基于微帶線-槽線轉(zhuǎn)換的具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器*

王善進(jìn)，劉華珠，賴穎昕，陳　瓊，李秀平，楊　杰

（東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808）

基于微帶線-槽線轉(zhuǎn)換的具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器*

王善進(jìn)*，劉華珠，賴穎昕，陳瓊，李秀平，楊杰

（東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808）

利用階躍阻抗槽線多模諧振器和微帶線與槽線的信號(hào)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一款具有陷波功能的超寬帶帶通濾波器。濾波器在一塊介質(zhì)基板上制作而成，基板接地面上有一條終端短路寬度不均勻（階躍阻抗）槽線諧振器，基板的另一面有兩條與槽線諧振器垂直的“L”形的開路微帶線，作為濾波器的信號(hào)輸入和輸出端口，在這兩端口的附近各刻有一條“U”形的槽線，以實(shí)現(xiàn)濾波器的陷波功能。仿真和實(shí)測(cè)表明了濾波器的工作帶寬可達(dá)3.20 GHz～11.4 GHz，其中陷波帶寬為5.20 GHz～5.75 GHz。

超寬帶帶通濾波器；多模諧振器；微帶線-槽線正交轉(zhuǎn)換器；陷波

自3.1 GHz～10.6 GHz頻段劃歸民用以來，有關(guān)超寬帶通信技術(shù)的相關(guān)研究得到了廣泛的開展。超寬帶濾波器作為無線通信系統(tǒng)前端的關(guān)鍵部件，其性能無疑關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量，由此有關(guān)圍繞開發(fā)新型緊湊結(jié)構(gòu)和卓越性能濾波器的設(shè)計(jì)和研究，多年以來一直都是研發(fā)人員的工作熱點(diǎn)之一。鑒于實(shí)際通信環(huán)境下，無線局域網(wǎng)工作的頻段為5.15 GHz～5.825 GHz，正好落在3.1 GHz～10.6 GHz頻段內(nèi)，為了消除這兩個(gè)無線通信系統(tǒng)之間的干擾，一般需要在通信系統(tǒng)中利用具有阻帶特性的超寬帶帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種，微帶線或槽線多模諧振器法是其中的一類［1-8］。所謂多模諧振器（MMR）是指在通帶內(nèi)可建立多個(gè)諧振模式的諧振器。半波長(zhǎng)階躍阻抗諧振器（SIR）因?yàn)榫哂徐`活可調(diào)的幾何結(jié)構(gòu)，以及與有源電路的良好兼容性，使其在射頻微波器件中獲得了廣泛的應(yīng)用。通過選擇基底材料、調(diào)整阻抗比和諧振器電長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)諧振器諧振的基頻和諧波頻點(diǎn)分布于整個(gè)通帶內(nèi)，由此獲得更寬的工作帶寬，所以在超寬帶通信系統(tǒng)中，它是一種常見的多模諧振器。

通過合理改變多模諧振器微帶線上的電流分布，可使帶通濾波器的通帶內(nèi)產(chǎn)生某個(gè)特定頻點(diǎn)的阻帶。改變電流分布的設(shè)計(jì)方法一般有：（1）開槽。在諧振器的微帶線上通過開槽去除某些部分的敷銅，從而改變了微帶線上的電磁場(chǎng)分布，使其電流在特定頻率下呈現(xiàn)駐波狀態(tài)，無法傳輸能量，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的功能。槽的形狀一般有U形、L形等。（2）附加寄生單元。在諧振器的微帶線（或帶狀線、槽線等）的附近加入合適的寄生單元，通過合理的設(shè)計(jì)，使該單元感應(yīng)出與輻射貼片相反的電流，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的阻帶特性。（3）添加開路枝節(jié)。在微帶線上添加與之相連接的一段（或幾段）開路枝節(jié)，由此改變諧振器上的電流分布實(shí)現(xiàn)阻帶特性，連接一段開路枝節(jié)本質(zhì)上類似于容性加載。

項(xiàng)目來源：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B010401040）

收稿日期：2015-10-03修改日期：2015-11-02

基于槽線結(jié)構(gòu)的階躍阻抗多模諧振器工作原理，本文在文獻(xiàn)［6-7］的基礎(chǔ)上，利用基板頂層微帶饋線開槽的方法，設(shè)計(jì)了一款具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器。仿真表明該濾波器的通帶范圍覆蓋了 3.20 GHz～11.40 GHz，同時(shí)在 5.20 GHz～5.75 GHz的范圍內(nèi)具有阻帶特性，可以剔除WLAN通信系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。加工制作了濾波器實(shí)物，測(cè)量結(jié)果與仿真符合較好。

1　濾波器的設(shè)計(jì)

參見圖1，帶通濾波器原型由兩組對(duì)稱的串聯(lián)終端開路枝節(jié)和并聯(lián)終端短路枝節(jié)，以及連接它們的傳輸線組合而成。如果圖中的i為偶數(shù)，則該電路原型需做一定的微調(diào)［7］。根據(jù)不同的電路形式，首先需求出ABCD矩陣，由此可得濾波器的傳輸函數(shù)：

式中F=（B-C）/2。圖1中θc為傳輸線對(duì)應(yīng)于截止頻率的電長(zhǎng)度，Zo1、Zs1分別為串聯(lián)開路線和并聯(lián)短路線的歸一化阻抗。濾波器在一塊介質(zhì)基板上制作而成，基板的長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，厚度為h，單位為mm，相對(duì)介電常數(shù)為εr?；宓囊粋?cè)敷銅，構(gòu)成電路的接地面，上面開有一段不均勻的槽線以構(gòu)成階躍阻抗多模諧振器［6］，槽線由三段級(jí)聯(lián)組成，中間的槽線寬度大于兩邊的槽線，形成電路原型中的中間傳輸線；兩邊的槽線寬度相等，終端短路且對(duì)稱分布在中間槽線的兩側(cè)，這兩段槽線構(gòu)成電路原型中左右兩側(cè)對(duì)稱的并聯(lián)短路枝節(jié)，見圖2（a）所示?；宓牧硪粋?cè)有兩條左右對(duì)稱的“L”形的敷銅開路微帶線，微帶線上分別有開有“U”形的槽線，以產(chǎn)生陷波特性，它們構(gòu)成濾波器的輸入輸出饋線，同時(shí)形成電路原型中左右對(duì)稱的串聯(lián)終端開路枝節(jié)，見圖2（b）所示。微帶線的開路端與基板另一側(cè)的槽線相互垂直，微帶線的開路端或槽線的短路端到它們的相交點(diǎn)的距離大約為四分之一波長(zhǎng)，也就是說，微帶線與槽線形成了一個(gè)正交的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，如圖2（c）所示，該轉(zhuǎn)換器可簡(jiǎn)單地等效為一變壓器［3］，見圖3，圖中COC、XOS分別表示開路微帶線和短路槽線的電容和電感，Zom、ZOS分別表示微帶線和槽線的特性阻抗，θm和θs分別表示微帶線和槽線延伸部分的電長(zhǎng)度，變壓器的匝數(shù)比n表達(dá)了微帶線與槽線間的耦合度。

圖1　帶通濾波器的傳輸線原型電路

圖2　超寬帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　微帶線-槽線轉(zhuǎn)換結(jié)及等效電路

利用軟件HFSS 13.0建模仿真。接地板上開槽線的長(zhǎng)度Lg1和Lg2是濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，圖4給出了散射參數(shù)S11與它們的關(guān)系曲線，可見不管是哪條槽線的長(zhǎng)度發(fā)生細(xì)微變化，濾波器的回波損耗將發(fā)生明顯的起伏變化，特別在頻段的上半部分。

圖4　槽線長(zhǎng)度對(duì)散射參數(shù)的影響

改變?yōu)V波器輸入輸出端口微帶線上“U”形槽線的長(zhǎng)度，散射參數(shù)S11的變化情況見圖5所示。

圖5　微帶線上槽線長(zhǎng)度對(duì)陷波的影響

由圖5可見，當(dāng)槽線長(zhǎng)度由5.0 mm增加到5.6 mm時(shí)，陷波的頻點(diǎn)位置由高端移向了低端，同時(shí)，陷波頻段的帶寬也發(fā)生了明顯的改變，而S11曲線的其它部分幾乎沒有變化，表明“U”形槽的長(zhǎng)度對(duì)陷波頻段的顯著調(diào)控作用。此外，“U”形槽的位置也是設(shè)計(jì)時(shí)需仔細(xì)考慮的參數(shù)，改變槽線起始位置（與微帶線拐角的距離X0），使之由4.5 mm增加到8.0 mm，散射參數(shù)S11的改變?nèi)鐖D6所示，可見陷波頻段變化非常劇烈，其頻段位置向低頻段發(fā)生扭動(dòng)。上述情況表明，通過調(diào)整優(yōu)化“U”形槽的位置和長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)濾波器陷波頻段的靈活控制。

圖6　微帶線上槽線位置對(duì)散射參數(shù)的影響

當(dāng)工作頻率為5.75 GHz時(shí)，圖7給出了濾波器微帶線上的電流強(qiáng)度分布圖，可見此時(shí)電流主要分布在“U”形槽的周邊，其它區(qū)域基本不存在電流。通過軟件優(yōu)化，得到濾波器最后的尺寸為：L=30 mm，W=15 mm，h=0.8 mm，Lg1=4.2 mm，Lg2=10.2 mm，Wg1=0.1mm，Wg2=0.45 mm，W0=0.61 mm，L0=3.98 mm，s=0.25 mm，X0=7.5 mm，Ws=0.1 mm，S0=0.16mm，Ls= 5.3 mm。

圖7　微帶線上的電流分布（f=5.75 GHz）

圖8為濾波器實(shí)物照片，介質(zhì)基板采用Rogers板材，介電常數(shù)為10.2，厚度為0.8 mm。圖9給出了濾波器的仿真S11曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，圖像表明兩者之間有一定的差別，但曲線走向基本一致，電路的制作誤差及測(cè)試條件可能是造成這些誤差的原因。

圖8　濾波器實(shí)物照片

圖9　濾波器回波損耗的實(shí)測(cè)值與仿真值

2　結(jié)語

利用階躍阻抗槽線多模諧振器和開槽陷波的工作機(jī)理，結(jié)合微帶線與槽線的信號(hào)轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)了一款具有陷波功能的超寬帶帶通濾波器，其陷波頻段可實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)控。采用Rogers介質(zhì)板材加工制作了濾波器，實(shí)測(cè)表明了該設(shè)計(jì)方法的可行性。濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊，易于制作，濾波器的工作頻段覆蓋了3.20 GHz～11.40 GHz，陷波頻段大約為5.20 GHz～5.75 GHz。

［1］ Mariani E A，Agrios J P.Slotline Filters and Couplers［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，1970，MTT-18（12）：1089-1095.

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王善進(jìn)（1966-），男，教授，主要從事天線技術(shù)及射頻電路設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作，wsj999167@126.com；

劉華珠（1974-），男，教授，主要從事集成電路的教學(xué)、設(shè)計(jì)及研究工作，liu1974@126.com。

Band-Notched UWB Bandpass Filters with Mocrostrip-to-Slotline Cross-Junction Transitions*

WANG Shanjin*，LIU Huazhu，LAI Yingxin，CHEN Qiong，LI Xiuping，YANG Jie
（School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan Guangdong 523808，China）

An ultra-wideband bandpass filter with a band-notched function is proposed using a stepped-impedance multiple-mode slotline resonator and microstrip-to-slotline cross-junction transitions.The filter is implemented by a non-uniform（stepped-impedance）shorted slotline resonator，which is etched on one metal side of the substrate，is crossed at a right angle by two L-shaped open feed microstrip conductors on the opposite side.The band-notched function of the filter is achieved by the U-shaped slotlines on the two feed microstrip conductors.The passband of the filter is achieved in the frequency range of 3.20 GHz～11.4 GHz with the notched band of 5.20 GHz～5.75 GHz by the simulated and measured results.

UWB bandpass filter；multiple-mode resonator；microstrip-to-slotline transition；band-notched

TN713；TN620

A

1005-9490（2016）03-0522-04

EEACC：135010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.005