寸。 濾波器模型尺寸僅為13.82×6.74 mm2。

1 超寬帶帶通濾波器的設計

圖1 為設計的超寬帶帶通濾波器模型結構圖，其中濾波器頂層為50 歐微帶線連接著圓形微帶枝節(jié)， 底層為環(huán)形槽線諧振器和兩對圓形槽線結構。 采用槽線諧振器和頂層微帶枝節(jié)耦合的方式，實現(xiàn)類似文獻[7]中微帶/共面波導耦合結構，產(chǎn)生UWB 通帶特性。 優(yōu)化后的濾波器結構參數(shù)如表1 所示，以下討論全部基于表1 中的參數(shù)組合。

在帶通濾波器的設計中耦合電路可以起到阻抗變化的作用， 電容耦合電路和電感耦合電路分別用J 變換電路和K變換電路表示[10]，其中J 變換電路和K 變換電路的特性阻抗不同于傳輸線的輸入輸出阻抗。

J 變換電路可以通過環(huán)形槽線結構來實現(xiàn)， 等效電路圖如圖2 所示。

圖1 UWB 帶通濾波器結構圖Fig. 1 Structure diagram of the UWB BPF

表1 濾波器尺寸參數(shù)Tab. 1 Size parameters of the filter

圖2 等效電路結構圖Fig. 2 Structure diagram of the equivalent circuit

在濾波器的結構中，短路部分的電長度φ 可以用一個K轉換器連同兩傳輸線部分的特性阻抗Z0=1/Y0 和兩端的電長度θ1來等效， 得出短路線的奇偶導納和轉換器的K 值關系如下：

由上述分析，可以得出環(huán)形槽線諧振器和頂層微帶線耦合結構的等效電路圖如圖3 所示。

圖3 槽線諧振器和頂層微帶線耦合結構等效電路圖Fig. 3 Equivalent circuit of the slot-line resonator and top microstrip

仿真研究發(fā)現(xiàn)，頂層圓形微帶枝節(jié)半徑對通帶有很大影響。從圖4 可以看出，當圓形微帶枝節(jié)半徑R1為0 mm 時，阻帶內的諧波未能被抑制。 R1由0 mm 變化至0.9 mm，超寬帶濾波器的通帶范圍能夠得到有效調整，同時帶外諧波抑制性能有所提高。 為了進一步提升濾波器的阻帶性能，在基本結構的基礎上引入一對圓形槽線結構，將其對稱的連接在環(huán)形槽線諧振器上，改進結構和仿真結果如圖5 所示。 可以看出加入的圓形槽線結構在17.2 GHz 處產(chǎn)生了一個傳輸零點，提高了阻帶抑制特性。 另外一對圓形啞鈴槽線結構耦合在頂層微帶線下面， 從圖5 可知該結構在16 GHz 產(chǎn)生一個傳輸零點。 通過將兩對帶阻結構嵌入到濾波器結構里面的方式，使得帶外的諧波抑制有了顯著提高，與此同時，極大減小了濾波器的尺寸。

圖4 圓形枝節(jié)半徑對超寬帶濾波器的影響Fig. 4 The effect of the radius of circular stubs to UWB BPFs

圖5 三種濾波器仿真結果Fig. 5 Simulated frequency responses of three kinds of filter

2 超寬帶帶通濾波器的制作和測試

依據(jù)上述理論分析，在利用ADS2011 仿真軟件優(yōu)化的基礎的上， 使用介電常數(shù)10.2， 高度0.635 mm 的羅杰斯RO3010 微波板進行超寬帶微帶帶通濾波器的設計。 濾波器實物照片如圖6 所示，我們采用安捷倫的矢量網(wǎng)絡分析儀對加工好的濾波器進行測量，圖7 為S 參數(shù)仿真和測試結果對比圖，圖8 顯示了測量的群時延的結果。 從對比圖7 可以發(fā)現(xiàn)，實驗測試結果與仿真結果吻合良好，有著較小的插入損耗。測量結果顯示通帶內的群時延低于0.2 ns。測量出的-3 dB帶寬為3.37～11.74 GHz，在通帶內最大插入損耗為1.2 dB 左右， 該結果包含了焊接SMA 接口而引起的損耗。 在4.3～10.2 GHz 范圍內反射損耗小于10 dB， 阻帶工作頻率可以達到20 GHz，接近中心頻率6.8 GHz 的3 倍位置，抑制電平達到-20 dB，有效的抑制了高次諧波。 表2 顯示了本文設計和采用級聯(lián)低通高通濾波器方法設計的濾波器尺寸對比。 從對比中可以看出，嵌入帶阻結構的方法相對于傳統(tǒng)的級聯(lián)低通高通濾波器的方法，在獲得良好諧波抑制性能的同時，能夠有效減小濾波器尺寸。

圖6 濾波器實物圖Fig. 6 The fabricated UWB band-pass filter

圖7 仿真和實測s 參數(shù)Fig. 7 Simulated and measured results of S21 and S11

圖8 測量的群時延結果Fig. 8 Measured result of group delay

表2 超寬帶帶通濾波器性能比較Tab. 2 Comparison of UWB BPFs

3 結 論

本文設計了一個小尺寸的超寬帶帶通濾波器，通過在環(huán)形槽線諧振器中心對稱地引入圓形槽線結構，有效實現(xiàn)高頻段的諧波抑制，相較于傳統(tǒng)的引入低通結構的方法顯著地減小了濾波器的尺寸。 實際測量結果顯示該結構具有更加誘人的應用前景。

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[2] Shen M，Tong T，Jensen O K，et al. A compact UWB bandpass filter with WLAN rejection using a slot ring resonator[J].Microwave and Optical Technology Letters，2010，52 （9）:1980-1984.

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[10]藥春暉，張文梅.基于共面波導的新型超寬帶帶通濾波器[J].山西大學學報：自然科學版，2007，30（1）:49-52.