高明明，李春晨，南敬昌，宋楊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 遼寧葫蘆島 125105；2.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 遼寧大連 116086)

超寬帶(ultra-wideband,UWB)系統(tǒng)由于其固有的高速無(wú)線通信能力而得到發(fā)展。超寬帶濾波器是UWB 系統(tǒng)前端的重要組成部分，它影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。但是近些年來(lái)，超寬帶帶通濾波器發(fā)展存在一些困難，超寬帶系統(tǒng)雖然能夠覆蓋3.1～10.6GHz 的頻帶，但容易受到無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)、國(guó)際電信聯(lián)盟(international telecommunication union,ITU)等系統(tǒng)的干擾，所以需要具有在UWB 通帶內(nèi)具有陷波帶的小型化超寬帶濾波器。

文獻(xiàn)[1]實(shí)現(xiàn)了首款使用階躍阻抗組成的多模諧振器(multi-mode resonator,MMR)的超寬帶濾波器。文獻(xiàn)[2]諧振器由低阻抗方形環(huán)和高阻抗線加載開(kāi)路枝節(jié)所組成，該諧振器在UWB 頻帶范圍內(nèi)具有5 個(gè)諧振模式。文獻(xiàn)[3]展示了由一對(duì)諧振器相互耦合所組成的濾波器，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)適當(dāng)控制高低阻抗之比來(lái)調(diào)諧傳輸零點(diǎn)以達(dá)到擴(kuò)展阻帶的效果，該濾波器阻帶在10.9～25.0GHz 插入損耗大于20dB。文獻(xiàn)[4-6]都是由一根高阻抗微帶線上連接多個(gè)特定形狀的開(kāi)路枝節(jié)所組成的多模諧振器濾波器，且文獻(xiàn)[6]具有較好的帶外抑制特性。文獻(xiàn)[7]提出了一種由雙環(huán)諧振器的水平和垂直方向上加載開(kāi)路短截線而構(gòu)成的濾波器，該濾波器帶內(nèi)均勻分布5 個(gè)諧振模式，左右兩邊過(guò)渡帶各引入傳輸零點(diǎn)以提高選擇性。

為了避免其他通信系統(tǒng)對(duì)UWB 系統(tǒng)的干擾，需要一種具有陷波特性的UWB 濾波器，文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)增加開(kāi)路短截線和引入非對(duì)稱雙線耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)陷波濾波效果，在不增加濾波器尺寸的情況下，陷波具有較高的可調(diào)節(jié)性。文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)在微帶傳輸線上刻蝕U 形槽，在通帶內(nèi)得到固定頻段的陷波。文獻(xiàn)[12]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、高選擇性的三陷波超寬帶濾波器，通過(guò)加載耦合線在通帶內(nèi)引入3 個(gè)傳輸零點(diǎn)。文獻(xiàn)[13-14]使用雙模階躍阻抗諧振器與主諧振器耦合，產(chǎn)生了雙頻陷波特性。文獻(xiàn)[15-16]在頂面加載微帶線共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使其垂直耦合于位于接地面縫隙中多個(gè)諧振器，從而在通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙頻陷波特性。

本文在文獻(xiàn)[1]階躍阻抗型多模諧振器的基礎(chǔ)上，得到新型多模諧振器；該諧振器是由中間部分的低阻抗扇形面和兩側(cè)兩個(gè)相同的高阻抗傳輸線組成，同時(shí)在扇形低阻抗截面中央和兩側(cè)開(kāi)設(shè)圓形槽、矩形槽，以及在諧振器兩端的高阻抗線上加載開(kāi)路短截線，從而產(chǎn)生多個(gè)諧振模式。之后在扇形面上加載開(kāi)路枝節(jié)，使得在通帶內(nèi)引入多個(gè)陷波，以避免對(duì)超寬帶系統(tǒng)的干擾。相較于其他陷波超寬帶濾波器有著更優(yōu)秀的陷波特性和上阻帶表現(xiàn)特性，且具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)。

1 超寬帶濾波器理論與分析

1.1 新型多模諧振器設(shè)計(jì)

圖1 展示了諧振器的演變過(guò)程，傳統(tǒng)的矩形多模諧振器(MMR)的結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，它以傳輸線理論的方式進(jìn)行研究，即在奇模等效電路的對(duì)稱面上短路，而在偶模等效電路的對(duì)稱面上開(kāi)路。圖1b為改進(jìn)后的諧振器，若設(shè)低阻抗線的總電長(zhǎng)度為2θ2，第一次改進(jìn)是保持低阻抗線的總電長(zhǎng)度2θ2的同時(shí)，在其沿著垂直方向放置兩個(gè)高阻抗線。由于通帶取決于高阻抗線和低阻抗線的阻抗比，所以要保持平均阻抗，即為了保持低阻抗線的平均寬度，如圖1c 第二次改進(jìn)采用了弧形切割，所得到的扇形中間部分與矩形MMR 低阻抗的高度相同。

圖1 諧振器演變過(guò)程

最后，在扇形低阻抗截面中央和兩側(cè)刻蝕圓形槽、矩形槽，以及在諧振器兩端的高阻抗線上加載開(kāi)路短截線得到的新型多模諧振器如圖1d 所示，相較于傳統(tǒng)的矩形MMR 結(jié)構(gòu)，總的截面金屬面積減少了30%以上。

1.2 新型多模諧振器仿真

圖2 為4 種不同諧振器組成的超寬帶濾波器在弱耦合情況和強(qiáng)耦合情況下S21參數(shù)的對(duì)比。

圖2a 對(duì)比了各種諧振器在弱耦合情況下的S21參數(shù)。從圖中可知，新型多模諧振器相較于其他諧振器具有更多的諧振模式。通過(guò)在扇形低阻抗截面中央和兩側(cè)開(kāi)設(shè)圓形缺口、矩形缺口，使得在第二次改進(jìn)后的諧振器中引入新的諧振模式；諧振器兩端的高阻抗線上加載開(kāi)路短截線，在高頻處額外引入兩個(gè)諧振模式。

不同諧振器通過(guò)強(qiáng)耦合作用下所組成的濾波器之間的S21參數(shù)對(duì)比如圖2b 所示。從圖中可知，在諧振器兩端的高阻抗線上加載開(kāi)路短截線的濾波器相較未加載開(kāi)路短截線的濾波器具有更寬的通帶；而通過(guò)在扇形低阻抗截面中央和兩側(cè)分別開(kāi)設(shè)圓形缺口、矩形缺口的濾波器具有更好的帶內(nèi)平坦度。

新型多模諧振器所組成的濾波器結(jié)合以上兩種諧振器的特點(diǎn)，在具備良好的帶內(nèi)平坦度的同時(shí)，還具有更寬的通帶；且該濾波器在高頻處有著較好的帶外抑制特性和矩形系數(shù)。

1.3 新型多模諧振器分析

該新型多模諧振器關(guān)于虛線軸對(duì)稱，如圖3a所示。這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)的等效奇偶模結(jié)構(gòu)如圖2b、2c所示，Y為各個(gè)枝節(jié)的特性導(dǎo)納，其中Yin,odd、Yin,even分別為奇模輸入導(dǎo)納和偶模輸入導(dǎo)納，且Y1=Y3，Y2=Y4，Y5=Y6。θ 為各枝節(jié)對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度，L為各枝節(jié)的長(zhǎng)度，其中L2=L4。

圖2 S21 參數(shù)對(duì)比

圖3b 顯示了諧振器在奇模激勵(lì)的作用下，對(duì)稱面呈現(xiàn)短路的特性，奇模輸入導(dǎo)納可以表示為：

式中，

發(fā)射機(jī)的互調(diào)發(fā)射(IM)是由于發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器包含非線性元器件，當(dāng)同時(shí)存在多個(gè)信號(hào)時(shí)，這些信號(hào)間由于相互調(diào)制而產(chǎn)生增生信號(hào)[1,2].當(dāng)發(fā)射機(jī)距離較近，如一個(gè)基站或一個(gè)軍用平臺(tái)上通常有多部發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)互調(diào)易于發(fā)生，若沒(méi)有準(zhǔn)確掌握發(fā)射機(jī)的互調(diào)特性，則同一區(qū)域內(nèi)的其它無(wú)線電設(shè)備就存在被干擾的潛在風(fēng)險(xiǎn).

對(duì)于圖3c 中所示的偶模激勵(lì)下的等效電路圖，可以相同的方式求得偶模輸入導(dǎo)納：

圖3 奇偶模分析

若令k1=Y1/Y2、k2=Y3/Y5，則該諧振器的諧振頻率通過(guò)式(1)和式(3)中Yin,odd=0,Yin,even=0，可得到：

式中，θ1=βL1；θ2=βL2；θ3=βL3；θ4=βL4；θ5=βL5；θ6=βL6；β是受工作頻率影響的相位常量。從式(6)、式(7)可知，諧振器的奇模諧振頻率與傳輸線L1、L3和開(kāi)路枝節(jié)L2、L4有關(guān)，而偶模諧振頻率不僅與傳輸線L1、L3和開(kāi)路枝節(jié)L2、L4有關(guān)，還與異形傳輸結(jié)構(gòu)L5、L6有關(guān)。

之后，奇模反射系數(shù)Γin,odd由整個(gè)系統(tǒng)的特性導(dǎo)納Yo表示：

同樣地，偶模反射系數(shù)Γin,even則表示為：

最后，濾波器的回波損耗S11和插入損耗S21可以根據(jù)以下公式得到：

圖4a 是在改變L2、L4時(shí)對(duì)諧振頻率的影響，固定圖3a 中L1=3.9 mm，L2=L4，L3=0.9 mm，L5=6.9 mm，L6=5.11 mm?？梢杂^察到，當(dāng)L2和L4從2mm 逐漸增加到3.4mm，fm5和fm6有著明顯的向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)，fm1和fm2略微向低頻移動(dòng)，fm3和fm4基本沒(méi)有變化。

圖4b 是在改變圓形缺口半徑r時(shí)諧振頻率的變化情況，固定圖3a 中L1=3.9 mm，L2=L4=2.3 mm，L3=0.9 mm，L5=6.9 mm，L6=5.11 mm。可以觀察到，當(dāng)r從1mm 逐漸增加到2.3mm，fm3和fm4有著明顯的向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)，fm1略微向低頻移動(dòng)，fm2略微向高頻移動(dòng)，fm5和fm6基本沒(méi)有變化。

以上公式的推導(dǎo)過(guò)程完成了對(duì)濾波器的奇偶模分析。

諧振器的諧振頻率根據(jù)式(11)可定義為S21=0，也可以定義為Yin,odd?Yin,even=0。圖4 顯示了在弱耦合下新型多模諧振器的諧振特性，前6 個(gè)諧振頻率分別為fm1、fm2、fm3、fm4、fm5和fm6，這些諧振頻率形成濾波器的通帶。通過(guò)固定其他參數(shù)值，分別改變開(kāi)路枝節(jié)L2和圓形缺口半徑r這兩個(gè)關(guān)鍵變量，得到諧振器的本征模求解特性曲線。

圖4 新型多模諧振器的諧振特性

2 具有陷波特性的超寬帶濾波器設(shè)計(jì)

為了避免WLAN 頻段(5.150～5.825GHz)和國(guó)際電信聯(lián)盟頻段(8.01～8.50GHz)的干擾，在UWB 濾波器的通帶內(nèi)引入陷波頻帶。本文在諧振器的對(duì)稱面加載開(kāi)路短截線，相當(dāng)于在偶模等效電路加入新的特性導(dǎo)納枝節(jié)，通過(guò)改變枝節(jié)尺寸，將兩個(gè)陷波頻帶引入通帶內(nèi)。圖5a 展示了本文提出的具有陷波特性的超寬帶濾波器在電路板上的結(jié)構(gòu)布局，圖5b 為圖5a 中的等效模型，在新型多模諧振器的基礎(chǔ)上加入陷波結(jié)構(gòu)，圖5a 中的L1與L7構(gòu)成的交指耦合平行線結(jié)構(gòu)可等效為一個(gè)J 型變換器，輸入輸出端口(邊長(zhǎng)為1.4mm 的方形貼片結(jié)構(gòu))阻抗Z0設(shè)定為50Ω。

圖5 具有陷波特性的超寬帶濾波器

2.1 陷波特性分析

圖6 顯示了由新型多模諧振器構(gòu)成的超寬帶濾波器在對(duì)稱面加載不同長(zhǎng)度的開(kāi)路短截線對(duì)陷波頻率的影響。圖6a 中濾波器加載單個(gè)開(kāi)路短截線時(shí)，通帶內(nèi)引入傳輸零點(diǎn)，產(chǎn)生了單個(gè)陷波。在該陷波中心頻率下，電流集中分布在該短截線上，而當(dāng)L10的取值變化時(shí)，該陷波中心頻率也會(huì)隨之發(fā)生改變。

圖6b 在圖6a 的基礎(chǔ)上再加載一條開(kāi)路短截線，此時(shí)通帶內(nèi)高頻處產(chǎn)生第二陷波，在該陷波中心頻率下，電流集中分布在兩個(gè)短截線上，通過(guò)固定L10=4.2 mm，使L11的取值變化，可以觀察到，第二陷波中心頻率也會(huì)隨之改變，第一陷波中心頻率基本保持不變。

圖6 濾波器S 參數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖6c，電流分布圖中L10=L11=3.87 mm，在8.25GHz 下，輸入輸出端口均有電流分布，且當(dāng)L10=L11取值變化時(shí)，第一陷波的中心頻率隨之移動(dòng)，第二陷波衰減不明顯甚至消失。這是由于兩條開(kāi)路短截線的長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致兩條路徑上的信號(hào)在某一處相位偏轉(zhuǎn)，從而在通帶內(nèi)獲得了窄帶陷波。

2.2 具有陷波特性的超寬帶濾波器仿真與測(cè)試

經(jīng)過(guò)上述分析，本文提出的新型多模諧振結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)具有陷波特性的超寬帶濾波器，利用HFSS 電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化。陷波超寬帶濾波器的最終尺寸如表1 所示，并按照給出的尺寸進(jìn)行實(shí)物制作。圖7 的實(shí)物采用介質(zhì)基板Rogers RT/duroid6006，相對(duì)介電常數(shù)為6.15，損耗角正切為0.0019，基板厚度為0.635mm，尺寸大約為0.34λg×0.34λg(λg為中心頻率的波長(zhǎng))。

表1 陷波超寬帶濾波器尺寸參數(shù)

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5247A 對(duì)濾波器實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。圖7 展示了濾波器S參數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比，實(shí)測(cè)濾波器通帶在3.60～11.55 GHz 之間，相對(duì)帶寬為105%，通帶中心頻率插入損耗為0.42dB，除陷波帶回波損耗大于15.76dB，在23GHz 以下帶外插入損耗大于14.42dB。兩個(gè)陷波的中心頻率分別為5.48GHz 和8.3GHz，衰減分別達(dá)到38.8dB 和16.1dB。

圖7 濾波器群時(shí)延實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 為濾波器群時(shí)延實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比，可以觀察到，除了兩個(gè)陷波帶外，實(shí)測(cè)所得的通帶內(nèi)群時(shí)延小于0.4ns，而在陷波帶內(nèi)和通帶截止頻率附近，由于對(duì)這幾個(gè)頻段信號(hào)的抑制，群時(shí)延急劇增大。實(shí)物測(cè)試與仿真結(jié)果具有良好的一致性，但是仍存在著一些細(xì)小的差別，主要原因?yàn)榧庸ふ`差、測(cè)試環(huán)境和仿真精度等所產(chǎn)生的影響。

圖8 陷波特性分析

表2 展示了本文濾波器與其他濾波器參數(shù)對(duì)比。從表中可以看出，本文設(shè)計(jì)的陷波超寬帶濾波器具有更好的通帶特性，且相較于其他陷波超寬帶濾波器有著更優(yōu)秀的陷波特性和上阻帶表現(xiàn)特性，同時(shí)具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)。

表2 本文濾波器與其他濾波器參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型多模諧振器的陷波超寬帶小型化濾波器，該濾波器在傳統(tǒng)階躍阻抗諧振器的基礎(chǔ)上，得到結(jié)構(gòu)緊湊的新型多模諧振器，實(shí)現(xiàn)了從3.60～11.55GHz 的超寬帶通帶，并在此基礎(chǔ)上引入中心頻率為5.48GHz 和8.3GHz 的雙頻陷波特性，以避免WLAN 頻段和國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定頻段對(duì)超寬帶系統(tǒng)的干擾，陷波帶衰減分別達(dá)到38.8dB和16.1dB。同時(shí)，該濾波器通帶中心頻率插入損耗為0.42dB，回波損耗(除陷波帶)大于15.76dB，帶外23GHz 以下阻帶插入損耗大于14.42dB，具有良好的帶外抑制能力和良好的通帶性能。