一種簡(jiǎn)單微帶線/共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型超寬帶帶通濾波器*

黃近秋，曹建忠，王善進(jìn)

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣東惠州516007;2.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東 東莞523808)

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)允許超寬帶技術(shù)的民用，并開放了相應(yīng)的免費(fèi)民用頻段后，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)因信號(hào)功耗小、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點(diǎn)成為近些年通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-2］。超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的興起，帶動(dòng)了一系列相關(guān)研究的開展，超寬帶濾波器作為超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響通信系統(tǒng)整體指標(biāo)的水平。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能優(yōu)越的超寬帶濾波器的研究一直以來(lái)都是相關(guān)研發(fā)人員的興趣所在。

超寬帶濾波器可以利用高通濾波器與低通濾波器的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)［3］，該原理簡(jiǎn)單明了，但顯然體積相對(duì)更大，不太符合小型化的設(shè)計(jì)理念;也可采用短路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)［4-5］，這種濾波器的結(jié)構(gòu)主要包括四分之一波長(zhǎng)短截線和半波長(zhǎng)連接傳輸線;也有采用階梯阻抗開路枝節(jié)替代短截線或其他的一些改進(jìn)方法，包括引入電磁帶隙結(jié)構(gòu)、加載扇形枝節(jié)、枝節(jié)折疊結(jié)構(gòu)等，從而提高濾波器帶外性能，實(shí)現(xiàn)緊湊結(jié)構(gòu);多模諧振器結(jié)構(gòu)也可用于設(shè)計(jì)超寬帶濾波器，其基本原理是利用諧振器在頻帶內(nèi)產(chǎn)生的多個(gè)諧振模式以展寬頻帶［6-7］，該類濾波器一般要利用平行耦合饋線構(gòu)成強(qiáng)耦合的輸入輸出端口，由于強(qiáng)耦合導(dǎo)致耦合線之間間隙非常小，不便制作，所以有時(shí)會(huì)采用具有缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)的平行耦合線［8］。文獻(xiàn)［9-10］利用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超寬帶濾波器，電路基板頂層微帶傳輸線與接地板上的共面波導(dǎo)諧振器之間的耦合機(jī)理可實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波特性。

本文提出了一種新型簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的超寬帶帶通濾波器，該濾波器由T形階躍阻抗微帶線和四分之一共面波導(dǎo)諧振器組合而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。利用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明其通帶范圍覆蓋了3.1 GHz～10.6 GHz，且選擇性良好，符合FCC的UWB無(wú)線通信的指標(biāo)要求。

1 結(jié)構(gòu)

圖1為濾波器頂面和底面的具體結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基板尺寸為L(zhǎng)×W×h，介電常數(shù)為 εr，兩面均覆有銅?；宓捻斆嫔铣瘦S對(duì)稱地設(shè)置有兩條分別用于信號(hào)輸入和輸出的階躍阻抗微帶開路線，每條微帶開路線呈T字形，其中長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、寬度為W1的兩條對(duì)稱微帶線構(gòu)成濾波器的輸入、輸出端口，與之級(jí)聯(lián)的另一對(duì)長(zhǎng)為L(zhǎng)2、寬為W2開路微帶線構(gòu)成耦合微帶線，耦合線間距為S，該耦合微帶線的下端各接有L3×W3的矩形微帶線枝節(jié)，參見圖1(a)。介質(zhì)基板的底面為覆銅的接地板，接地板上通過(guò)開槽除去覆銅，使之形成四分之一波長(zhǎng)共面波導(dǎo)諧振器。開槽的寬度為g，諧振器為(L4-2g)×(W4-2g)的矩形微帶，且與尺寸為(W6+g)×ga的細(xì)長(zhǎng)矩形微帶相連，該細(xì)長(zhǎng)微帶的另一端與地短路。在諧振器的另一條邊的中心位置(長(zhǎng)度為L(zhǎng)4-2g的邊)向內(nèi)開有尺寸為(W5×L5)的矩形凹槽，整個(gè)諧振器僅有最上端與地短路，最后諧振器呈現(xiàn)一倒“Y”形，見圖1(b)所示。

圖1 濾波器的頂層和底面結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)

濾波器頂層左、右兩側(cè)的T形微帶線與底層的微帶(諧振器)之間可形成電容效應(yīng)，諧振器通過(guò)一條細(xì)長(zhǎng)微帶線與地短路，形成電感效應(yīng)。頂層的兩條T形微帶線之間的電磁耦合效應(yīng)構(gòu)成的電容效應(yīng)，可起到輸入、輸出端口之間交叉耦合的作用，可用來(lái)控制濾波器通帶低頻端傳輸零點(diǎn)的形成。通過(guò)調(diào)整頂層T形微帶線邊緣上大小為L(zhǎng)3×W3的微帶線枝節(jié)，可控制濾波器通帶高頻端傳輸零點(diǎn)，濾波器等效的集總電路模型見圖2所示［10］。

圖2 濾波器的等效電路

利用 HFSS建模，板材選取 Rogers RT，εr取2.33，板厚h=0.787 mm。保持濾波器結(jié)構(gòu)其他尺寸不變(下同)，改變頂層開路線上的延伸部分的寬度W3和長(zhǎng)度L3，S21的變化十分明顯，見圖3所示，主要表現(xiàn)在高頻截止點(diǎn)及其傳輸零點(diǎn)的劇烈移動(dòng)，隨著寬度W3的增大，濾波器的高頻截止點(diǎn)和傳輸零點(diǎn)均往高處移動(dòng)，長(zhǎng)度L3從3 mm減小到2 mm時(shí)，頻段的高頻段部分發(fā)生移動(dòng)，參見圖4。注意到L3從2 mm減小到1 mm時(shí)，濾波器通帶幾乎不變，但右邊的傳輸零點(diǎn)從-27 dB左右降低到-42 dB。圖5表明隨著W2增大，插損隨之變大，帶寬變窄，但低頻截止點(diǎn)不變。改變諧振器的尺寸W4或L6，將改變其諧振頻率，從而改變?yōu)V波器的通帶特性，圖6和圖7表明了這種影響是顯著的。微帶短路枝節(jié)的長(zhǎng)度W6和寬度ga的變化，將改變?yōu)V波器等效電路模型中電感L1的量值，圖8和圖9給出了這種變化關(guān)系。濾波器性能對(duì)諧振器凹槽尺寸的改變非常敏感，尤其是凹槽長(zhǎng)度W5的變化，圖10提示改變W5將引起濾波器通帶的明顯變化，特別表現(xiàn)在高頻截止點(diǎn)及其傳輸零點(diǎn)的劇烈變化。凹槽寬度L5變化所帶來(lái)的影響相對(duì)溫和，主要表現(xiàn)在通帶的右半部分，低頻段則幾乎沒(méi)有改變，如圖11所示。圖12和圖13給出了接地板開槽寬度的影響，槽寬的改變引起了濾波器上下結(jié)構(gòu)間的電磁耦合量之改變，也就引起了等效電路模型中相關(guān)元素的數(shù)值，從而改變了濾波器的傳輸特性。圖14 3.0 mm，W2=4.0 mm，S=0.1 mm，L3=2.0 mm，W3=0.2 mm，L4=6.6 mm，W4=4.4 mm，L5=0.5 mm，W5=1.1 mm，L6=3.0 mm，W6=2.9 mm，ga=0.2 mm，g=0.2 mm。為優(yōu)化后濾波器的S參數(shù)，S曲線表明濾波器的帶寬涵蓋了3.1 GHz～10.6 GHz的范圍，且通帶兩邊到阻帶的過(guò)渡段陡峭，表明器件具體良好的選擇性。優(yōu)化后濾波器具體尺寸為L(zhǎng)1=6.95 mm，W1=1.8 mm，L2=

圖3 S21隨微帶開路線延伸部分寬度的變化曲線

圖4 S21隨微帶開路線延伸部分長(zhǎng)度的變化曲線

圖5 S21隨濾波器微帶耦合線寬度的變化曲線

圖6 S21隨共面波導(dǎo)諧振器寬度的變化曲線

圖7 S21隨共面波導(dǎo)諧振器長(zhǎng)度的變化曲線

圖8 S21隨諧振器短路枝節(jié)長(zhǎng)度的變化曲線

圖9 S21隨諧振器短路枝節(jié)寬度的變化曲線

圖10 S21隨諧振器凹槽長(zhǎng)度的變化曲線

圖11 S21隨諧振器凹槽寬度的變化曲線

圖12 S21隨地板開槽寬度的變化曲線

圖13 S11隨開槽寬度的變化曲線

圖14 優(yōu)化后濾波器的S參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型超寬帶帶通濾波器，由介質(zhì)板材上層的一對(duì)T形微帶開路線和接地板上的倒Y形四分之一波長(zhǎng)共面波導(dǎo)諧振器組合而成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊，容易加工，易于與其他電路集成。利用HFSS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，濾波器的頻帶范圍為3.1 GHz～10.6 GHz，選擇性良好，可以滿足實(shí)際的需求。

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