無線通信中微帶濾波器的研究與設(shè)計論述

曹飛

[摘 要]隨著社會的不斷發(fā)展和科技的日新月異，無線通信也迎來了一個嶄新的時代，它已經(jīng)逐漸滲透到我們每個人生活的點點滴滴。短距離的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展更是迅速，這些短距離的無線數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用更是對微帶濾波器提出了更高的要求。本文結(jié)合筆者的經(jīng)驗，從無線通信中的微帶濾波器的設(shè)計入手，通過其設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了更加符合要求的微帶濾波器。

[關(guān)鍵詞]無線通信；微帶濾波器；多通帶濾波器；超寬帶濾波器；研究設(shè)計

中圖分類號：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0216-01

隨著科技的發(fā)展和人們生活的要求，通信行業(yè)越來越熱門。不得不承認(rèn)，通信行業(yè)的不斷發(fā)展改變了信息的傳遞方式，也進(jìn)一步改變了人們的生活方式并且不斷促進(jìn)著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。無線通信源于電磁波，近年來，短距離通信更是得到了急速的發(fā)展。微帶濾波器主要解決的就是短距離通信，通常是在幾十米以內(nèi)的問題。濾波器的“濾干擾、減噪聲”的功能十分重要，本文則就其展開具體討論。

1 微帶濾波器的定義

在電路上看，濾波器可以被視為一個二端口網(wǎng)絡(luò)。其工作特性參數(shù)是插入損耗，定義為輸出端口接匹配負(fù)載時，輸入功率與負(fù)載吸收功率之比。濾波器主要是根據(jù)濾波器的插入損耗的頻率響應(yīng)特性的不同來進(jìn)行區(qū)別，分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器這四種。

2 開口諧振環(huán)的研究

2.1 開口諧振環(huán)的介紹

開口諧振環(huán)就是在微帶上表面制作的一種諧振結(jié)構(gòu)，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制造左手材料和微帶濾波器的設(shè)計之中。其結(jié)構(gòu)主要包括微帶開口諧振環(huán)和地面缺陷開口諧振環(huán)兩部分組成。其中微帶開口諧振環(huán)又可以等效成半波長諧振波，半波長諧振的頻率是和總長度成反比的。而地面缺陷開口諧振環(huán)與之相比，它的諧振頻率就更高一些而且諧振頻率隨著縫隙增大變得也更加快一點。

2.2 開口諧振環(huán)的耦合特性分析

開口諧振環(huán)的耦合分為腔間耦合諧振和開口環(huán)腔間耦合兩種，腔間耦合諧振和開口環(huán)腔間耦合都可以分成電場耦合、磁場耦合和混合耦合三種。本文主要介紹口環(huán)腔間耦合，其實根據(jù)諧振環(huán)旋向的不同，被分成電場耦合、磁場耦合和混合耦合這三種的。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在相同的環(huán)間距下，缺陷開口環(huán)的磁耦合大于電耦合。而且當(dāng)耦合方式相同的情況下，缺陷開口諧振環(huán)耦合都大于微帶開口諧振環(huán)。

下表則對微帶環(huán)耦合和地面缺陷環(huán)耦合的不同性質(zhì)進(jìn)行比較：

根據(jù)以上兩表的比較，可以得出兩種不同耦合方式的耦合強(qiáng)度的大小關(guān)系，其中，在微帶諧振環(huán)中，耦合強(qiáng)度大小為：側(cè)面反向 > 對邊 > 開口 > 側(cè)面同向；而在地面缺陷諧振環(huán)中，耦合強(qiáng)度大小為：對邊 > 側(cè)面反向 > 開口 > 側(cè)面同向。

由上表可知，當(dāng)微帶環(huán)與地面缺陷環(huán)側(cè)邊同向耦合的時候的耦合程度最好，當(dāng)微帶環(huán)與地面缺陷環(huán)對邊耦合的時候就次之了，但是這兩種都可以應(yīng)用于濾波器的設(shè)計之中。但是當(dāng)微帶環(huán)與地面缺陷環(huán)開口邊或者是側(cè)邊反向的時候耦合程度就很小了，不能被應(yīng)用于濾波器的設(shè)計。

3 寬帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和綜合設(shè)計

3.1 超寬帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)今的無線通信行業(yè)中，濾波器需要具有尺寸小、性能好和穩(wěn)定性高等特點，超寬帶帶通濾波器正好具備帶寬和頻率雙高的特點，但是對于其設(shè)計上的要求就更高了。而在超寬帶濾波器的設(shè)計之中，對高頻諧振波抑制的研究很重要。抑制高頻諧振波主要由兩種方法，一是將地面開口諧振環(huán)和高低阻抗線相結(jié)合，可以拓展阻帶的帶寬，從而就可以得到寬帶低通濾波器了；第二種方法是設(shè)計高頻帶阻濾波器，設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)是利用波長傳輸線和一個單位波長傳輸線來實現(xiàn)帶阻特性。

3.2 超寬帶帶通濾波器的綜合設(shè)計

超寬帶最早用于軍事，在20 dB處的絕對帶寬大于 1.5 GHz或相對帶寬大于25%的可以稱之為超寬帶信號。應(yīng)用超寬帶信號來實現(xiàn)通信主要具有以下幾點優(yōu)勢：超寬帶信號傳輸?shù)乃俣雀?、硬件實現(xiàn)的過程較容易、室內(nèi)多徑分辨能力較強(qiáng)、抗干擾的能力強(qiáng)、消耗的功率也低。所以其成為了室內(nèi)的條件下解決高速大容量局域網(wǎng)的最好的解決方式。當(dāng)今的寬帶帶通濾波器分為平行耦合線濾波器，梳狀線濾波器，開路或者短路枝節(jié)濾波器和交指型濾波器這幾種，但是它們已經(jīng)漸漸的不能滿足現(xiàn)在人們對于帶寬的需求。所以針對此種情況，可以通過設(shè)計如“并聯(lián)四分之一波長短路枝節(jié)結(jié)構(gòu)”、“三線平行耦合線結(jié)構(gòu)”、“多模諧振平行耦合線結(jié)構(gòu)”、“高低通濾波器組合結(jié)構(gòu)”、“DGS 結(jié)構(gòu)”這些結(jié)構(gòu)來提高帶寬。最終結(jié)合這些結(jié)構(gòu)形成“基于Z變換”的優(yōu)化綜合方法來設(shè)計濾波器，這個方法不僅優(yōu)化了濾波器的設(shè)計過程，使濾波器的設(shè)計更加符合實際，也更加符合理想的頻選特征。

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