一种结构紧凑的超宽带带通滤波器

高山山, 廖先莉， 乔惠民

(成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

超宽带技术是一种新型无线通信技术，与传统无线技术相比，具有发射信号功率谱密度低、信号隐蔽性好、安全性高及难以被检测等优点，近年来受到了越来越多的关注[1-6].带通滤波器在超宽带无线通信系统中具有选择信号的重要作用，如何设计出结构紧凑且性能优良的超宽带带通滤波器已成为当前超宽带滤波器研究的热点和难点之一[7-15].目前，超宽带带通滤波器设计中存在的主要难点包括：如何实现超宽带的通带带宽范围，如何减小通带内的插入损耗以及如何保证良好的带外抑制特性等[16-20].针对这些难点，本研究提出了一种带加载的环形谐振器，在此基础上设计出一种结构紧凑的超宽带带通滤波器，并利用ADS仿真软件对所设计的超宽带带通滤波器进行仿真计算.仿真结果表明，该滤波器结构紧凑，具有优良的通带特性和带外抑制特性.

1 超宽带带通滤波器研究

本研究所设计的带加载的环形谐振器结构如图1所示.

从图1可知，该环形谐振器的左右两侧分别加载有一组高阻抗线，在内部加载有平行耦合线，且在左右两侧的每一根高阻抗线上分别加载有一开路支节.该环形谐振器具有多谐振点的特性，通过调节其物理尺寸，可以将多个谐振点放置在超宽带的通带范围内，从而实现超宽带的通带带宽.

图1带加载的环形谐振器

基于上述带加载的环形谐振器，本研究设计了一种结构紧凑的超宽带带通滤波器，其结构如图2所示.

图2超宽带带通滤波器

从图2可知，带加载的环形谐振器的两侧采用了交指状的馈线结构，从而实现与环形谐振器之间的强耦合.当环形谐振器只加载在其左右两侧的高阻抗线时，可实现超宽带的通带带宽.

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，对该滤波器进行了仿真计算，仿真结果如图3所示.

图3超宽带带通滤波器的仿真计算结果

从图3可知， 该滤波器虽然具有超宽带的通带带宽特性，但通带性能较差，通带内的插入损耗较大，带外13.99 GHz处虽然有一个传输零点，但在13.81 GHz处有谐波，带外特性也不理想.

为了进一步改善该滤波器的通带性能，在环形谐振器的内部加载如图1所示的平行耦合线，通过此加载方式，可以有效改善该滤波器的通带性能.

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，对该滤波器进行了仿真计算，仿真结果如图4所示.图4给出了该滤波器在环形谐振器内部加载和不带加载平行耦合线等2种情况下的仿真结果.

图4 环形谐振器内部带加载与不带加载情况的仿真计算结果

从图4可知，当在环形谐振器的内部加载平行耦合线时，该滤波器的通带性能明显得到改善，通带内最小的插入系数由-1.85 dB改善到-0.73 dB，带外谐波的位置向高频方向移动，由13.81 GHz移动到14.29 GHz.由此可见，通过在环形谐振器的内部加载平行耦合线，该滤波器的通带特性以及带外特性都明显得到了改善.

同时，为了抑制该滤波器在高频段的谐波，在环形谐振器左右两侧的每根高阻抗线上分别加载开路支节(见图1)，通过此加载方式，能有效改善该滤波器的带外特性，抑制高频段的谐波.

2 仿真结果分析

本研究设计的超宽带带通滤波器的具体尺寸为：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仿真软件对所设计的超宽带带通滤波器进行了仿真计算.仿真计算中，介质的介电常数为9.6，厚度为0.8 mm.仿真计算得到的结果如图5所示.

图5基于带加载环形谐振器的超宽带带通滤波器的仿真结果

从图5可知，该超宽带带通滤波器的3 dB带宽范围为3.57～9.43 GHz，相对带宽为90.2%，通带内反射系数较低，具有优良的通带特性.此外，高频带的谐波被抑制，在13.86 GHz处有一传输零点，有效保证了该滤波器的带外特性.

3 结 语

本研究提出了一种带加载的环形谐振器，并在此基础上设计了一种结构紧凑的超宽带带通滤波器.电磁仿真结果表明，该滤波器不仅具有优良的通带特性，而且还具有良好的带外抑制特性.