带陷波特性的多模谐振超宽带滤波器设计

汪仲清，邬墨家，曹 昶，李 宝

(重庆邮电大学a.数理学院;b.光电工程学院，重庆 400065)

责任编辑:时 雯

美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)于2002 年解禁了3.1 ～10.6 GHz频段［1］，超宽带无线通信技术具有传输效率高、抗干扰能力强等优点，使其成为短距离无线通信中极具竞争力的技术之一。滤波器作为超宽带通信系统的重要组成部件，国内外都进行了大量的研究［2－13］。多模谐振超宽带滤波器是一种常见的超宽带滤波器，这类滤波器通常采用微带结构，制作相对简单，受到国内外众多研究人员的关注。Zhu L等人［2］制作的开路负载多模超宽带滤波器具有较好的通频特性。其他类型的超宽带滤波器，诸如共面波导/微带［3］、缺陷地(Defected Ground Structure，DGS)［4］、电磁带槽(Electromagnetic Band － Gap，EBG)［5］等不同结构的出现，都为微波带通滤波器的研究产生了极大的推动作用。

无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)或无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)已经成为无线通信应用非常广泛的技术，其规定的工作频段包含5.2 GHz和5.8 GHz两个频段，由于这两个频段都在超宽带频段内，这会对超宽带系统形成干扰，超宽带器件一般是采取陷波方式来消除其影响。文献［2－5］提到的超宽带滤波器在设计时并没有考虑到消除来自无线网络的干扰，本文在多模超宽带滤波器的基础之上加入双开路支节，通过调节支节的长和宽，以实现超宽带滤波器的陷波特性，屏蔽掉5～6 GHz这一频段，可以提高滤波器的抗干扰能力。利用该方法，插入损耗在屏蔽频段能够降低到－60 dB左右，相比于国内外文献中出现的谐振腔型陷波结构［8－9］、非均匀周期接地槽结构［10］、非对称曲折耦合结构［11］以及四路开路节支［12－13］，该设计的屏蔽效果更好，且制造更加方便。

1 超宽带滤波器的设计及分析

多模谐振(Multiple－mode Resonator，MMR)超宽带滤波器是由步进阻抗谐振器(Stepped－impedance Resonator，SIR)和耦合传输线，以及输入输出端口组成。SIR包括一个1/2波长和两个1/4波长微带线。步进阻抗谐振器能将一次谐振模与二次谐振模之间的间隔进行扩大，从而有效展宽主要通带的截止频带［2］。带通型滤波器通常是使用电感与电容间的相互耦合形成通带，图1显示了滤波器结构的整体布局，具体尺寸如表1所示。

图1 多模谐振超宽带滤波器整体结构

表1 滤波器结构 mm

多模谐振是通过奇偶模传输的相位差形成不同的谐振频点，从而拉宽通带的宽度。通过IE3D软件对该设计滤波器模型进行了不同耦合长度的全波电磁仿真，图2是耦合长度L3分别为0.2 mm，1.0 mm和3.95 mm时插入损耗S21的仿真结果。由S21随波长变化的曲线可以看出，在4 GHz，7 GHz和9 GHz左右产生了3个谐振频点。当耦合长度从0.2 mm增加到1 mm时，插入损耗S21并没有发生明显的变化，但当耦合长度变为3.95 mm时，S21的频率响应就十分接近0 dB，因此选定耦合长度为3.95 mm。图3为插入损耗S21与回波损耗S11随频率变化的仿真结果，图中的S参数曲线显示该滤波器设计能够在超宽带频带内获得较好的频率特性。S21最低只有－0.65 dB左右，而S11都低于－10 dB，最低能够超过或达到－50 dB左右，具有较好的超宽带通频特性，满足设计要求。图4是该滤波器另一重要参数——群时延的仿真结果。可以看出在超宽带频域内群时延能够维持在0.35 ns内，并且可以稳定在0.22 ns上，在通带范围内具有良好的群时延特性。

图2 不同耦合长度下插入损耗S21随频率的变化

2 陷波滤波器设计与仿真分析

为了保持在原滤波器的通带特性基础上，使其拥有陷波特性。国内外出现的陷波结构存在谐振腔结构［8－9］、非均匀周期接地槽结构［10］和非对称曲折耦合结构［11］等。在多模谐振结构超宽带滤波器获得陷波特性的研究中［12－13］，增加开路支节是一个简单而有效的方法。文献［12－13］都是通过加入4个开路支节，让滤波器产生陷波特性，按照此类方法对其滤波器改进会产生双频陷波，插入损耗只能陷到－20 dB左右，且对通带内的通频特性影响较大。如果增加两个对称的开路支节既能保持原滤波器的通带特性，并且产生一条较窄的陷波带，因此在图2设计原型上加入两段开路支节。在输入/输出端口处添加两条1/4波长微带线，宽度为0.1 mm，开路支节添加在微带线边上，形成两个L型的开路支节。改进后的滤波器结构如图5所示。

图5 带陷波特性的多模谐振超宽带滤波器整体结构

研究发现开路支节的长度l和宽度w会对陷波频点产生较大的影响。分别对长度l和宽度w的变化给滤波器带来的影响进行仿真测试，结果如图6和图7所示。从图6可以看出，随着长度l从1.56 mm增加至1.74 mm，谐振频点会逐渐左移，但在超出一定值(1.62 mm)后，滤波器就会产生多个谐振频点，形成多个陷波带，曲线变得不平滑。当l=1.56 mm和1.62 mm时，插入损耗结果最佳。图7显示了插入损耗随宽度w的变化，可以看出滤波器同样存在谐振频点左移的情况。当w=0.25 mm和0.3 mm时，插入损耗结果最佳。

综上所述，当l分别为1.56 mm，1.62 mm和w分别为0.25 mm，0.3 mm时，陷波特性效果较好。长度和宽度的值越大，谐振频点越向频率低端靠。同时对这两组长度和宽度组合进行仿真，仿真结果如图8所示。相比之下，长度与宽度组合分别为1.56 mm，0.3 mm和1.62 mm，0.3 mm时，插入损耗结果最理想，但后者的谐振频点更接近5.5 GHz，更有利于陷波。

最后选定长度l=1.62 mm、宽度w=0.3 mm，整个滤波器模型在RT/Duroid 6010的介质基板下完成，其相对介电常数为10.8，厚度为1 mm。在IE3D上对模型进行仿真，图9和图10分别为陷波滤波器的S参数和群时延的仿真结果。滤波器在陷波后的超宽带频段内(3.1～5.1 GHz和5.9～10.6 GHz)插入损耗仍然较低，能够保持在－1 dB内，回波损耗最低处低于－55 dB。在5～6 GHz之间形成了陷波带，最大抑制电平接近－60 dB，仿真性能超过其他类型的陷波结构。群时延除在5 GHz附近存在明显变化之外，在超宽带频段内保持稳定。因此本设计既保持了滤波器在除陷波区外的超宽带通频特性，又提高了其抗干扰的能力。

图8 插入损耗S21参数随频率的变化

针对陷波性能，可对国内外出现的不同陷波结构［6－11］进行对比，结果在表2中列出。可以看出，本优化设计的双开路支节在陷波性能上明显优于其他陷波结构。

表2 各种结构陷波性能对比

3 结论

本文在多模谐振结构的超宽带滤波器基础上增加了两个开路支节，通过优化调节支节的长度和宽度，使滤波器获得了1 GHz左右的陷波特性，能够屏蔽无线网络5～6 GHz的干扰。模型的仿真结果表明，该滤波器在超宽带(除陷波带)内仍然保持了较好的通频，在WLAN频段内获得了陷波特性，陷波的最大抑制电平接近－60 dB，性能优于其他陷波结构，群时延在5.5 GHz左右存在明显的变化，提高了其抗干扰的能力。

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