一种简单微带线/共面波导结构的新型超宽带带通滤波器*

黄近秋，曹建忠，王善进

(1.惠州学院电子科学系，广东惠州516007;2.东莞理工学院电子工程学院，广东 东莞523808)

自从美国联邦通信委员会(FCC)允许超宽带技术的民用，并开放了相应的免费民用频段后，超宽带无线通信技术因信号功耗小、数据传输率高等优点成为近些年通信领域的研究热点［1-2］。超宽带无线通信技术的兴起，带动了一系列相关研究的开展，超宽带滤波器作为超宽带无线通信系统的关键部件，其性能优劣直接影响通信系统整体指标的水平。结构简洁、性能优越的超宽带滤波器的研究一直以来都是相关研发人员的兴趣所在。

超宽带滤波器可以利用高通滤波器与低通滤波器的级联实现［3］，该原理简单明了，但显然体积相对更大，不太符合小型化的设计理念;也可采用短路枝节线结构［4-5］，这种滤波器的结构主要包括四分之一波长短截线和半波长连接传输线;也有采用阶梯阻抗开路枝节替代短截线或其他的一些改进方法，包括引入电磁带隙结构、加载扇形枝节、枝节折叠结构等，从而提高滤波器带外性能，实现紧凑结构;多模谐振器结构也可用于设计超宽带滤波器，其基本原理是利用谐振器在频带内产生的多个谐振模式以展宽频带［6-7］，该类滤波器一般要利用平行耦合馈线构成强耦合的输入输出端口，由于强耦合导致耦合线之间间隙非常小，不便制作，所以有时会采用具有缺陷地结构(DGS)的平行耦合线［8］。文献［9-10］利用共面波导结构设计超宽带滤波器，电路基板顶层微带传输线与接地板上的共面波导谐振器之间的耦合机理可实现超宽带滤波特性。

本文提出了一种新型简单结构的超宽带带通滤波器，该滤波器由T形阶跃阻抗微带线和四分之一共面波导谐振器组合而成，具有结构简单，制作容易，尺寸小的优点。利用HFSS软件对其进行了仿真分析，结果表明其通带范围覆盖了3.1 GHz～10.6 GHz，且选择性良好，符合FCC的UWB无线通信的指标要求。

1 结构

图1为滤波器顶面和底面的具体结构。介质基板尺寸为L×W×h，介电常数为 εr，两面均覆有铜。基板的顶面上呈轴对称地设置有两条分别用于信号输入和输出的阶跃阻抗微带开路线，每条微带开路线呈T字形，其中长度为L1、宽度为W1的两条对称微带线构成滤波器的输入、输出端口，与之级联的另一对长为L2、宽为W2开路微带线构成耦合微带线，耦合线间距为S，该耦合微带线的下端各接有L3×W3的矩形微带线枝节，参见图1(a)。介质基板的底面为覆铜的接地板，接地板上通过开槽除去覆铜，使之形成四分之一波长共面波导谐振器。开槽的宽度为g，谐振器为(L4-2g)×(W4-2g)的矩形微带，且与尺寸为(W6+g)×ga的细长矩形微带相连，该细长微带的另一端与地短路。在谐振器的另一条边的中心位置(长度为L4-2g的边)向内开有尺寸为(W5×L5)的矩形凹槽，整个谐振器仅有最上端与地短路，最后谐振器呈现一倒“Y”形，见图1(b)所示。

图1 滤波器的顶层和底面结构示意图

2 设计

滤波器顶层左、右两侧的T形微带线与底层的微带(谐振器)之间可形成电容效应，谐振器通过一条细长微带线与地短路，形成电感效应。顶层的两条T形微带线之间的电磁耦合效应构成的电容效应，可起到输入、输出端口之间交叉耦合的作用，可用来控制滤波器通带低频端传输零点的形成。通过调整顶层T形微带线边缘上大小为L3×W3的微带线枝节，可控制滤波器通带高频端传输零点，滤波器等效的集总电路模型见图2所示［10］。

图2 滤波器的等效电路

利用 HFSS建模，板材选取 Rogers RT，εr取2.33，板厚h=0.787 mm。保持滤波器结构其他尺寸不变(下同)，改变顶层开路线上的延伸部分的宽度W3和长度L3，S21的变化十分明显，见图3所示，主要表现在高频截止点及其传输零点的剧烈移动，随着宽度W3的增大，滤波器的高频截止点和传输零点均往高处移动，长度L3从3 mm减小到2 mm时，频段的高频段部分发生移动，参见图4。注意到L3从2 mm减小到1 mm时，滤波器通带几乎不变，但右边的传输零点从-27 dB左右降低到-42 dB。图5表明随着W2增大，插损随之变大，带宽变窄，但低频截止点不变。改变谐振器的尺寸W4或L6，将改变其谐振频率，从而改变滤波器的通带特性，图6和图7表明了这种影响是显著的。微带短路枝节的长度W6和宽度ga的变化，将改变滤波器等效电路模型中电感L1的量值，图8和图9给出了这种变化关系。滤波器性能对谐振器凹槽尺寸的改变非常敏感，尤其是凹槽长度W5的变化，图10提示改变W5将引起滤波器通带的明显变化，特别表现在高频截止点及其传输零点的剧烈变化。凹槽宽度L5变化所带来的影响相对温和，主要表现在通带的右半部分，低频段则几乎没有改变，如图11所示。图12和图13给出了接地板开槽宽度的影响，槽宽的改变引起了滤波器上下结构间的电磁耦合量之改变，也就引起了等效电路模型中相关元素的数值，从而改变了滤波器的传输特性。图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。为优化后滤波器的S参数，S曲线表明滤波器的带宽涵盖了3.1 GHz～10.6 GHz的范围，且通带两边到阻带的过渡段陡峭，表明器件具体良好的选择性。优化后滤波器具体尺寸为L1=6.95 mm，W1=1.8 mm，L2=

图3 S21随微带开路线延伸部分宽度的变化曲线

图4 S21随微带开路线延伸部分长度的变化曲线

图5 S21随滤波器微带耦合线宽度的变化曲线

图6 S21随共面波导谐振器宽度的变化曲线

图7 S21随共面波导谐振器长度的变化曲线

图8 S21随谐振器短路枝节长度的变化曲线

图9 S21随谐振器短路枝节宽度的变化曲线

图10 S21随谐振器凹槽长度的变化曲线

图11 S21随谐振器凹槽宽度的变化曲线

图12 S21随地板开槽宽度的变化曲线

图13 S11随开槽宽度的变化曲线

图14 优化后滤波器的S参数

3 结语

本文提出了一种结构简单的新型超宽带带通滤波器，由介质板材上层的一对T形微带开路线和接地板上的倒Y形四分之一波长共面波导谐振器组合而成。其特点是结构简单且紧凑，容易加工，易于与其他电路集成。利用HFSS仿真软件对其进行了优化设计，结果表明，滤波器的频带范围为3.1 GHz～10.6 GHz，选择性良好，可以满足实际的需求。

［1］Schantz H G.Introduction to Ultra-Wideband Antennas［C］//Ultra Wideband Systems and Technologies.IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies，2003:1-9.

［2］Federal Communications Commission.Revision of Part 15 of the Commission’sRulesRegardingUltra-Wideband Transmission System First Report and Order［R］.Tech Rep ET:FCC.2002.

［3］Tang C W，Chen M G.A Microstrip Ultra-Wideband Bandpass Filter with Cascaded Broadband Bandpass and Bandstop Filters［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2007，55(11):2412-2418.

［4］Cai P，Ma Z W，Guan X H，et al.A Compact UWB Bandpass Filter Using Two-Section Open-Circuited Stubs to Realize Transmission Zeros［C］//Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，2005.

［5］Garcia-Garcia J， Bonache J， Martin F. Application of Electromagnetic Bandgaps to the Design of Ultra-Wide Bandpass Filters with Good out-of-Band Performance［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(12):4136-4140.

［6］Sun S，Zhu L.Multiple-Resonator-Based Bandpass Filters［J］.IEEE Microwave Magazine，2009，10(2):88-98.

［7］Zhu L，Sun S，Menzel W.Ultra-Wideband(UWB)Bandpass Filters Using Ultiple-Mode Resonator［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15(11):796-798.

［8］Zhu L，Wang H.Ultra-Wideband Bandpass Filter on Aperture-Backed Microstrip Line［J］.IET Electronics Letters，2005，41(18):1015-1016.

［9］Thomson N，Hong J S.Compact Ultra-Wideband Microstrip/Coplanar Waveguide Bandpass Filter［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17(3):184-186.

［10］Tsung-Nan Kuo，Shih-Cheng Lin，Chun Hsiung Chen.Compact Ultra Wideband Bandpass Filters Using Composite Microstrip Coplanar Waveguide Structure［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54，(10):3772-3778.