基于加载谐振器的陷波超宽带滤波器的设计

南敬昌，王 颖



基于加载谐振器的陷波超宽带滤波器的设计

南敬昌，王 颖

（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105）

采用加载谐振器结构，设计了一款在8 GHz处具有陷波特性的超宽带滤波器，有效地避免了X波段卫星通信系统（7.9~8.395 GHz）的连续波对超宽带通信系统的干扰。在三模谐振器的基础上加载中心加载谐振器，通过调整加载谐振器的参数对陷波频率进行调控，使得滤波器在超宽带范围内产生陷波。利用HFSS进行仿真后结果表明，该超宽带滤波器的通带在2.5~10.3 GHz，通带范围内插入损耗在0.9 dB左右，带外衰减十分陡峭。其陷波中心频率发生在8.19 GHz，在陷波频段（7.98~8.40 GHz）范围内最小插入损耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整体性能表现优良。实际测试结果与仿真结果基本一致，性能指标能够达到设计要求。

多模谐振器；陷波；超宽带；滤波器；频率；插入损耗

随着通信行业的迅猛发展，超宽带（UWB）系统以其结构简单、成本低、功耗小、数据传输率高、安全性高等优点在通信领域中得到越来越广泛的应用。超宽带微波滤波器在超宽带系统中承担信号选择的重任，对系统的整体性能有着重大影响。根据美国联邦通信委员会（FCC）的定义，超宽带系统的频率范围为3.1~10.6 GHz，这其中也有一部分应用于现代无线通信系统中的窄带频段，因此在设计超宽带滤波器时也应考虑如何避免与现有通信系统之间的干扰问题[1]。

近些年来研究者们不断提出多种新型的超宽带滤波器的结构和形式。高低通滤波器级联是实现UWB滤波器较为简单易行的技术[2-4]。如2005年Hsu等[5]提出的采用低通滤波器和高通滤波器相互嵌入级联的方式设计滤波器，但此种方法很难满足当前滤波器小型化的需求。四分之一波长短路枝节线滤波器设计方法也是实现UWB滤波器的一种形式。其结构由/4的短路枝节和半波长连接线构成[6-8]。文献[9]中，四分之一波长短接线被阶梯阻抗开路枝节代替，提升了滤波器的带外性能。但是其中枝节导纳的改变会严重影响滤波器的相对带宽。混合微带共面波导法是近年来设计UWB滤波器的常用方法，该方法利用微带馈线结构，同时引入源负载耦合，在高低阻带均产生了传输零点，使得阻带十分陡峭[10-12]。多模谐振器结构最早由Zhu等[13-15]提出，并提出将阶梯阻抗多模谐振器应用于超宽带滤波器中。多模谐振器结构是到现在为止最适合高性能、小体积UWB滤波器的设计方法。

本文主要针对如何避免通信系统信号之间的相互干扰和冲突这一问题进行研究，在文献[16]中，Menzel等创新性地提出了具有陷波特性的超宽带滤波器。这种陷波超宽带滤波器能够有效避开与现有系统的频段冲突，并可根据需要来调整陷波频率。陷波滤波器的设计方法主要分为三种，第一种为开路枝节法，第二种为非对称耦合线法，第三种为加载谐振器法。其中加载谐振器法以其结构清晰、易于实现、陷波可调自由度高且整体性能表现良好等优势，逐渐成为设计陷波超宽带滤波器的主要方法。其基本思想就是在超宽带滤波器的谐振器或耦合线旁边，加载一组或多组谐振器，达到引入传输零点的目的。本文据此创新性地设计了一款在8.19 GHz处能够产生陷波的超宽带滤波器，该滤波器能够有效避免X波段卫星通信系统的连续波对超宽带通信系统的干扰。采用加载多模谐振器的方法进行设计，并利用HFSS进行仿真后结果表明，该超宽带滤波器的通带在2.5~10.3 GHz，其陷波中心频率发生在8.19 GHz，陷波频段7.98~8.40 GHz范围内最小插入损耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整体性能表现优良。

1 设计原理

本文设计了一种采用加载多模谐振器结构、在8 GHz处具有陷波特性的超宽带滤波器。其结构示意图如图1所示，首先在三模谐振器的基础上，通过从谐振器的两侧引出两个开路枝节再加以平行耦合，使其增进为交指耦合线，获得更强的耦合来提升UWB通带的带内性能。然后在原谐振器基础上加载中心加载谐振器，通过调整加载谐振器参数调控陷波频率，使得滤波器在超宽带范围内产生陷波、避免X波段卫星通信系统（7.9~8.395 GHz）连续波对超宽带通信系统的干扰。

图1 超宽带带通滤波器结构

本文设计的超宽带滤波器采用的介质基片的相对介电常数为2.2，介质基板的厚度为3.0 mm。1为耦合线的长度，1为耦合线之间的距离，耦合线的宽度为1=0.5 mm。

由微带传输线理论可知，谐振器耦合线的有效介电常数表达式为

式中：r代表相对介电常数；代表介质基片厚度；代表耦合线的宽度。将各参数代入计算可得e1的值为1.67。1的计算公式为

(2)

式中：p代表相波长；e代表频率；代表自由空间光速。计算可得1的值为8.4 mm。同理，谐振器的宽度为2=5.4 mm，谐振器的有效介电常数

谐振器的长度为

(4)

2 图形仿真

如图2所示，这里采用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0，对本节设计的滤波器模型进行仿真验证，该滤波器在软件中的模型如图2所示。

图2 超宽带带通滤波器建模模型

图3和图4所展示的是该滤波器随加载谐振器的尺寸调整而变化的散射参数响应曲线。通过调节加载谐振器的尺寸来改变谐振的频率，从而改变陷波频率的特性。图3为在HFSS中保持枝节及宽度1，2的值不变，3取值分别为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9 mm时，用HFSS仿真之后的结果。随着3值的变化，滤波器的带宽和陷波中心频率都在随之改变。另外考虑到随着尺寸变小，加工精度要求越高，不容易实现。综合考虑尺寸大小和性能影响这两方面因素，取3的值为0.5 mm。也可以通过调整谐振器的长度6来调节通带宽度以及陷波特性。同样，保持枝节1~5和宽度不变，对枝节6分别取1.5，2.0，2.5 mm时，对超宽带陷波处的传输特性进行观察。由图4可以看出，随着6的减小，陷波的中心频率逐渐右移，从7.8 GHz移动到8.45 GHz，可以较好地在超宽带范围内实现陷波调节的要求。如果为了追求滤波器体积的小型化而对6取值过小，很有可能会造成带内衰减过大，影响其整体性能。所以本设计选取6的最终参数值为2.5 mm。

图3 加载谐振器参数W3变化对陷波频率的影响

在选择结构中枝节的尺寸参数时，既要保证所设计陷波频段的阻带带宽有较高的衰减量，同时也要考虑加工精度的因素，二者兼顾才能确定最后的尺寸大小。经多次结构参数的调整和优化，最终的具体尺寸参数如表1所示。从而得到该滤波器的参数仿真曲线如图5所示。虚线代表11，实线代表21。可以观察到，该超宽带滤波器的通带在2.5~10.3 GHz，通带范围内插损在0.9 dB左右，高低阻带外抑制良好。其陷波中心频率发生在8.19 GHz，深度达到–17.4 dB，陷波频段7.98~8.40 GHz范围内最小插入损耗低于–7 dB，具有良好的抑制水平，整体性能表现优良。通带内的回波损耗小于–15 dB，插入损耗优于–2.8 dB，高频端阻带宽度从10.92 GHz到12.25 GHz，具有良好的通阻带特性。

表1 超宽带滤波器结构中的参数

Tab.1 Parameters of the ultra wideband filter structure

图5 S参数仿真结果

图6给出了所设计滤波器的群时延特性曲线。从图中可以看出，在通带范围的内群时延远远低于0.5 ns，在通带内陷波中心频率8.19 GHz处群时延急剧增大，这些群时延特性和传输特性曲线反应相同，说明所设计的滤波器是合格的超宽带滤波器。该款滤波器实物图如图7所示。图8为测试结果，与仿真结果有细微差别，主要是因为仿真精度、测试环境及硬件随机性等因素产生的误差。但需要补充的不足之处在于，当改变加载谐振器的参数获取陷波效果时，原超宽带通带范围受到影响也会随之变化。也就是说，当加载的加载谐振器与原多模谐振器共同作用的时候，它们之间存在相互的谐振，增加或减小中心加载谐振器的长度或宽度，势必也会影响它们之间的相互谐振，从而影响通带的效果。因此，在加载谐振器与原超宽带滤波器的工作独立性方面还需要进一步研究和优化。

图6 超宽带带通滤波器的群时延

图8 测试结果和仿真结果对比

3 结论

采用加载多模谐振器的方法设计出一款具有单陷波特性的超宽带滤波器，并利用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0对该超宽带滤波器进行建模，优化仿真。通过曲线图可以看出该滤波器通带波纹十分平坦，在陷波频率处具有良好的抑制水平，整体性能表现优良。这款超宽带滤波器结构紧凑，且满足尺寸小型化的要求，可避免X波段卫星通信系统（7.9~8.395 GHZ）连续波对超宽带通信系统的干扰。

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（编辑：陈渝生）

Design of a band notched filter for UWB applications based on loaded multi-mode resonator

NAN Jingchang, WANG Ying

(School of Electrics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, Liaoning Province, China)

A UWB filter was designed with notch characteristics at 8 GHz based on loaded resonator structure, which could avoid the interference of the continuous wave of X band satellite communication system (7.9－8.395 GHz) on UWB communication system effectively. Based on the three mode resonator, by adjusting the parameters of the loaded resonator to adjust the notch frequency, so the filter was generated the notch band over the ultra wide band. The results of simulation by HFSS show that the bandwidth of the ultra wide band filter is in 2.5－10.3 GHz, and the insertion loss is about 0.9 dB, with a very steep attenuation in outside of the pass band. The center frequency of the trapped wave occurs at 8.19 GHz, and the minimum insertion loss is lower than –7 dB in the notch band (7.98－8.40 GHz), which has a good suppression level and a good overall performance. The actual test results are basically the same as the simulation results, and the performance indexes can meet the design requirements.

multi-mode resonator; notch band; ultra wide band; filter; frequency; insertion loss

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.012

TN713

A

1001-2028（2017）02-0054-05

2016-11-25

王颖

国家自然科学基金资助项目（No. 61372058）；辽宁省高校重点实验室资助项目（No. LJZS007)

南敬昌（1971－），男，河南滑县人，教授，主要从事射频电路与系统、通信系统与仿真的研究，E-mail: 1379483777@qq.com ；王颖（1993－），女，辽宁大连人，研究生，研究方向为射频无源器件，E-mail: 1379483777@qq.com 。

网络出版时间：2017-02-14 15:13:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.012.html