基于微带线-槽线转换的具有陷波特性的超宽带带通滤波器*

王善进，刘华珠，赖颖昕，陈　琼，李秀平，杨　杰

（东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808）

基于微带线-槽线转换的具有陷波特性的超宽带带通滤波器*

王善进*，刘华珠，赖颖昕，陈琼，李秀平，杨杰

（东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808）

利用阶跃阻抗槽线多模谐振器和微带线与槽线的信号转换，设计了一款具有陷波功能的超宽带带通滤波器。滤波器在一块介质基板上制作而成，基板接地面上有一条终端短路宽度不均匀（阶跃阻抗）槽线谐振器，基板的另一面有两条与槽线谐振器垂直的“L”形的开路微带线，作为滤波器的信号输入和输出端口，在这两端口的附近各刻有一条“U”形的槽线，以实现滤波器的陷波功能。仿真和实测表明了滤波器的工作带宽可达3.20 GHz～11.4 GHz，其中陷波带宽为5.20 GHz～5.75 GHz。

超宽带带通滤波器；多模谐振器；微带线-槽线正交转换器；陷波

自3.1 GHz～10.6 GHz频段划归民用以来，有关超宽带通信技术的相关研究得到了广泛的开展。超宽带滤波器作为无线通信系统前端的关键部件，其性能无疑关系到整个通信系统的质量，由此有关围绕开发新型紧凑结构和卓越性能滤波器的设计和研究，多年以来一直都是研发人员的工作热点之一。鉴于实际通信环境下，无线局域网工作的频段为5.15 GHz～5.825 GHz，正好落在3.1 GHz～10.6 GHz频段内，为了消除这两个无线通信系统之间的干扰，一般需要在通信系统中利用具有阻带特性的超宽带带通滤波器对信号进行滤波处理。

超宽带滤波器的设计方法有多种，微带线或槽线多模谐振器法是其中的一类［1-8］。所谓多模谐振器（MMR）是指在通带内可建立多个谐振模式的谐振器。半波长阶跃阻抗谐振器（SIR）因为具有灵活可调的几何结构，以及与有源电路的良好兼容性，使其在射频微波器件中获得了广泛的应用。通过选择基底材料、调整阻抗比和谐振器电长度，可实现谐振器谐振的基频和谐波频点分布于整个通带内，由此获得更宽的工作带宽，所以在超宽带通信系统中，它是一种常见的多模谐振器。

通过合理改变多模谐振器微带线上的电流分布，可使带通滤波器的通带内产生某个特定频点的阻带。改变电流分布的设计方法一般有：（1）开槽。在谐振器的微带线上通过开槽去除某些部分的敷铜，从而改变了微带线上的电磁场分布，使其电流在特定频率下呈现驻波状态，无法传输能量，从而实现频带抑制的功能。槽的形状一般有U形、L形等。（2）附加寄生单元。在谐振器的微带线（或带状线、槽线等）的附近加入合适的寄生单元，通过合理的设计，使该单元感应出与辐射贴片相反的电流，从而实现滤波器的阻带特性。（3）添加开路枝节。在微带线上添加与之相连接的一段（或几段）开路枝节，由此改变谐振器上的电流分布实现阻带特性，连接一段开路枝节本质上类似于容性加载。

项目来源：广东省科技计划项目（2013B010401040）

收稿日期：2015-10-03修改日期：2015-11-02

基于槽线结构的阶跃阻抗多模谐振器工作原理，本文在文献［6-7］的基础上，利用基板顶层微带馈线开槽的方法，设计了一款具有陷波特性的超宽带带通滤波器。仿真表明该滤波器的通带范围覆盖了 3.20 GHz～11.40 GHz，同时在 5.20 GHz～5.75 GHz的范围内具有阻带特性，可以剔除WLAN通信系统产生的干扰。加工制作了滤波器实物，测量结果与仿真符合较好。

1　滤波器的设计

参见图1，带通滤波器原型由两组对称的串联终端开路枝节和并联终端短路枝节，以及连接它们的传输线组合而成。如果图中的i为偶数，则该电路原型需做一定的微调［7］。根据不同的电路形式，首先需求出ABCD矩阵，由此可得滤波器的传输函数：

式中F=（B-C）/2。图1中θc为传输线对应于截止频率的电长度，Zo1、Zs1分别为串联开路线和并联短路线的归一化阻抗。滤波器在一块介质基板上制作而成，基板的长为L，宽为W，厚度为h，单位为mm，相对介电常数为εr。基板的一侧敷铜，构成电路的接地面，上面开有一段不均匀的槽线以构成阶跃阻抗多模谐振器［6］，槽线由三段级联组成，中间的槽线宽度大于两边的槽线，形成电路原型中的中间传输线；两边的槽线宽度相等，终端短路且对称分布在中间槽线的两侧，这两段槽线构成电路原型中左右两侧对称的并联短路枝节，见图2（a）所示。基板的另一侧有两条左右对称的“L”形的敷铜开路微带线，微带线上分别有开有“U”形的槽线，以产生陷波特性，它们构成滤波器的输入输出馈线，同时形成电路原型中左右对称的串联终端开路枝节，见图2（b）所示。微带线的开路端与基板另一侧的槽线相互垂直，微带线的开路端或槽线的短路端到它们的相交点的距离大约为四分之一波长，也就是说，微带线与槽线形成了一个正交的信号转换器，如图2（c）所示，该转换器可简单地等效为一变压器［3］，见图3，图中COC、XOS分别表示开路微带线和短路槽线的电容和电感，Zom、ZOS分别表示微带线和槽线的特性阻抗，θm和θs分别表示微带线和槽线延伸部分的电长度，变压器的匝数比n表达了微带线与槽线间的耦合度。

图1　带通滤波器的传输线原型电路

图2　超宽带带通滤波器结构示意图

图3　微带线-槽线转换结及等效电路

利用软件HFSS 13.0建模仿真。接地板上开槽线的长度Lg1和Lg2是滤波器设计的关键参数之一，图4给出了散射参数S11与它们的关系曲线，可见不管是哪条槽线的长度发生细微变化，滤波器的回波损耗将发生明显的起伏变化，特别在频段的上半部分。

图4　槽线长度对散射参数的影响

改变滤波器输入输出端口微带线上“U”形槽线的长度，散射参数S11的变化情况见图5所示。

图5　微带线上槽线长度对陷波的影响

由图5可见，当槽线长度由5.0 mm增加到5.6 mm时，陷波的频点位置由高端移向了低端，同时，陷波频段的带宽也发生了明显的改变，而S11曲线的其它部分几乎没有变化，表明“U”形槽的长度对陷波频段的显著调控作用。此外，“U”形槽的位置也是设计时需仔细考虑的参数，改变槽线起始位置（与微带线拐角的距离X0），使之由4.5 mm增加到8.0 mm，散射参数S11的改变如图6所示，可见陷波频段变化非常剧烈，其频段位置向低频段发生扭动。上述情况表明，通过调整优化“U”形槽的位置和长度，可以实现滤波器陷波频段的灵活控制。

图6　微带线上槽线位置对散射参数的影响

当工作频率为5.75 GHz时，图7给出了滤波器微带线上的电流强度分布图，可见此时电流主要分布在“U”形槽的周边，其它区域基本不存在电流。通过软件优化，得到滤波器最后的尺寸为：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。

图7　微带线上的电流分布（f=5.75 GHz）

图8为滤波器实物照片，介质基板采用Rogers板材，介电常数为10.2，厚度为0.8 mm。图9给出了滤波器的仿真S11曲线与实测数据的对比，图像表明两者之间有一定的差别，但曲线走向基本一致，电路的制作误差及测试条件可能是造成这些误差的原因。

图8　滤波器实物照片

图9　滤波器回波损耗的实测值与仿真值

2　结语

利用阶跃阻抗槽线多模谐振器和开槽陷波的工作机理，结合微带线与槽线的信号转换原理，设计了一款具有陷波功能的超宽带带通滤波器，其陷波频段可实现灵活调控。采用Rogers介质板材加工制作了滤波器，实测表明了该设计方法的可行性。滤波器结构简单且紧凑，易于制作，滤波器的工作频段覆盖了3.20 GHz～11.40 GHz，陷波频段大约为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.

［2］ Makimoto M，Yamashita S.Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，1980，MTT-28（12）：1089-1095.

［3］ Gupta K C，Garg R，Bahl I，et al.Microstrip Lines and Slotlines ［M］.2nd ed.Norwood，MA：Artech House，1996：269-281.

［4］ Menzel W，Zhu L，Wu K，et al.On the Design of Novel Compact Broad-Band Planar Filters［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，2003，51（2）：364-370.

［5］ Zhu L，Sun S，Menzel W.Ultra-Wideband（UWB）Bandpass Filters Using Multiple-Mode Resonator［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2005，15（11）：796-798.

［6］ Li R，Zhu L.Ultra-Wideband Microstrip-Slotline Bandpass Filter with Enhanced Rejection Skirts and Widened Upper Stopband ［J］.Electronics Letters，2007，43（24）：1368-1369.

［7］ Li R，Sun S，Zhu L.Synthesis Design of Ultra-Wideband Bandpass Filters with Composite Series and Shunt Stubs［J］.IEEE Trans Microw Theoey Tech，2009，57（3）：684-692.

王善进（1966-），男，教授，主要从事天线技术及射频电路设计等领域的教学和研究工作，wsj999167@126.com；

刘华珠（1974-），男，教授，主要从事集成电路的教学、设计及研究工作，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