具有陷波特性的超宽带带通滤波器设计

戴琪林，马伟平，侯卫国



具有陷波特性的超宽带带通滤波器设计

戴琪林，马伟平，侯卫国

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

提出了一种超宽带微带带通滤波器。该滤波器结构简单，仅由单级平行耦合线和两个对称的1/4波长的短路截线构成。连接至平行耦合线两端的短路截线在通带两端各产生一个衰减极点，增强了该超宽带滤波器的选择性。为了消除无线网络的干扰，在提出的滤波器结构上添加开路短截线，使该滤波器具有通带内陷波特性。利用电磁仿真软件进行优化仿真，本文设计的超宽带带通滤波器的通带范围为3.1~10.6 GHz，插入损耗小于1 dB，陷波频段为5.8~5.9 GHz，陷波深度达到–40 dB。

短路截线；超宽带；微带线；平行耦合线；开路截线；陷波频段

2002年美国联邦通信委员会对位于3.1~10.6 GHz的超宽带(UWB)相关频带解禁[1]。随着超宽带无线通信技术的迅猛发展，对超宽带无线通信电子设备提出了更高的要求，高性能、小型化已经成为超宽带无线通信系统发展的必然趋势。

近十几年来，由于结构简单、小型化等优点，微带线结构的超宽带滤波器，成为了研究的主要方向，并涌现出多种形式的超宽带滤波器。例如，文献[2]中通过将高通滤波器和低通滤波器级联来实现滤波器的超宽带特性。文献[3]中介绍了一种基于并联1/4波长短路短截线电路的超宽带带通滤波器。这些结构均能有效应用于超宽带无线通信系统中。其中，文献[3]提出的短路截线带通滤波器具有工作带宽宽、结构简单的优点，但是要提高这种滤波器的选择性，必须增加短路枝节数目，或者用两个枝节的开路截线替换短路截线以在通带两端产生两个衰减极点[4]，因此这两种方法都会增加滤波器的尺寸。此外，在滤波器的输入输出端馈线之间引入交叉耦合，也可以在通带两端引入新的衰减极点[5]。

本文提出了一种超宽带滤波器结构，该结构建立在有两个短路枝节线带通滤波器的基础上，并将其中的传输线用一段平行耦合线代替。改进后的滤波器，在不增加滤波器尺寸的情况下，不仅在通带两端各产生一个衰减极点，同时在通带内增加额外的传输极点，提高了滤波器的性能。

由于超宽带频段内存在来自其他窄带信号如无线网络的干扰，因此需要设计出一种具有陷波特性的滤波器以滤除无线网络的干扰。通过添加开路枝节使滤波器具有陷波特性的方法简单方便[6]，得到许多研究人员的关注。本文设计的滤波器在上述超宽带带通滤波器的基础上添加一个开路短截线，使该滤波器在通带内具有陷波特性。合理调整开路负载的长度和宽度可以抑制通带内的任意频段，并且可以控制抑制频段的带宽[7]。

1 超宽带微带带通滤波器

1.1 超宽带滤波器基本结构

首先提出一种超宽带微带带通滤波器，其结构示意图如图1所示。从图1可看出，该滤波器电路由一级平行耦合线以及两个分别连接在平行耦合线的输入输出端的对称短路截线组合而成，结构简单。其电路图及等效电路如图2、图3所示，图中s为短路截线的特性阻抗，为平行耦合线以及短路截线的电长度，oe，oo分别为平行耦合微带线的偶模和奇模特性阻抗。

图1 超宽带带通滤波器结构示意图

图2 超宽带带通滤波器电路图

图3 超宽带带通滤波器等效电路图

设短路截线与平行耦合线的矩阵分别为s和p，则该滤波器等效电路的矩阵可经以下步骤得到：

(3)式中的平行耦合传输线的导纳可由偶模和奇模(oe，oo)特性阻抗代替，如下式

因此，

本文所提出的滤波器的矩阵可表示为：

其中，

本文所有短路截线和平行耦合线在中心频率0处的电长度均为，即四分之一波长，因此其他频点处短路截线的电长度可通过得到。基于上述理论，在Matlab中完成滤波器的优化综合，可以得到的滤波器偶模和奇模特性阻抗的初始值分别为130W以及36W，短路截线特性阻抗的初始值为49W，即各传输线的宽度。

1.2 超宽带滤波器的参数优化仿真

选用相对电常数为10.9，厚度为1.27 mm的基片，由1.1节求出的各段传输线的特性阻抗与电长度，利用ADS软件中自带的LineCalc功能计算对应的传输线宽度与长度的初始值。改变各传输线的参数，通过电磁仿真软件HFSS进行建模仿真。

经仿真发现，该滤波器在超宽带带通滤波器的通带的两端各产生了一个衰减极点。其中，上边带衰减极点的位置与短路截线长度d有关，如图4所示，随着d的增大，衰减极点向中心频率处移动。

图4 滤波器的S21曲线随参数Ld调整的变化曲线

本设计的超宽带滤波器的中心频率为6.85 GHz，相对带宽达到110%，经过HFSS优化，最终的参数为p=3.4 mm，p=0.2 mm，p=0.1 mm，d=3.9 mm，d=0.4 mm，1=0.2 mm，0=1.2 mm。

优化参数确定的21和11如图5所示，通带频率分布在超宽带3.1~10.6 GHz内，插入损耗21小于0.5 dB，回波损耗11小于–16.5 dB。此外，该滤波器在通带两端各引入了一个衰减极点（在0.8 GHz达到–75 dB，在11.9 GHz处达到–40 dB），因此具有良好的带外抑制及选择特性。

同时，尽管该滤波器仅含有个短路枝节，但能在通带内产生（3–2）个反射极点。如图5所示，=2，共产生了4个反射极点，而传统的包含枝节短路线的短路截线滤波器仅能产生个反射极点[4]。要提高传统短路截线带通滤波器的插入损耗，只能通过增加滤波器的阶数来引入更多的反射极点，这无疑增大了滤波器的尺寸。因此，本文提出的超宽带滤波器在增强了滤波器通带内的插入损耗的同时保证了滤波器尺寸的小型化。

图5 超宽带带通滤波器S参数曲线

2 具有陷波特性的超宽带微带带通滤波器

为了抑制无线网络信号对超宽带通信系统的干扰，需要对章节1所提出的超宽带带通滤波器进行陷波处理。获得陷波特性的常用方法有：并联开路短截线、蚀刻缺陷接地结构（DGS）、耦合阶梯阻抗谐振器（SIR）结构等[8]。其中，添加并联短截线的方法结构简单，产生的阻带较窄，并且对原有电路的传输特性影响较小。因此，采用加载开路短截线的方法设计了一款阻带在5.8~5.9 GHz处的带通滤波器。

基于并联开路短截线的陷波超宽带带通滤波器结构如图6所示，其中开路线的总长度为，宽度为，为了不增加滤波器的尺寸，将开路短截线的结构设计成L形。从图7和图8看出，通过加载开路短截线可以在通带内实现陷波功能，且陷波频段受开路段短截线的长度与宽度控制。随着开路短截线长度以及宽度的增大，陷波的频段会向低频段移动，因此通过调整开路负载的长度可以方便地调整陷波频带。为对5.8~5.9 GHz频段进行陷波，其对应的开路短截线的长度为5.5 mm，宽度为0.2 mm。

图6 具有陷波特性的超宽带带通滤波器结构

图7 滤波器的S21曲线随参数L调整的变化曲线

图8 滤波器的S21曲线随参数W调整的变化曲线

加入开路短截线的超宽带带通滤波器的参数如图9所示，该滤波器的通带范围为3.1~10.6 GHz，陷波频段为5.8~5.9 GHz，陷波的最大抑制达到了–49 dB。在3.1~4.9 GHz和6.4~10.6 GHz内，插入损耗小于1 dB。边带抑制能力较强，在11.9 GHz处达到–40 dB的衰减。在两个通带范围内回波损耗较为理想，满足了超宽带带通滤波器的设计要求。

图9 具有陷波特性的超宽带带通滤波器S参数曲线

3 结论

对传统的短路截线带通滤波器进行改进，提出了一种新型的超宽带带通滤波器。该滤波器结构简单，在不增加传统短截线滤波器尺寸的条件下，实现了较宽的带宽及较好的选择性，在通带范围内，插入损耗以及回波损耗均达到超宽带滤波器的要求。在所设计的滤波器的结构上添加适当长宽的开路短截线，在5.8~5.9 GHz实现陷波功能，以抑制无线网络的干扰。利用电磁仿真软件HFSS对滤波器的传输性能进行优化仿真。结果表明，该设计不仅能够确保通带范围覆盖整个超宽带频段，而且能够有针对性地抑制频段内的干扰频率分量。

[1] AIELLO C R, ROGERSON G D. Ultra-wideband wireless systerm [J]. IEEE Microwave Magn, 2003(4): 36-47.

[2] ZHU L, SUN S, WENZEL M. Ultra-wideband (UWB) bandpass filters using multiple-mode resonator [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2005, 15(11): 796-798.

[3] 郭香华, 贾宝富, 杨赤如. 四分之一波长短截线超宽带滤波器的设计[J]. 微波学报, 2008(S1):153-156.

[4] CAI P, MA Z, GUAN X, et al. A compact UWB bandpass filter using two-section open-circuited stubs to realize transmission zeros [C]// Microwave Conference Proceedings, 2005. New York: IEEE, 2006.

[5] LI X, JI X. Novel compact UWB bandpass filters design with cross-coupling between short-circuited stubs [J]. IEEE Microwave Wireless Components Lett, 2014, 24(1): 23-25.

[6] HAO Z C, HONG J S. Ultra wideband filter technologies [J]. IEEE Microwave Mag, 2010, 11(4): 56-68．

[7] SHAMAN H, HONG J S. Ultra-wideband (UWB) bandpass filter with embedded band notch structures [J]. IEEE Microwave Wireless Components Lett, 2007, 17(3): 193-195.

[8] 宋永慧, 杨国敏, 文舸一. 基于DGS的小型超宽带陷波滤波器[C]// 2013年全国微波毫米波会议论文集. 北京: 中国电子学会, 2013: 4.

（编辑：曾革）

Design of ultra-wideband bandpass filter with notched band

DAI Qilin, MA Weiping, HOU Weiguo

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A microstrip bandpass filter with ultra-wideband passband was proposed. The structure of this filter is very simple. It is consist of only one parallel coupled line and two short-circuited stubs which are quarter wavelength long at the center frequency. The short-circuited stubs which are connected at the input/output ends of the parallel‑coupled lines obtain one pair of transmission zeros on both sides of the passband and improve the selectivity of this filter. In order to inhibit the wireless local area network signal, the rejection band was introduced by adding a loaded stub resonator. Electromagnetic simulations was carried out. The filter has a pass band of 3.1–10.6 GHz, a insertion loss of less than 1 dB, and a notched band of –40 dB at 5.8–5.9 GHz.

short-circuited stubs; ultra-wideband; microstrip; parallel-coupled line; loaded stub; notched band

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.007

TN821

A

1001-2028（2016）11-0030-04

2016-08-08

戴琪林

戴琪林（1991－），女，江苏南通人，研究生，主要研究方向为滤波器、微波与射频电路，E-mail: 13101895778@163.com 。

2016-10-28 14:04:40

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.008.html