微带超宽带带通滤波器的设计研究

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[摘 要]超宽带微波滤波器是超宽带系统中的一个关键无源部件，对于系统的整体性能有着重大的影响。本文通过对超宽带带通滤波器的基本理论的分析，结合国内外的研究现状，对微带超宽带带通滤波器的设计进行相应的研究。

[关键词]超宽带 带通滤波器 耦合结构

中图分类号：TN713.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0026-01

超宽带滤波器位于超宽带系统的射频前端，它既可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰，因此，超宽带微波滤波器是超宽带系统中的一个关键无源部件，它性能的好坏对于系统的整体性能有着重大的影响。

1、 超宽带带通滤波器的理论

超宽带带通滤波器的根本功能是实现选频和抑制干扰的功能，即抑制不需要的频段信号，使需要的频段信号顺利通过，在无线系统前端中占有重要的位置。微波滤波器有很多种分类方法，例如按方式分类（反射式、吸收式等）；按结构分类（如同轴线、微带线等）；按作用分类（带通、带阻等）等等。通常我们会按照其作用方式将滤波器分为：低通、高通、带通和带阻滤波器。

在微波和毫米波系统中，构成滤波器、振荡器以及天线等的重要元件是谐振器，它最常采用的结构是均匀特性阻抗结构（Uniform-Impedance resonator， UIR）。由于其结构简单，并易于设计而被广泛应用，UIR 型传统滤波器的设计方法已相当完善。然而在实际的设计中，这样的谐振器存在不少缺陷，例如由于结构简单而设计参数有限，无法方便调节各个谐振模式。而阶梯阻抗谐振器（Stepped-impedance resonator， SIR），将有效解决 UIR 所存在的不足，其重要特性是该谐振器的前几个谐振模式可以通过改变阻抗比来调节，因此 SIR 作为一种基本谐振器单元，非常适合运用于多频、宽带滤波器设计中。同时在近年来，很多学者对支节线加载谐振器（Stub-loaded resonator， SLR）进行了大量扩展性的研究，发现 SLR 对谐振模式的控制具有一些独特的特性而被广泛运用在滤波器设计中。由于超宽带带通滤波器设计中，通带范围只有一个谐振模式的滤波器很难覆盖如此宽的带宽，这就需要谐振器工作于多个模式，通过模式之间的耦合来实现宽带特性。因此为了设计出满足 FCC 超宽带通信系统要求的高性能小型化滤波器，利用 SIR，SLR 等多模谐振器结构设计超宽带滤波器的方法相继被提出。

2、 国内外超宽带带通滤波的研究现状

超宽带频段的开放，极大地促进了超宽带系统和超宽带器件的研制。作为超宽带系统的关键器件之一，超宽带带通滤波器的研究也深受各界的关注，得到了快速的发展。为了适应微波集成电路小型轻便化的要求，超宽带滤波器不仅要求性能好，而且要体积小、结构紧凑。

超宽带滤波器首先是由 Satio A.等人在 2003年提出，该滤波器是基于一种对高频信号有较大衰减的特殊材料设计而成。但其缺点是插损较大，达到6dB，远不能满足现在超宽带系统的要求。而后，在2004年Ishida H.等提出了一种微带双模环形谐振器结构的超宽带滤波器，实现滤波器的相对带宽为 83%，其带内特性较好，但是带外抑制效果并不理想。在近年来，随着超宽带技术的快速发展，国内外针对超宽带滤波器这一研究热点进行了广泛的研究，提出了一些新的超宽带滤波器的设计方法以满足高性能、小型化的设计要求。

3、 超宽带带通滤波器的设计研究

3.1 宽阻带 UWB 带通滤波器设计

近几年，专家学者提出了多种结构的超宽带带通滤波器，这些滤波器具有结构简单、通带内性能较好的优点。但其缺点是阻带较窄，抑制高次谐波的性能不够突出。因此，在实现宽通带滤波器的同时，如何实现宽阻带的特性，从而有效抑制谐波，提高 UWB 系统性能，成为当前的研究热点。

单个叉指谐振器上阻带较窄，不能抑制高次谐波。S-DGS和 S-SISS 结构具有带阻特性，因此将叉指谐振器和 S-DGS、S-SISS 结合，设计了一种新型的超宽带带通滤波器，该滤波器的作频带在 3.1-10.8 GHz，带内插损小于 1 dB，阻带高达 18 GHz，抑制电平在 15 dB 以上。因此，在叉指谐振器中加入 S-DGS 和 S-SISS 单元以后，滤波器具有良好的通带特性以及较宽的阻带。除了陷波频段外，所设计的滤波器通带内的群时延小于 0.5 ns，具有平坦的时延特性。可以避免 UWB 信号通过滤波器产生的失真。但该滤波器也存在不足，过渡带不够陡峭，还有待于改善。

3.2 多陷波 UWB 带通滤波器设计

随着移动通信技术的迅速发展，多种通信系统并存，应用越来越普遍的无线技术，各种频率信号的产生，主要是 WLAN 和卫星通信系统等信号对 UWB 系统的影响对滤波器的频率选择特性提出了新的更高的要求，如何抑制消除特定频率信号的干扰，成为新的研究方向。

单陷波滤波器模型是采用并联四分之一波长短路支节来形成基本的带通滤波器，将并联支节折叠以减少尺寸；折叠的 SIR 单元在与主传输线耦合时，等效为并联的串联 LC 谐振电路，因此在谐振频率点会将电流引向地，从而形成陷波。双陷波滤波器模型是将叉指谐振器单元进行改进，引入开路支节，调节开路支节的尺寸，可以在期望的频点得到陷波；在微带线上刻出螺旋缝隙，调节缝隙的尺寸，同样可以引入陷波。两种滤波器的尺寸都较小，通带性能优越，并在指定频段内有效地抑制了干扰信号。但是这两种滤波器的阻带比较窄，频率选择性能不够突出，还有待进一步提高。

3.3 折叠耦合臂UWB 带通滤波器设计

折叠耦合臂UWB 带通滤波器用哑铃型支节多模谐振器结构可以在形成宽通带的同时，兼具宽阻带，具有更好的频率选择性；输入输出两端采用叉指耦合结构，达到紧耦合。折叠的部分相当于一个并联的串联 LC 谐振电路，在谐振频率点处，该电路具有扼流作用，即在谐振频率点产生陷波。

折叠耦合臂 UWB 带通滤波器的设计中间采用哑铃型支节多模谐振器结构，同时具有宽通带和宽阻带；两端采用折叠耦合臂结构，在紧耦合的同时实现陷波。折叠臂与输入/输出端口距离 WS的改变对带内插损几乎没有影响，但对回波损耗的指标有较小的影响。兼顾加工工艺的难易程度和滤波器性能，选择 WS=0.5 mm 为最佳距离。由上面分析，折叠耦合臂的长度 WH决定了陷波中心频率。固定 WS为 0.5 mm，改变 WH的值，仿真带内插损的频率特性，WH由 3.0 mm 逐渐增加到 3.8 mm，陷波的中心频率逐渐向低频移动。当 WH=3.4 mm，实现了 5.8 GHz的陷波。

将叉指谐振器的一个耦合臂折叠，引入陷波特性，再结合哑铃型支节多模谐振器滤波器结构，设计出来的滤波器模型既有陷波又有宽阻带特性。叉指耦合器单元结合 S-DGS 和 S-SISS 是具有宽阻带的带通滤波器，在主传输线上耦合折叠的 SIR 单元引入陷波。但是滤波器的带内带外特性有所下降，且实测结果和软件仿真存在差异，滤波器的整体性能还有待进一步提高。

结语

综合研究分析，在超宽带带通滤波器的设计中将宽通带、宽阻带、陷波巧妙的结合起来，设计出结构更紧凑，尺寸更小巧的滤波器，更加契合无线通信系统的发展需要，也是 UWB 滤波器的发展趋势。

参考文献

[1]高山山.超宽带微带带通滤波器的研究与设计[D].南京邮电大学硕士学位论文， 2008.

[2]陈丽. 微带超宽带带通滤波器的研究与设计[D].西安电子科技大学，2011.

[3]田旭坤. 微带超宽带带通滤波器研究[D].华南理工大学，2012.