一種高性能超寬帶帶通濾波器的設計

劉 昊，徐美娟

(電子科技大學 電子科學與技術研究院，四川 成都 611731)

1 引言

自從2002年美國聯邦通訊委員會(FCC)批準了頻帶為3.1 GHz～10.6 GHz 在短距離無線通信領域的應用，超寬帶技術吸引了眾多學者的興趣，這也促進了超寬帶系統及其器件研究的進展［1］.作為超寬帶系統中的一種核心器件，超寬帶帶通濾波器的研究成為學者們的關注熱點和重點，其工作性能好壞直接影響到超寬帶系統的整體工作性能，特別是對帶外抑制的情況.

目前國內外超寬帶濾波器設計方法有多種，如濾波器級聯方法［2］，多模諧振器法［3］，混合微帶/共面波導法［4］，LTCC 技術等［5］.雖然文獻［2－5］中的超寬帶濾波器的通帶帶寬滿足了要求，但是阻帶都非常窄，不能滿足一定情況下的要求.而缺陷地結構(Defected Ground Structure，簡稱DGS)具有低通特性，慢波效應，具有較高特征阻抗等，可廣泛地應用于抑制諧波、改善效率、提高Q 值等方面［6］.

本文將多模階梯阻抗的超寬帶濾波器與DGS 結構結合起來設計了一種高性能的超寬帶濾波器，中心頻率在6.85GHz，帶寬3.0～10.6 GHz，相對帶寬111%，頻帶內具有良好的通帶特性，同時又能有效的抑制高次諧波，下阻帶在30dB 以下達到19GHz，具有很好的阻帶特性.

2 超寬帶濾波器的設計

學者Makimot 和Yamashita 提出階梯阻抗諧振器(Stepped－Impedance Resonator，SIR)，它由兩段不同阻抗的傳輸線構成.下圖1 所示為等效的半波長型SIR 的結構示意圖.

圖1 半波長SIR 諧振器的結構示意圖

半波長階梯阻抗諧振器的基本結構由短路面、開路面和它們之間的阻抗階躍接合面組成.阻抗率是表征SIR 的電學參數，它是兩段傳輸線的特性阻抗Z1和Z2的比值，定義:

這兩段傳輸線的導納分別為Y1和Y2，在半波長SIR 諧振器中，從開路端看進去的輸入導納Yin，可以由文獻［7］得到，可表示為:

當取Yin=0 時，得到諧振條件為:

由上式(3)我們能得到SIR 的諧振條件由θ1、θ2和阻抗率Rz 決定.

本文中設計的UWB 濾波器根據階梯阻抗諧振器的原理設計，該濾波器電路由一個多模階梯阻抗諧振器和兩個交指狀的饋線電路組合而成［8］.如下圖2 所示.

圖2 超寬帶濾波器

文中采用電磁軟件HFSS 13.0 進行仿真，使用其相對介電常數為9.6，厚度為0.8 mm 介質基片(文中均采用此材料)，具體參數如下:W1=0.1mm，L1=4.6mm，W2=0.1mm，L2=4.6mm，W3=1.3mm，L3=1.8mm，d1=0.1mm，d2=0.1mm.其仿真結果如圖3 所示.

圖3 超寬帶濾波器器的S 參數曲線

從圖3 可以看出，該濾波器具有良好的帶通特性，通帶內頻帶寬度覆蓋超寬帶范圍，回波損耗在10dB 左右，通帶內波紋平整，但由于其上阻帶較窄，不能很好地抑制高次諧波，而且還有寄生通帶出現，因此極大的限制了其在超寬帶系統中的應用.

3 DGS 結構的低通濾波器的設計

傳統的啞鈴型DGS 結構，如圖4(a)所示.而根據文獻［9］，半圓型DGS 結構與傳統啞鈴型DGS 結構相比，具有更高的Q 值，因此擁有更好的帶阻性能，能有效的擴展阻帶特性.故本文采用半圓型DGS結構，其結構示意圖如圖4(b)所示，兩個對稱的半圓蝕刻在匹配的50 歐姆的微帶線正下方的接地金屬板上，半圓的半徑為R，它們之間由一窄縫相連接，窄縫的長度為W0，窄縫的寬度為W1.

半圓形DGS 結構可以等效為一個串聯的并聯LC 諧振電路［10］，如圖4(b)右上角所示.半圓形DGS結構的相關物理尺寸的變化可以引起等效電感、電容的變化，從而導致電流方向發生改變，最終使傳輸線截止頻率發生變化.該等效諧振電路的電容和電感可由微波電路理論可得到，分別如下:

其中ωc是3dB 截止頻率，f0是阻帶的諧振頻率，Z0是微帶線的特性阻抗.

圖4 傳統啞鈴型DGS 單元與半圓形DGS 單元結構對比

本文采用電磁仿真軟件HFSS 13.0 對不同尺寸的半圓形DGS 單元進行了仿真.保持窄縫寬度W1=0.3mm 和窄縫長度W0為1.1mm 保持不變，改變DGS 半徑R 的大小，令R 從0.7mm 依次增加到0.9mm，如圖5 所示.從仿真結果可以看出，半圓形DGS 單元的諧振頻率與半徑R 大小成反比.

圖6 6 個周期性半圓形DGS 結構示意圖

單個的DGS 結構可以拓展阻帶，但是作用有限.而多個具有相同單元的周期性DGS 結構可以有效的拓寬阻帶，且對通帶內波紋沒有太大的改變，滿足要求.本文采用6 個相同的DGS 結構，其結構如上圖6 所示.

整個周期性的半圓形DGS 的尺寸為W0=1.1mm，W1=0.3mm，R=0.8mm，相鄰兩個DGS 的中心間距S=0.9mm.采用HFSS 進行仿真，仿真結果如圖7 所示.從圖7 中可以看出，該低通濾波器的截止頻率大于12.6 GHz，帶外存在一個零點從而使得帶外比較陡峭，帶外30dB 抑制達到20GHz，具有良好的帶外抑制效果.

圖7 6 個半圓形DGS 結構的S 參數仿真曲線

4 高性能的超寬帶濾波器的設計

將多模階梯阻抗諧振器(MMSIR)與DGS 周期性單元相結合，通過軟件優化，可以得到一款高性能的超寬帶(UWB)濾波器.其中根據文獻［11］，漸變尺寸的周期DGS 結構可以減小通帶內波紋，使得通帶內特性就可以明顯改善.故將DGS 低通濾波器與多模階梯阻抗諧振器結合起來時，為了保證超寬帶的帶寬指標，所以不需要修改多模階梯諧振器中的參數，而只需要修改DGS 結構中的相關參數，如半徑R 和窄縫長度W0.因此本文只通過調整DGS 的相關參數的尺寸，并沒有修改多模諧振器的相關參數.經過HFSS 仿真和優化，整個濾波器的結構圖如圖8 所示，其具體尺寸如表1 所示.

表1 整個濾波器的尺寸

圖8 高性能超寬帶帶通濾波器的整體電路圖

對該濾波器整體進行仿真，其結果如圖9 所示.

圖9 寬阻帶的超寬帶帶通濾波器的仿真曲線

從圖9 可以看出，該濾波器的工作頻段為3.0～10.6GHz，通帶內的插入損耗小于0.3dB，回波損耗優于20dB.阻帶的工作頻率達到19GHz，衰減大于30 dB，可以有效地抑制高次諧波.

5 結論

由于DGS 單元具有優良的帶阻特性和慢波特性，可用于諧波抑制和減小電路尺寸.本文將DGS良好的帶阻特性與常用的濾波器相結合，利用其設計了一款高性能的超寬帶濾波器，使之通帶內頻帶回波損耗降低，插入損耗減小，帶外的抑制效果非常好，下阻帶30dB 達到19GHz，仿真實驗結果表明該濾波器有很好的帶通特性和諧波抑制效果.

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