一种高性能超宽带带通滤波器的设计

刘 昊，徐美娟

(电子科技大学 电子科学与技术研究院，四川 成都 611731)

1 引言

自从2002年美国联邦通讯委员会(FCC)批准了频带为3.1 GHz～10.6 GHz 在短距离无线通信领域的应用，超宽带技术吸引了众多学者的兴趣，这也促进了超宽带系统及其器件研究的进展［1］.作为超宽带系统中的一种核心器件，超宽带带通滤波器的研究成为学者们的关注热点和重点，其工作性能好坏直接影响到超宽带系统的整体工作性能，特别是对带外抑制的情况.

目前国内外超宽带滤波器设计方法有多种，如滤波器级联方法［2］，多模谐振器法［3］，混合微带/共面波导法［4］，LTCC 技术等［5］.虽然文献［2－5］中的超宽带滤波器的通带带宽满足了要求，但是阻带都非常窄，不能满足一定情况下的要求.而缺陷地结构(Defected Ground Structure，简称DGS)具有低通特性，慢波效应，具有较高特征阻抗等，可广泛地应用于抑制谐波、改善效率、提高Q 值等方面［6］.

本文将多模阶梯阻抗的超宽带滤波器与DGS 结构结合起来设计了一种高性能的超宽带滤波器，中心频率在6.85GHz，带宽3.0～10.6 GHz，相对带宽111%，频带内具有良好的通带特性，同时又能有效的抑制高次谐波，下阻带在30dB 以下达到19GHz，具有很好的阻带特性.

2 超宽带滤波器的设计

学者Makimot 和Yamashita 提出阶梯阻抗谐振器(Stepped－Impedance Resonator，SIR)，它由两段不同阻抗的传输线构成.下图1 所示为等效的半波长型SIR 的结构示意图.

图1 半波长SIR 谐振器的结构示意图

半波长阶梯阻抗谐振器的基本结构由短路面、开路面和它们之间的阻抗阶跃接合面组成.阻抗率是表征SIR 的电学参数，它是两段传输线的特性阻抗Z1和Z2的比值，定义:

这两段传输线的导纳分别为Y1和Y2，在半波长SIR 谐振器中，从开路端看进去的输入导纳Yin，可以由文献［7］得到，可表示为:

当取Yin=0 时，得到谐振条件为:

由上式(3)我们能得到SIR 的谐振条件由θ1、θ2和阻抗率Rz 决定.

本文中设计的UWB 滤波器根据阶梯阻抗谐振器的原理设计，该滤波器电路由一个多模阶梯阻抗谐振器和两个交指状的馈线电路组合而成［8］.如下图2 所示.

图2 超宽带滤波器

文中采用电磁软件HFSS 13.0 进行仿真，使用其相对介电常数为9.6，厚度为0.8 mm 介质基片(文中均采用此材料)，具体参数如下:W1=0.1mm，L1=4.6mm，W2=0.1mm，L2=4.6mm，W3=1.3mm，L3=1.8mm，d1=0.1mm，d2=0.1mm.其仿真结果如图3 所示.

图3 超宽带滤波器器的S 参数曲线

从图3 可以看出，该滤波器具有良好的带通特性，通带内频带宽度覆盖超宽带范围，回波损耗在10dB 左右，通带内波纹平整，但由于其上阻带较窄，不能很好地抑制高次谐波，而且还有寄生通带出现，因此极大的限制了其在超宽带系统中的应用.

3 DGS 结构的低通滤波器的设计

传统的哑铃型DGS 结构，如图4(a)所示.而根据文献［9］，半圆型DGS 结构与传统哑铃型DGS 结构相比，具有更高的Q 值，因此拥有更好的带阻性能，能有效的扩展阻带特性.故本文采用半圆型DGS结构，其结构示意图如图4(b)所示，两个对称的半圆蚀刻在匹配的50 欧姆的微带线正下方的接地金属板上，半圆的半径为R，它们之间由一窄缝相连接，窄缝的长度为W0，窄缝的宽度为W1.

半圆形DGS 结构可以等效为一个串联的并联LC 谐振电路［10］，如图4(b)右上角所示.半圆形DGS结构的相关物理尺寸的变化可以引起等效电感、电容的变化，从而导致电流方向发生改变，最终使传输线截止频率发生变化.该等效谐振电路的电容和电感可由微波电路理论可得到，分别如下:

其中ωc是3dB 截止频率，f0是阻带的谐振频率，Z0是微带线的特性阻抗.

图4 传统哑铃型DGS 单元与半圆形DGS 单元结构对比

本文采用电磁仿真软件HFSS 13.0 对不同尺寸的半圆形DGS 单元进行了仿真.保持窄缝宽度W1=0.3mm 和窄缝长度W0为1.1mm 保持不变，改变DGS 半径R 的大小，令R 从0.7mm 依次增加到0.9mm，如图5 所示.从仿真结果可以看出，半圆形DGS 单元的谐振频率与半径R 大小成反比.

图6 6 个周期性半圆形DGS 结构示意图

单个的DGS 结构可以拓展阻带，但是作用有限.而多个具有相同单元的周期性DGS 结构可以有效的拓宽阻带，且对通带内波纹没有太大的改变，满足要求.本文采用6 个相同的DGS 结构，其结构如上图6 所示.

整个周期性的半圆形DGS 的尺寸为W0=1.1mm，W1=0.3mm，R=0.8mm，相邻两个DGS 的中心间距S=0.9mm.采用HFSS 进行仿真，仿真结果如图7 所示.从图7 中可以看出，该低通滤波器的截止频率大于12.6 GHz，带外存在一个零点从而使得带外比较陡峭，带外30dB 抑制达到20GHz，具有良好的带外抑制效果.

图7 6 个半圆形DGS 结构的S 参数仿真曲线

4 高性能的超宽带滤波器的设计

将多模阶梯阻抗谐振器(MMSIR)与DGS 周期性单元相结合，通过软件优化，可以得到一款高性能的超宽带(UWB)滤波器.其中根据文献［11］，渐变尺寸的周期DGS 结构可以减小通带内波纹，使得通带内特性就可以明显改善.故将DGS 低通滤波器与多模阶梯阻抗谐振器结合起来时，为了保证超宽带的带宽指标，所以不需要修改多模阶梯谐振器中的参数，而只需要修改DGS 结构中的相关参数，如半径R 和窄缝长度W0.因此本文只通过调整DGS 的相关参数的尺寸，并没有修改多模谐振器的相关参数.经过HFSS 仿真和优化，整个滤波器的结构图如图8 所示，其具体尺寸如表1 所示.

表1 整个滤波器的尺寸

图8 高性能超宽带带通滤波器的整体电路图

对该滤波器整体进行仿真，其结果如图9 所示.

图9 宽阻带的超宽带带通滤波器的仿真曲线

从图9 可以看出，该滤波器的工作频段为3.0～10.6GHz，通带内的插入损耗小于0.3dB，回波损耗优于20dB.阻带的工作频率达到19GHz，衰减大于30 dB，可以有效地抑制高次谐波.

5 结论

由于DGS 单元具有优良的带阻特性和慢波特性，可用于谐波抑制和减小电路尺寸.本文将DGS良好的带阻特性与常用的滤波器相结合，利用其设计了一款高性能的超宽带滤波器，使之通带内频带回波损耗降低，插入损耗减小，带外的抑制效果非常好，下阻带30dB 达到19GHz，仿真实验结果表明该滤波器有很好的带通特性和谐波抑制效果.

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