基于微帶線-槽線轉換的具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器*

王善進，劉華珠，賴穎昕，陳　瓊，李秀平，楊　杰

（東莞理工學院電子工程學院，廣東東莞523808）

基于微帶線-槽線轉換的具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器*

王善進*，劉華珠，賴穎昕，陳瓊，李秀平，楊杰

（東莞理工學院電子工程學院，廣東東莞523808）

利用階躍阻抗槽線多模諧振器和微帶線與槽線的信號轉換，設計了一款具有陷波功能的超寬帶帶通濾波器。濾波器在一塊介質基板上制作而成，基板接地面上有一條終端短路寬度不均勻（階躍阻抗）槽線諧振器，基板的另一面有兩條與槽線諧振器垂直的“L”形的開路微帶線，作為濾波器的信號輸入和輸出端口，在這兩端口的附近各刻有一條“U”形的槽線，以實現濾波器的陷波功能。仿真和實測表明了濾波器的工作帶寬可達3.20 GHz～11.4 GHz，其中陷波帶寬為5.20 GHz～5.75 GHz。

超寬帶帶通濾波器；多模諧振器；微帶線-槽線正交轉換器；陷波

自3.1 GHz～10.6 GHz頻段劃歸民用以來，有關超寬帶通信技術的相關研究得到了廣泛的開展。超寬帶濾波器作為無線通信系統前端的關鍵部件，其性能無疑關系到整個通信系統的質量，由此有關圍繞開發新型緊湊結構和卓越性能濾波器的設計和研究，多年以來一直都是研發人員的工作熱點之一。鑒于實際通信環境下，無線局域網工作的頻段為5.15 GHz～5.825 GHz，正好落在3.1 GHz～10.6 GHz頻段內，為了消除這兩個無線通信系統之間的干擾，一般需要在通信系統中利用具有阻帶特性的超寬帶帶通濾波器對信號進行濾波處理。

超寬帶濾波器的設計方法有多種，微帶線或槽線多模諧振器法是其中的一類［1-8］。所謂多模諧振器（MMR）是指在通帶內可建立多個諧振模式的諧振器。半波長階躍阻抗諧振器（SIR）因為具有靈活可調的幾何結構，以及與有源電路的良好兼容性，使其在射頻微波器件中獲得了廣泛的應用。通過選擇基底材料、調整阻抗比和諧振器電長度，可實現諧振器諧振的基頻和諧波頻點分布于整個通帶內，由此獲得更寬的工作帶寬，所以在超寬帶通信系統中，它是一種常見的多模諧振器。

通過合理改變多模諧振器微帶線上的電流分布，可使帶通濾波器的通帶內產生某個特定頻點的阻帶。改變電流分布的設計方法一般有：（1）開槽。在諧振器的微帶線上通過開槽去除某些部分的敷銅，從而改變了微帶線上的電磁場分布，使其電流在特定頻率下呈現駐波狀態，無法傳輸能量，從而實現頻帶抑制的功能。槽的形狀一般有U形、L形等。（2）附加寄生單元。在諧振器的微帶線（或帶狀線、槽線等）的附近加入合適的寄生單元，通過合理的設計，使該單元感應出與輻射貼片相反的電流，從而實現濾波器的阻帶特性。（3）添加開路枝節。在微帶線上添加與之相連接的一段（或幾段）開路枝節，由此改變諧振器上的電流分布實現阻帶特性，連接一段開路枝節本質上類似于容性加載。

項目來源：廣東省科技計劃項目（2013B010401040）

收稿日期：2015-10-03修改日期：2015-11-02

基于槽線結構的階躍阻抗多模諧振器工作原理，本文在文獻［6-7］的基礎上，利用基板頂層微帶饋線開槽的方法，設計了一款具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器。仿真表明該濾波器的通帶范圍覆蓋了 3.20 GHz～11.40 GHz，同時在 5.20 GHz～5.75 GHz的范圍內具有阻帶特性，可以剔除WLAN通信系統產生的干擾。加工制作了濾波器實物，測量結果與仿真符合較好。

1　濾波器的設計

參見圖1，帶通濾波器原型由兩組對稱的串聯終端開路枝節和并聯終端短路枝節，以及連接它們的傳輸線組合而成。如果圖中的i為偶數，則該電路原型需做一定的微調［7］。根據不同的電路形式，首先需求出ABCD矩陣，由此可得濾波器的傳輸函數：

式中F=（B-C）/2。圖1中θc為傳輸線對應于截止頻率的電長度，Zo1、Zs1分別為串聯開路線和并聯短路線的歸一化阻抗。濾波器在一塊介質基板上制作而成，基板的長為L，寬為W，厚度為h，單位為mm，相對介電常數為εr。基板的一側敷銅，構成電路的接地面，上面開有一段不均勻的槽線以構成階躍阻抗多模諧振器［6］，槽線由三段級聯組成，中間的槽線寬度大于兩邊的槽線，形成電路原型中的中間傳輸線；兩邊的槽線寬度相等，終端短路且對稱分布在中間槽線的兩側，這兩段槽線構成電路原型中左右兩側對稱的并聯短路枝節，見圖2（a）所示?；宓牧硪粋扔袃蓷l左右對稱的“L”形的敷銅開路微帶線，微帶線上分別有開有“U”形的槽線，以產生陷波特性，它們構成濾波器的輸入輸出饋線，同時形成電路原型中左右對稱的串聯終端開路枝節，見圖2（b）所示。微帶線的開路端與基板另一側的槽線相互垂直，微帶線的開路端或槽線的短路端到它們的相交點的距離大約為四分之一波長，也就是說，微帶線與槽線形成了一個正交的信號轉換器，如圖2（c）所示，該轉換器可簡單地等效為一變壓器［3］，見圖3，圖中COC、XOS分別表示開路微帶線和短路槽線的電容和電感，Zom、ZOS分別表示微帶線和槽線的特性阻抗，θm和θs分別表示微帶線和槽線延伸部分的電長度，變壓器的匝數比n表達了微帶線與槽線間的耦合度。

圖1　帶通濾波器的傳輸線原型電路

圖2　超寬帶帶通濾波器結構示意圖

圖3　微帶線-槽線轉換結及等效電路

利用軟件HFSS 13.0建模仿真。接地板上開槽線的長度Lg1和Lg2是濾波器設計的關鍵參數之一，圖4給出了散射參數S11與它們的關系曲線，可見不管是哪條槽線的長度發生細微變化，濾波器的回波損耗將發生明顯的起伏變化，特別在頻段的上半部分。

圖4　槽線長度對散射參數的影響

改變濾波器輸入輸出端口微帶線上“U”形槽線的長度，散射參數S11的變化情況見圖5所示。

圖5　微帶線上槽線長度對陷波的影響

由圖5可見，當槽線長度由5.0 mm增加到5.6 mm時，陷波的頻點位置由高端移向了低端，同時，陷波頻段的帶寬也發生了明顯的改變，而S11曲線的其它部分幾乎沒有變化，表明“U”形槽的長度對陷波頻段的顯著調控作用。此外，“U”形槽的位置也是設計時需仔細考慮的參數，改變槽線起始位置（與微帶線拐角的距離X0），使之由4.5 mm增加到8.0 mm，散射參數S11的改變如圖6所示，可見陷波頻段變化非常劇烈，其頻段位置向低頻段發生扭動。上述情況表明，通過調整優化“U”形槽的位置和長度，可以實現濾波器陷波頻段的靈活控制。

圖6　微帶線上槽線位置對散射參數的影響

當工作頻率為5.75 GHz時，圖7給出了濾波器微帶線上的電流強度分布圖，可見此時電流主要分布在“U”形槽的周邊，其它區域基本不存在電流。通過軟件優化，得到濾波器最后的尺寸為：L=30 mm，W=15 mm，h=0.8 mm，Lg1=4.2 mm，Lg2=10.2 mm，Wg1=0.1mm，Wg2=0.45 mm，W0=0.61 mm，L0=3.98 mm，s=0.25 mm，X0=7.5 mm，Ws=0.1 mm，S0=0.16mm，Ls= 5.3 mm。

圖7　微帶線上的電流分布（f=5.75 GHz）

圖8為濾波器實物照片，介質基板采用Rogers板材，介電常數為10.2，厚度為0.8 mm。圖9給出了濾波器的仿真S11曲線與實測數據的對比，圖像表明兩者之間有一定的差別，但曲線走向基本一致，電路的制作誤差及測試條件可能是造成這些誤差的原因。

圖8　濾波器實物照片

圖9　濾波器回波損耗的實測值與仿真值

2　結語

利用階躍阻抗槽線多模諧振器和開槽陷波的工作機理，結合微帶線與槽線的信號轉換原理，設計了一款具有陷波功能的超寬帶帶通濾波器，其陷波頻段可實現靈活調控。采用Rogers介質板材加工制作了濾波器，實測表明了該設計方法的可行性。濾波器結構簡單且緊湊，易于制作，濾波器的工作頻段覆蓋了3.20 GHz～11.40 GHz，陷波頻段大約為5.20 GHz～5.75 GHz。

［1］ Mariani E A，Agrios J P.Slotline Filters and Couplers［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，1970，MTT-18（12）：1089-1095.

［2］ Makimoto M，Yamashita S.Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，1980，MTT-28（12）：1089-1095.

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［4］ Menzel W，Zhu L，Wu K，et al.On the Design of Novel Compact Broad-Band Planar Filters［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，2003，51（2）：364-370.

［5］ Zhu L，Sun S，Menzel W.Ultra-Wideband（UWB）Bandpass Filters Using Multiple-Mode Resonator［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2005，15（11）：796-798.

［6］ Li R，Zhu L.Ultra-Wideband Microstrip-Slotline Bandpass Filter with Enhanced Rejection Skirts and Widened Upper Stopband ［J］.Electronics Letters，2007，43（24）：1368-1369.

［7］ Li R，Sun S，Zhu L.Synthesis Design of Ultra-Wideband Bandpass Filters with Composite Series and Shunt Stubs［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，2009，57（3）：684-692.

王善進（1966-），男，教授，主要從事天線技術及射頻電路設計等領域的教學和研究工作，wsj999167@126.com；

劉華珠（1974-），男，教授，主要從事集成電路的教學、設計及研究工作，liu1974@126.com。

Band-Notched UWB Bandpass Filters with Mocrostrip-to-Slotline Cross-Junction Transitions*

WANG Shanjin*，LIU Huazhu，LAI Yingxin，CHEN Qiong，LI Xiuping，YANG Jie
（School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan Guangdong 523808，China）

An ultra-wideband bandpass filter with a band-notched function is proposed using a stepped-impedance multiple-mode slotline resonator and microstrip-to-slotline cross-junction transitions.The filter is implemented by a non-uniform（stepped-impedance）shorted slotline resonator，which is etched on one metal side of the substrate，is crossed at a right angle by two L-shaped open feed microstrip conductors on the opposite side.The band-notched function of the filter is achieved by the U-shaped slotlines on the two feed microstrip conductors.The passband of the filter is achieved in the frequency range of 3.20 GHz～11.4 GHz with the notched band of 5.20 GHz～5.75 GHz by the simulated and measured results.

UWB bandpass filter；multiple-mode resonator；microstrip-to-slotline transition；band-notched

TN713；TN620

A

1005-9490（2016）03-0522-04

EEACC：135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.005