基于槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器仿真研究

劉 剛，李 霖，肖 陽，楊俊秀

（浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州310018）

基于槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器仿真研究

劉 剛，李 霖，肖 陽，楊俊秀

（浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州310018）

為了實現(xiàn)更高的特征阻抗和良好的寬帶濾波特性，提出了一種基于槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器設(shè)計。相比于傳統(tǒng)微帶線結(jié)構(gòu)的濾波器，在阻抗比一定時，槽線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更高的特征阻抗。為了驗證這一結(jié)論，分別設(shè)計了微帶線結(jié)構(gòu)與槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器進行仿真對比。兩種結(jié)構(gòu)濾波器的仿真結(jié)果顯示，槽線結(jié)構(gòu)的通帶性能及品質(zhì)因數(shù)等指標明顯優(yōu)于微帶線結(jié)構(gòu)，且阻帶抑制提高了約15.5%。因此，基于槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器的濾波性能具有更大的優(yōu)勢。

槽線；信號干涉；帶阻濾波器；阻抗比

0　引 言

信號干涉技術(shù)最早由Mandal等［1］于2008年提出，用來實現(xiàn)常規(guī)濾波結(jié)構(gòu)難以獲得的寬帶濾波特性。該技術(shù)的基本原理是構(gòu)建多條從源端到負載端的信號傳輸路徑，通過多條傳輸路徑信號的相互作用，產(chǎn)生由傳輸零點和傳輸極點構(gòu)成的濾波響應(yīng)。相比傳統(tǒng)的濾波器技術(shù)，基于信號干涉技術(shù)實現(xiàn)的濾波器不需要引入諧振器，因此具有結(jié)構(gòu)簡單和設(shè)計方便的優(yōu)點，也便于實現(xiàn)各種寬帶濾波器的結(jié)構(gòu)，所以這種技術(shù)從提出以來便受到了許多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

Mamdal等［2］提出了一種帶阻濾波器設(shè)計，設(shè)計中使用兩根不同的傳輸線并聯(lián)來實現(xiàn)帶阻和傳輸零點，且易于制造；sánchez-Soniano等［3］提出了一種低通濾波器設(shè)計，其結(jié)構(gòu)是采用三根不同的傳輸線并聯(lián)，表現(xiàn)出了良好的抑制水平；文獻［4-7］給出了幾種不同的帶通濾波器設(shè)計，均實現(xiàn)了超寬頻通帶響應(yīng)，且電路面積較小，易于集成。上述文獻中的濾波器均是基于信號干涉技術(shù)進行設(shè)計的，采用這種方法設(shè)計的濾波器結(jié)構(gòu)簡單，表現(xiàn)出了良好的濾波性能。

然而，迄今為止，這些文獻中的設(shè)計采用的傳輸線都是微帶線。盡管微帶線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成的優(yōu)點，但它難以實現(xiàn)較高的特征阻抗。而在信號干涉濾波器的設(shè)計中，在傳輸線的特征阻抗比相同時，高特征阻抗通常會獲得阻帶抑制加大、通帶損耗減小等優(yōu)異性能。這就使得微帶線結(jié)構(gòu)難以充分發(fā)揮信號干涉濾波器的性能優(yōu)勢。

相比微帶線，槽線既可平面集成，又可實現(xiàn)較高的特征阻抗。理論上講，采用槽線構(gòu)建信號干涉濾波器，既可充分發(fā)揮槽線高特征阻抗的優(yōu)點，又能有效實現(xiàn)信號干涉濾波器的性能。基于這一思想，本文利用經(jīng)典的信號干涉拓撲，對槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉濾波器進行了研究。理論分析和設(shè)計結(jié)果均表明，相比微帶線結(jié)構(gòu)，槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉濾波器的阻帶抑制、通帶匹配等多項性能得到了明顯改善。

1　信號干涉帶阻濾波器分析

圖1是信號干涉濾波器的經(jīng)典拓撲。該結(jié)構(gòu)由兩根不同參數(shù)的微帶線并聯(lián)而成，其特征阻抗分別為Z1、Z2；對應(yīng)在中心頻率f0處的電長度分別為θ1=90°、θ2=270°。

圖1　信號干涉濾波器的經(jīng)典拓撲

假設(shè)整個傳輸線模型的損耗為零，基于圖1的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可推導(dǎo)出該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納矩陣：

根據(jù)導(dǎo)納矩陣和散射矩陣之間的轉(zhuǎn)換可得：

其中：Y0為端口的特征導(dǎo)納。

進而可求出并聯(lián)傳輸線結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)S21為：

其中：Z0為端口的參考阻抗。由式（3）可以求出當阻抗比K=＞1時，圖1的結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)兩個傳輸零點。令S21=0，化簡后在傳輸零點頻率點fz處有：

信號干涉的基本思想，就是利用傳輸零點引入的帶餡，實現(xiàn)常規(guī)濾波器無法實現(xiàn)的寬帶帶阻。而寬帶帶阻的性能則取決于傳輸零點的位置和零點間的抑制。由式（4）可知，傳輸零點的位置由傳輸線的特征阻抗比K決定。若K一定，則傳輸零點的分布不變。而在K確定后，選擇合適的阻抗分配則會對濾波器的其他性能產(chǎn)生影響。

圖2給出了K值相同的三組信號干涉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)曲線對比。三組濾波器的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，在中心頻率2 GHz處，每組所用的傳輸線電長度均為90°和270°。分別以實線、帶狀線、點狀線代表了3種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。圖2中所標注的S11表示回波損耗，S21表示插入損耗。結(jié)構(gòu)一的特征阻抗分別為73.5Ω（90°）、77Ω（270°）；結(jié)構(gòu)二的特征阻抗分別為105Ω（90°）、110Ω（270°）；結(jié)構(gòu)三的特征阻抗分別為125Ω（90°）、131Ω（270°）。

圖2　K固定，3種結(jié)構(gòu)濾波器仿真結(jié)果對比

由圖2中的3種結(jié)構(gòu)仿真對比可以得出以下結(jié)論：

a）如圖2所示，結(jié)構(gòu)三的阻帶抑制比結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)一分別提高了5.1%、18.8%，這表明高特征阻抗可有效提高阻帶抑制；

b）在通帶特性上，可以看出高特征阻抗可有效降低S11，改善匹配，并減小通帶損耗。

因此，在阻抗比相同的情況下，提高特征阻抗可以有效的改善濾波器的性能。

2　槽線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點分析

不同于常規(guī)的微帶線，槽線也是一種可平面集成的傳輸線；它由介質(zhì)板底部金屬層蝕刻出的槽縫構(gòu)成［8］。

槽線的電磁場集中分布在槽口處，同等條件下，槽線的電力線與磁力線要比微帶線多。對于有效介電常數(shù)，槽線比傳統(tǒng)的微帶傳輸線要低15%左右。使用相同的介質(zhì)板，槽線可實現(xiàn)的特征阻抗要比微帶線大。而且槽縫越寬，槽線的特征阻抗會越大。

基于以上分析，若將槽線結(jié)構(gòu)與信號干涉技術(shù)相結(jié)合，既能保證信號干涉濾波器的實現(xiàn)，又可充分發(fā)揮槽線的高特征阻抗的優(yōu)點，以改善濾波器的整體性能。此外，槽線還可以有效的阻止直流信號的通過。

3　信號干涉帶阻濾波器的設(shè)計

根據(jù)上述分析，本文在厚度為0.635 mm，介電常數(shù)為10.2的介質(zhì)板上，以3 GHz為中心頻率，分別設(shè)計了微帶線結(jié)構(gòu)和槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器。兩種電路的設(shè)計采用的特征阻抗比均為1.045。在微帶線結(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計中，給出的最大特征阻抗為94Ω，對應(yīng)的線寬為0.1 mm，這已經(jīng)是目前國內(nèi)PCB行業(yè)所能提供的最小線寬。而槽線的最大特征阻抗為115Ω，對應(yīng)的槽寬為0.61 mm，而這還遠沒達到槽線特征阻抗的極限。

如圖3（a）所示，微帶線結(jié)構(gòu)的信號干涉濾波器模型由兩根微帶傳輸線并聯(lián)構(gòu)成，并通過兩根50Ω傳輸線實現(xiàn)饋電。本次設(shè)計使用的微帶線參數(shù)為：Z11=90Ω（90°），Z12=94Ω（270°）。最終電路的物理尺寸為：L0=5 mm，L1=2.5 mm，Wl1=0.12 mm，L2=12.5 mm，Wl2=0.1 mm。

圖3（b）給出了槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉濾波器模型。介質(zhì)板反面的兩根并聯(lián)槽線的特征阻抗分別為Z21=110Ω（90°），Z22=115Ω（270°）。介質(zhì)板正面同樣采用兩條50Ω傳輸線實現(xiàn)饋電，并通過打孔實現(xiàn)與底部槽線的過渡。需要注意的是，在過渡帶附近，引入了梯形結(jié)構(gòu)以改善兩種傳輸線的過渡性能。最終電路的物理尺寸為：S0=6 mm，S1=4.6 mm，Ws1=0.55 mm，S2=18.5 mm，Ws2=0.61 mm，L3=2.6 mm，W3=1.6 mm。

圖3　微帶線與槽線結(jié)構(gòu)對比

HFSS仿真結(jié)果如圖4所示，實線表示微帶線結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，虛線表示槽線結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。兩種結(jié)構(gòu)具有相同的阻抗比，且槽線結(jié)構(gòu)的阻抗分配較高。由圖4中的曲線可知：兩組仿真結(jié)果所產(chǎn)生的零點的頻率相似，微帶線結(jié)構(gòu)阻帶內(nèi)零點頻率分別為2.73 GHz，3.32 GHz；槽線結(jié)構(gòu)阻帶內(nèi)零點頻率分別為2.66 GHz，3.25 GHz。兩組零點頻率均關(guān)于中心頻率f0對稱；阻帶衰減均超過了20 dB。但在性能上，槽線結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于微帶線結(jié)構(gòu)，首先就阻帶性能而言，相比微帶線結(jié)構(gòu)，槽線濾波器的阻帶抑制提高約15.5%，槽線結(jié)構(gòu)的過渡帶的陡峭程度相比微帶線結(jié)構(gòu)也有所改善。其次從通帶性能也可看出，槽線結(jié)構(gòu)的通帶匹配性能明顯優(yōu)于微帶線結(jié)構(gòu)，具有更小的通帶波紋。最后通過計算可以發(fā)現(xiàn)，槽線結(jié)構(gòu)的Q值（品質(zhì)因數(shù)）為1.8要大于微帶線結(jié)構(gòu)的Q值（1.5）。仿真結(jié)果表明：信號干涉帶阻濾波器可通過槽線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；并且槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器相比微帶線結(jié)構(gòu)具有更大的性能改善空間。

圖4　微帶線結(jié)構(gòu)與槽線結(jié)構(gòu)信號干涉帶阻濾波器仿真對比

4　結(jié) 語

本文對槽線結(jié)構(gòu)的信號干涉帶阻濾波器進行了仿真研究，并將其與微帶線結(jié)構(gòu)信號干涉帶阻濾波器進行對比。理論分析和仿真結(jié)果表明：采用槽線結(jié)構(gòu)構(gòu)建的信號干涉濾波器，充分發(fā)揮了其高特征阻抗的優(yōu)點，濾波器的通帶匹配、阻帶抑制、通帶波紋、品質(zhì)因數(shù)等多項性能得到了明顯的改善，并有效的實現(xiàn)了信號干涉濾波器的性能。

［1］Mandal M K，Mondal P.Design of sharp-rejection，compact，wideband bandstop filters［J］.IET Microwaves，Antennas&Propagation，2008，2（4）：389-393.

［2］Mandal M K，Sanyal S.Compact bandstop filter using signal interference technique［J］.Electronics Letters，2007，43（2）：110-111.

［3］Sánchez-Soriano M A，Hong J S.Reconfigurable lowpass filter based on signal interference techniques［C］//Microwave Symposium Digest（MTT），2011 IEEE MTT-S International.IEEE，2011：1-4.

［4］Gomez-Garcia R，Sanchez-Renedo M，Jarry B，et al.A class of microwave transversal signal-interference dualpassband planar filters［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2009，19（3）：158-160.

［5］Sun S，Zhu L，Tan H H.A compact wideband bandpass filter using transversal resonator and asymmetrical interdigital coupled lines［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2008，18（3）：173-175.

［6］Sanchez-Soriano M A，Bronchalo E，Torregrosa-Penalva G.Compact UWB bandpass filter based on signal interference techniques［J］.Microwave and WirelessComponents Letters，IEEE，2009，19（11）：692-694.

［7］Feng W，Che W，Shi S，et al.High selectivity wideband bandpass filter based on transversal signalinteraction concepts and T-shaped structure［J］. Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2012，22（11）：562-564.

［8］許文淵.基于槽線結(jié)構(gòu)的小型化微波無源元件研究［D］.南昌：華東交通大學(xué)，2013.

Simulation Study on Signal lnterference Band-stop Filter Based on Slotline Structure

LIU Gang，LI Lin，XIAOYang，YANG Jun-xiu
（School of Information Science and Technology，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

To realize higher characteristic impedance and good broadband filtering property，this paper proposes a signal interference band-stop filter based on slotline structure.Compared with the conventional filter with microstrip structure，the slotline structure can achieve higher characteristic impedance when the fixed impedance ratio is certain.To verify this conclusion，the signal interference band-stop filters based on microstrip line and slotline structure are designed respectively for simulated comparison.Thesimulation results indicate passband property of slotline structure and quality factor are significantly superior to those of microstrip structure；besides，stop-band inhibition improves by about 15.5%.Thus，filtering property of signal interference band-stop filter based on slotline structure has larger advantage.

slotline；signal interference；band-stop filter；impedance ratio

TN713.5

A

1673-3851（2015）06-0847-04

（責任編輯：陳和榜）

2014-12-30

國家自然科學(xué)基金項目（61101052）

劉 剛（1990-），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事微波電路設(shè)計、天線技術(shù)方面的研究。

李 霖，E-mail：lilin_door@hotmail.com