一种小型化的超宽带微带带通滤波器的设计

艾明贵， 梁显锋

（1. 中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100190； 2. 中国科学院大学 北京 100190）

2002 年，美国联邦通信委员会将3.1～10.6 GHz 频段设为民用超宽带（Ultra－wideband）频段，并使之能够应用于超宽带设备[1]，超宽带通信是一种无线通信新技术，带宽高达7.5 GHz，有效保障了超高速的数据传输，发射功率较低，功耗小，抗干扰性能强。

目前，超宽带技术因其优良性能引起各界极大关注。 作为超宽带系统中的一种核心器件，超宽带滤波器的性能好坏直接影响到整个系统的优劣，因此超宽带滤波器的研究成为学者们的关注热点和重点。

超宽带滤波器可以通过级联低通高通滤波器来实现[2－4]，利用低/高通滤波器分别产生的高端/低端阻带级联合成所需带通通带。 这种结构电路尺寸较大，不太符合小型化的设计理念。 另外一种方法是采用短路枝节线结构[5]，滤波器的结构包含有四分之一波长短截线和半波长连接传输线。在文献[6－10] 中作者提出了多种微带多模谐振器构成不同结构超宽带滤波器的方法，利用阶跃阻抗的概念控制谐振器的前3 个谐振点在频带内来实现超宽带带带通特性。 该滤波器中所采用的多模谐振器是以通带中心频率为基准的全波长。 这类滤波器结构简单，在通带内性能表现良好，但是阻带内的无用谐波不能被有效克服。

本文提出了一种新型的超宽带带通滤波器，通过将带阻结构嵌入到环形槽线谐振器中，有效提升高频抑制特性的同时极大地减小了电尺寸。 滤波器模型尺寸仅为13.82×6.74 mm2。

1 超宽带带通滤波器的设计

图1 为设计的超宽带带通滤波器模型结构图，其中滤波器顶层为50 欧微带线连接着圆形微带枝节， 底层为环形槽线谐振器和两对圆形槽线结构。 采用槽线谐振器和顶层微带枝节耦合的方式，实现类似文献[7]中微带/共面波导耦合结构，产生UWB 通带特性。 优化后的滤波器结构参数如表1 所示，以下讨论全部基于表1 中的参数组合。

在带通滤波器的设计中耦合电路可以起到阻抗变化的作用， 电容耦合电路和电感耦合电路分别用J 变换电路和K变换电路表示[10]，其中J 变换电路和K 变换电路的特性阻抗不同于传输线的输入输出阻抗。

J 变换电路可以通过环形槽线结构来实现， 等效电路图如图2 所示。

图1 UWB 带通滤波器结构图Fig. 1 Structure diagram of the UWB BPF

表1 滤波器尺寸参数Tab. 1 Size parameters of the filter

图2 等效电路结构图Fig. 2 Structure diagram of the equivalent circuit

在滤波器的结构中，短路部分的电长度φ 可以用一个K转换器连同两传输线部分的特性阻抗Z0=1/Y0 和两端的电长度θ1来等效， 得出短路线的奇偶导纳和转换器的K 值关系如下：

由上述分析，可以得出环形槽线谐振器和顶层微带线耦合结构的等效电路图如图3 所示。

图3 槽线谐振器和顶层微带线耦合结构等效电路图Fig. 3 Equivalent circuit of the slot-line resonator and top microstrip

仿真研究发现，顶层圆形微带枝节半径对通带有很大影响。从图4 可以看出，当圆形微带枝节半径R1为0 mm 时，阻带内的谐波未能被抑制。 R1由0 mm 变化至0.9 mm，超宽带滤波器的通带范围能够得到有效调整，同时带外谐波抑制性能有所提高。 为了进一步提升滤波器的阻带性能，在基本结构的基础上引入一对圆形槽线结构，将其对称的连接在环形槽线谐振器上，改进结构和仿真结果如图5 所示。 可以看出加入的圆形槽线结构在17.2 GHz 处产生了一个传输零点，提高了阻带抑制特性。 另外一对圆形哑铃槽线结构耦合在顶层微带线下面， 从图5 可知该结构在16 GHz 产生一个传输零点。 通过将两对带阻结构嵌入到滤波器结构里面的方式，使得带外的谐波抑制有了显著提高，与此同时，极大减小了滤波器的尺寸。

图4 圆形枝节半径对超宽带滤波器的影响Fig. 4 The effect of the radius of circular stubs to UWB BPFs

图5 三种滤波器仿真结果Fig. 5 Simulated frequency responses of three kinds of filter

2 超宽带带通滤波器的制作和测试

依据上述理论分析，在利用ADS2011 仿真软件优化的基础的上， 使用介电常数10.2， 高度0.635 mm 的罗杰斯RO3010 微波板进行超宽带微带带通滤波器的设计。 滤波器实物照片如图6 所示，我们采用安捷伦的矢量网络分析仪对加工好的滤波器进行测量，图7 为S 参数仿真和测试结果对比图，图8 显示了测量的群时延的结果。 从对比图7 可以发现，实验测试结果与仿真结果吻合良好，有着较小的插入损耗。测量结果显示通带内的群时延低于0.2 ns。测量出的-3 dB带宽为3.37～11.74 GHz，在通带内最大插入损耗为1.2 dB 左右， 该结果包含了焊接SMA 接口而引起的损耗。 在4.3～10.2 GHz 范围内反射损耗小于10 dB， 阻带工作频率可以达到20 GHz，接近中心频率6.8 GHz 的3 倍位置，抑制电平达到-20 dB，有效的抑制了高次谐波。 表2 显示了本文设计和采用级联低通高通滤波器方法设计的滤波器尺寸对比。 从对比中可以看出，嵌入带阻结构的方法相对于传统的级联低通高通滤波器的方法，在获得良好谐波抑制性能的同时，能够有效减小滤波器尺寸。

图6 滤波器实物图Fig. 6 The fabricated UWB band-pass filter

图7 仿真和实测s 参数Fig. 7 Simulated and measured results of S21 and S11

图8 测量的群时延结果Fig. 8 Measured result of group delay

表2 超宽带带通滤波器性能比较Tab. 2 Comparison of UWB BPFs

3 结 论

本文设计了一个小尺寸的超宽带带通滤波器，通过在环形槽线谐振器中心对称地引入圆形槽线结构，有效实现高频段的谐波抑制，相较于传统的引入低通结构的方法显著地减小了滤波器的尺寸。 实际测量结果显示该结构具有更加诱人的应用前景。

[1] Federal Communications Commission. Revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wide band transmission systems， first report and order （ET Docket 98-153）[J].Adopted Feb， 2002， 14: 2002.

[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.

[3] Tang C W，Chen M G. A microstrip ultra-wideband bandpass filter with cascaded broadband band-pass andbandstop filter[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on，2007，55（11）:2412-2418.

[4] Wu Z Z，Shim Y H，Rais-Zadeh M. Miniaturized UWB filters integrated with tunable notch filters using a silicon-based integrated passive device technology [J]. IEEE Trans Microw Tech，2012，60（3）:518-527.

[5] Garcia-Garcia J，boache J，Martin F. Application of Electromagnetic Bandgaps to the Design of Ultra-Wide bandpss Filters with good out-of-Band Performance [J]. IEEE Transcactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（12）:4136-4140.

[6] Zhu L，Sun S，Menzel W. Ultra-wideband （UWB） band-pass filters using multiple-mode resonator [J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE，2005，15（11）:796-798.

[7] Wang H，Zhu L，Menzel W. Ultra-wideband bandpass filter with hybrid microstrip/CPW structure[J]. IEEE Microw Wirel Compon Lett，2005，15（12）:844-846.

[8] Wang H，Zhu L. Ultra-wideband bandpass filter using backto-back microstrip-to-CPW transition structure[J]. Electronics Letters，2005，41（24）:1337-1338.

[9] Hu H L，Huang X D，Cheng C H. Ultra-wideband bandpass filter using CPW-to-microstrip coupling structure[J]. Electronics Letters，2006，42（10）:586-587.

[10]药春晖，张文梅.基于共面波导的新型超宽带带通滤波器[J].山西大学学报：自然科学版，2007，30（1）:49-52.