一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶帶通濾波器

高山山, 廖先莉， 喬惠民

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

超寬帶技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)，與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比，具有發(fā)射信號功率譜密度低、信號隱蔽性好、安全性高及難以被檢測等優(yōu)點，近年來受到了越來越多的關(guān)注[1-6].帶通濾波器在超寬帶無線通信系統(tǒng)中具有選擇信號的重要作用，如何設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊且性能優(yōu)良的超寬帶帶通濾波器已成為當(dāng)前超寬帶濾波器研究的熱點和難點之一[7-15].目前，超寬帶帶通濾波器設(shè)計中存在的主要難點包括：如何實現(xiàn)超寬帶的通帶帶寬范圍，如何減小通帶內(nèi)的插入損耗以及如何保證良好的帶外抑制特性等[16-20].針對這些難點，本研究提出了一種帶加載的環(huán)形諧振器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶帶通濾波器，并利用ADS仿真軟件對所設(shè)計的超寬帶帶通濾波器進行仿真計算.仿真結(jié)果表明，該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，具有優(yōu)良的通帶特性和帶外抑制特性.

1 超寬帶帶通濾波器研究

本研究所設(shè)計的帶加載的環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

從圖1可知，該環(huán)形諧振器的左右兩側(cè)分別加載有一組高阻抗線，在內(nèi)部加載有平行耦合線，且在左右兩側(cè)的每一根高阻抗線上分別加載有一開路支節(jié).該環(huán)形諧振器具有多諧振點的特性，通過調(diào)節(jié)其物理尺寸，可以將多個諧振點放置在超寬帶的通帶范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)超寬帶的通帶帶寬.

圖1帶加載的環(huán)形諧振器

基于上述帶加載的環(huán)形諧振器，本研究設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2超寬帶帶通濾波器

從圖2可知，帶加載的環(huán)形諧振器的兩側(cè)采用了交指狀的饋線結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)與環(huán)形諧振器之間的強耦合.當(dāng)環(huán)形諧振器只加載在其左右兩側(cè)的高阻抗線時，可實現(xiàn)超寬帶的通帶帶寬.

1)在w1=0.1 mm、w2=1.4 mm、w3=0.1 mm、l1=5.4 mm、l2=2 mm、l3=4.7 mm、d1=0.2 mm的物理尺寸下，對該濾波器進行了仿真計算，仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3超寬帶帶通濾波器的仿真計算結(jié)果

從圖3可知， 該濾波器雖然具有超寬帶的通帶帶寬特性，但通帶性能較差，通帶內(nèi)的插入損耗較大，帶外13.99 GHz處雖然有一個傳輸零點，但在13.81 GHz處有諧波，帶外特性也不理想.

為了進一步改善該濾波器的通帶性能，在環(huán)形諧振器的內(nèi)部加載如圖1所示的平行耦合線，通過此加載方式，可以有效改善該濾波器的通帶性能.

2)在w1=0.1 mm、w2=1.4 mm、w3=0.1 mm、w4=0.1 mm、l1=5.4 mm、l2=2 mm、l3=4.7 mm、d1=0.2 mm的物理尺寸下，對該濾波器進行了仿真計算，仿真結(jié)果如圖4所示.圖4給出了該濾波器在環(huán)形諧振器內(nèi)部加載和不帶加載平行耦合線等2種情況下的仿真結(jié)果.

圖4 環(huán)形諧振器內(nèi)部帶加載與不帶加載情況的仿真計算結(jié)果

從圖4可知，當(dāng)在環(huán)形諧振器的內(nèi)部加載平行耦合線時，該濾波器的通帶性能明顯得到改善，通帶內(nèi)最小的插入系數(shù)由-1.85 dB改善到-0.73 dB，帶外諧波的位置向高頻方向移動，由13.81 GHz移動到14.29 GHz.由此可見，通過在環(huán)形諧振器的內(nèi)部加載平行耦合線，該濾波器的通帶特性以及帶外特性都明顯得到了改善.

同時，為了抑制該濾波器在高頻段的諧波，在環(huán)形諧振器左右兩側(cè)的每根高阻抗線上分別加載開路支節(jié)(見圖1)，通過此加載方式，能有效改善該濾波器的帶外特性，抑制高頻段的諧波.

2 仿真結(jié)果分析

本研究設(shè)計的超寬帶帶通濾波器的具體尺寸為：w1=0.1 mm,w2=1.4 mm,w3=0.1 mm,w4=0.1 mm,w5=0.1 mm,l1=5.4 mm,l2=2 mm,l3=4.7 mm,l4=0.6 mm,d1=0.2 mm,d2=0.3 mm.

本研究采用ADS仿真軟件對所設(shè)計的超寬帶帶通濾波器進行了仿真計算.仿真計算中，介質(zhì)的介電常數(shù)為9.6，厚度為0.8 mm.仿真計算得到的結(jié)果如圖5所示.

圖5基于帶加載環(huán)形諧振器的超寬帶帶通濾波器的仿真結(jié)果

從圖5可知，該超寬帶帶通濾波器的3 dB帶寬范圍為3.57～9.43 GHz，相對帶寬為90.2%，通帶內(nèi)反射系數(shù)較低，具有優(yōu)良的通帶特性.此外，高頻帶的諧波被抑制，在13.86 GHz處有一傳輸零點，有效保證了該濾波器的帶外特性.

3 結(jié) 語

本研究提出了一種帶加載的環(huán)形諧振器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶帶通濾波器.電磁仿真結(jié)果表明，該濾波器不僅具有優(yōu)良的通帶特性，而且還具有良好的帶外抑制特性.