一种微带-槽线型宽边耦合结构超宽带滤波器设计

姬晓春，姬五胜，张志悦，童荥贇，戴 薇

（1.天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222；2.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

随着无线通信的发展，人们的通信需求已经从最初的文件、语音及图像的数据传输步入到网络多媒体的高速数据流传输，与此同时，窄带系统已经无法满足现代无线通信发展的需求，宽带及超宽带（ultra wide band，UWB）发展已经成为了一种必然趋势[1]。对于一个宽带滤波器的设计而言，大的带宽必然需要电路的紧耦合来实现。传统的单层平面微带电路中，大部分耦合形式属于微带线之间的弱耦合，对于宽带电路的实现存在着一定的困难，同时还会带来电路尺寸过大等问题[2]。文献[3-4]提出了一款具有超宽带特性的多模谐振器，虽然实现了电路的宽带特性，但为了获取电路紧耦合，使得2 条耦合微带之间的距离只有0.05 mm，在电路制作工艺上存在着一定的困难。

相对而言，微带-槽线型宽边耦合传输线[5]由于其多层的电路结构和上下层微带间较大的耦合面积，在设计宽带微波器件时具有较大的优势。基于此结构，文献[6]提出了一种微带-槽线型宽边耦合结构相移器，电路的上下层面上敷有一种椭圆贴片，中间层为椭圆形耦合槽；该相移器在3～11 GHz 的带宽内性能优良。利用该微带-槽线型宽边耦合结构分别设计了具有超宽带特性的耦合器[7]、滤波器[8-10]及功率分配器[11-12]等。文献[5]通过串联多个椭圆微带-槽线型耦合谐振器，增强电路耦合，提高电路分数带宽，实现了电路的宽带特性。基于文献[5]的设计思想，文献[13]改进了文献[6-12]中的谐振器结构，用一种弯曲T 型微带贴片替换了[8]中的椭圆微带贴片，并设计了一种具有陷波特性的UWB滤波器，该滤波器能够实现在整个5～6 GHz 内对WLAN 信号的屏蔽功能，体现出弯曲T型结构独特的器件性能。与椭圆微带贴片相比，弯曲T 型微带贴片构成的微带-槽线型宽边耦合谐振器不仅可以实现陷波特性的UWB滤波器设计，而且带内传输极点带来的紧耦合使得电路宽带性能更加优越[13]。

本文基于文献[13]，分析了单个弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器的电路性能，并通过多个谐振器的串联实现了一款UWB滤波器，同时分析了单个谐振器和多个谐振器级联后带内传输极点的分布情况。传输极点的分布规律表现出了弯曲T 型优良的紧耦合特性和宽带特性。通过二端口级联网络分析了谐振器单元之间的级联特性、传输特性和宽带性能，对影响滤波器性能的重要参数进行了仿真和分析。

1 弯曲T 结构微带-槽线型谐振器设计

弯曲T 型微带贴片是由一个大的半圆形微带贴片除去2 个小的半圆形后形成2 个凹槽，然后与微带线直接相连形成，其结构如图1所示。图中：w1为微带线的宽度，O 和Dm分别为大半圆形微带贴片的圆心和直径，Dm1为凹槽的直径，且与Dm的关系为Dm1=（Dm-w1）/2。

图1 弯曲T 型微带贴片结构

弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器结构如图2所示。图中Ds为中间层圆形耦合槽的直径，上下2层介质面上的弯曲T 型结构尺寸一致且与耦合槽共同形成微带-槽线型宽边耦合结构。h 为每一层介质的厚度，L 为长度，W 为宽度，弯曲T 型微带贴片和中间层耦合槽的圆心O 处在同一垂直方向上。电路分别以弯曲T 型微带贴片作为谐振器的输入端和输出端，通过中间层耦合槽相互耦合。

图2 弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器结构

对于一个谐振器单元而言，假设上下层微带贴片之间的耦合系数为K，而弯曲T 型微带贴片的边缘是一个开路端，每个谐振器中输入端反射系数S11与输出端传输系数S21的计算公式为[5，8]：

式中：K 为上下层弯曲T 型微带贴片之间的耦合系数；βef为耦合区电长度且βefl1=π/2；耦合区长度l1为中心频率f0所对应的λg/4 波长。

弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器结构的仿真S 参数如图3所示。

图3 弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器结构的仿真S 参数

参照图1 和图2 所对应的参数关系且保证输入端和输出端微带线为标准的50 Ω，取w1= 1.15 mm，Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，h1=h2=0.508 mm，电介质层采用Rogers4003C 材料，介电常数εr=3.55，损耗角正切为δ=0.002 7。

图3 中，单个弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器的通带中心频率f0为5.2 GHz，通带的上、下频点分别为3.3 GHz 和7.1 GHz，可算得3 dB 分数带宽为73%；带内回波损耗S11优于-12 dB，同时存在的2 个传输极点加强了电路耦合。

2 UWB滤波器设计及传输极点分析

2.1 多个弯曲T型谐振器级联特性分析

当多个耦合单元级联时，电路结构有一个特点：对于偶数个谐振器单元的组合，输入和输出端位于同一层，而对于奇数个谐振器单元，2 个端口位于不同层。本文以3 个谐振器单元的级联结构为例设计UWB滤波器。

3 个耦合单元UWB滤波器电路整体结构如图4所示，上、下层弯曲T 型微带结构如图5所示，中间层耦合槽结构如图6所示。在图4-6 中，O1、O2和O3分别为谐振器耦合区圆心，相邻耦合区圆心之间距离为d，Ds为耦合槽直径。

2 个谐振器单元级联时的信号流程如图7所示，该流程图可视为由3 个二端口网络级联而成。

图4 3 个耦合单元UWB滤波器电路整体结构

图5 上、下层弯曲T 型微带结构

图6 中间层耦合槽结构

图7 2 个谐振器单元级联时的信号流程

设连接2 个谐振器单元之间的微带线长度为la，它与耦合区圆心之间的距离d 之间的关系为la=d-Ds。假设第j 个谐振单元和第i 个端口处的入射信号和反射信号分别为对于中间连接区域的微带线而言，假设当作为该区域入射信号传输时，引入相移常数其中，相位常数为中心频率在介质中对应的波长。由微波网络分析可知，网络输入端和输出端的回波损耗插入损耗则谐振单元之间S 参数表示为[8，13-15]：

假设谐振单元之间为理想匹配状态，由于谐振器与级联区域接相连，对于同一个直连端口而言

在2 个谐振单元之间的传输特性分析之上，可把式（3）和（4）推广到n 个谐振器级联的情况。第n 个谐振单元与前n-1 个耦合单元之间的S 参数可通过前n-1 个谐振单元级联后的有效S 参数和第n 个谐振单元的输出端有效S 参数来获取，可得：

由以上分析可知，连接2 个谐振单元之间的微带线长度la对于电路传输特性有着重要的影响，为了最佳的电路匹配，la的选择非常关键，同时，为了使电路损耗最小和一些不必要的耦合出现，级联区域的微带线需保持50 Ω。根据d 值与la的关系，3 个谐振单元级联后，la对电路S 参数的影响如图8所示。参数分别取Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，w1=w2=1.15 mm。当la分别为1.3 mm 和2.5 mm 时，通带内回波损耗S11和插入损耗S21非常差，而当la值为3.7 mm 时，通带内插入损耗S21均在-2 dB 之内，并且带外的抑制能力也得到了改善。

图8 la 对电路S 参数的影响

2.2 UWB滤波器的实现

基于以上分析，利用图4 中3 个弯曲T 型微带-槽线型宽边耦合谐振器级联后实现UWB滤波器。考虑到带内插入损耗的平稳和群时延等因素，取w1=1.15 mm，Dm= 4.5 mm，Ds= 6.1 mm，la= 3.3 mm，h1= h2=0.508 mm。UWB滤波器S 参数及群时延如图9所示。

图9 UWB滤波器S 参数及群时延

通带中心频率f0为7.1 GHz，通带的上、下频点分别为3.7 GHz 和10.5 GHz，可算得3 dB 分数带宽为96%；带内回波损耗S11小于-10 dB，其他频段均优于-15 dB，带内群时延变化范围为0.22 ns。同时，带内存在6 个传输极点，加强了电路耦合。

2.3 带内传输极点分析

由式（5）、（6）可知，同一个电路中，不同数量的弯曲T 型谐振器级联时，谐振器之间的最佳匹配由la决定。2 个谐振器单元级联后S 参数及传输极点的分布情况如图10所示。

图10 2 个谐振器单元级联后S 参数及传输极点的分布情况

保持其他参数与图3 一致，考虑到谐振器之间的最佳匹配，la的取值在图8 中为4.9 mm，带内存在4 个传输极点，其3 dB 分数带宽为87%。结合图3 中单个谐振器与图9 中3 个谐振器级联后传输极点的分布情况与分数带宽，在电路满足最佳匹配的条件下，可以总结如下规律：

（1）一个弯曲T 型谐振器可以在带内产生2 个传输极点，多个谐振器级联后，当la取值满足最佳匹配的情况下，通带内传输极点个数与谐振器个数呈2倍关系。

（2）级联的谐振器个数越多，传输极点越多，电路耦合越强，产生的电路带宽越大。

3 结 语

本文通过一种弯曲T 型微带贴片设计了一种微带-槽线型宽边耦合结构谐振器，并通过多个谐振器串联实现UWB滤波器的设计。通过级联网络分析可知，微带线长度la是多个谐振器级联后电路性能的重要参数；在la满足谐振器之间最佳匹配条件的时候，通带内传输极点呈现规律性分布，这有利于控制电路耦合程度与分数带宽。同时电路存在着对带外信号的抑制能力不够理想的问题，如单个谐振器和2 个谐振器串联时，上阻带带外抑制还未达到-15 dB；3 个谐振器串联后带外抑制虽然得到了改善，但是同时带来了电路尺寸过大等问题。对于多个弯曲T 型谐振器串联后的电路，今后尝试通过改变电路结构来实现电路小型化，并实现更好的带外抑制特性。