0 引言

    自美國聯(lián)邦通信委員會(huì)2002年將3.1～10.6 GHz頻段授權(quán)民用之后，超寬帶濾波器作為UWB系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，成為了研究熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)UWB濾波器進(jìn)行了大量研究，各種結(jié)構(gòu)的濾波器也相繼提出。例如，多模諧振器就被廣泛用于各類超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)中^[1-3]。文獻(xiàn)[1]提出了一種改進(jìn)的多模諧振器，其能在帶外產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，以改善濾波器選擇性。文獻(xiàn)[3]中，在微帶中心加載折疊的多模諧振器，使得該濾波器的帶外特性得到極大的改善。同時(shí)，由于共面波導(dǎo)(CPW)和微帶線的過渡結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生超寬帶效應(yīng)，因此常用于帶通濾波器的設(shè)計(jì)中^[4-9]。但通常過渡結(jié)構(gòu)在下阻帶沒有零點(diǎn)，因此其選擇性不好，且上阻帶也較窄。缺陷微帶^[10-11]以及缺陷地^[12]結(jié)構(gòu)也常用來設(shè)計(jì)超寬帶濾波器。然而，缺陷結(jié)構(gòu)由于在微帶或地平面進(jìn)行刻蝕處理，會(huì)使得該種濾波器帶來信號(hào)完整性問題。

    本文在傳統(tǒng)CPW到微帶過渡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將中心位置處的微帶用交指耦合線替換，以在濾波器上下阻帶各帶來一個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而改善濾波器的選擇性。在濾波器CPW槽下加載8個(gè)微帶短路枝節(jié)，以拓展濾波器的上阻帶特性。最終，為驗(yàn)證濾波器性能，對(duì)加工的濾波器進(jìn)行了測(cè)試，且測(cè)試和仿真結(jié)果吻合較好。

1 UWB濾波器設(shè)計(jì)

    本文所提出的濾波器是設(shè)計(jì)在厚度為0.508 mm的Rogers RO 4350(介電常數(shù)ε_r=3.66)基板上。正面銅箔構(gòu)成了CPW，反面銅箔充當(dāng)微帶的帶線。本文提出了一種改進(jìn)的CPW到微帶的過渡結(jié)構(gòu)（CPW-MS-CPW），其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中耦合線和CPW彎折枝節(jié)的長度約為中心頻率的λ_g/4。與文獻(xiàn)[5]中傳統(tǒng)的CPW到微帶的過渡結(jié)構(gòu)不同，本文中將中心微帶用交指耦合線（ICL）代替。圖2給出了該過渡結(jié)構(gòu)的低頻集總等效和J變換等效電路。其中，J變換網(wǎng)絡(luò)是CPW和微帶的過渡實(shí)現(xiàn)的，ICL可等效為非對(duì)稱平行耦合線。C₀表示交指耦合線的低頻等效電容，L₀和L₁分別表示CPW的中間導(dǎo)體和接地部分的等效電感。

    改進(jìn)型和傳統(tǒng)的混合CPW和微帶結(jié)構(gòu)的仿真S參數(shù)如圖3所示，加載了交指耦合線的過渡結(jié)構(gòu)在帶外有4個(gè)傳輸零點(diǎn)。其中，f_z3是由CPW到微帶過渡產(chǎn)生的，f_z0(0 GHz)和f_z2是由ICL引入的。對(duì)于傳輸零點(diǎn)f_z1，其產(chǎn)生機(jī)理可由其低頻等效集總電路分析得出。文中提出的CPW-MS-CPW以及文獻(xiàn)[5]中的過渡結(jié)構(gòu)的低頻集總等效電路的簡(jiǎn)化電路分別如圖4(a)和圖5(a)所示。

    對(duì)于奇模激勵(lì)，由其奇模等效電路(如圖4(b))可得，其輸入阻抗如式(1)所示：

    顯然，同圖3中的電磁仿真結(jié)果一致，除0 GHz外，該傳統(tǒng)過渡結(jié)構(gòu)在低頻段不會(huì)產(chǎn)生任何傳輸零點(diǎn)。

    通過以上的分析可知，通過引入ICL，使得在阻帶的高端和低端分別產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。如圖3所示，相對(duì)于文獻(xiàn)[5]中沒有加入ICL的過渡結(jié)構(gòu)，文中提出的CPW-MS-CPW的選擇性得到了極大的改善。但是，該濾波器的上阻帶特性仍然不夠理想，比如，其上阻帶衰減達(dá)到20 dB的頻率不超過15 GHz。

    為進(jìn)一步改善濾波器的帶外特性(如圖6所示)，在濾波器的輸入輸出端口的CPW槽下通過耦合方式加載4個(gè)短路枝節(jié)（CSS），以拓展其上阻帶頻率。此外，通過在CPW彎折槽下引入4個(gè)短路枝節(jié)，以便在上通帶邊緣產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，進(jìn)而改善濾波器在高頻段的選擇性。如圖6所示，文中提出的CSS可以等效成一個(gè)串聯(lián)的LC諧振器。圖7給出了CSS在不同參數(shù)下仿真得到的S21。顯然，CSS能在高頻段產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)用于改善濾波器的帶外特性，而對(duì)通帶影響很小。并且其傳輸零點(diǎn)隨著參數(shù)l₀、w₀、l₁的減小而往高頻段移動(dòng)，但當(dāng)減小參數(shù)w₁時(shí)，零點(diǎn)向低頻段移動(dòng)。

    濾波器參數(shù)示意圖如圖8，濾波器尺寸：w₀=0.24 mm，s₀=3.5 mm，l_x0=0.8 mm，w_x0=0.8 mm，d₀=1.54 mm，w_s0=0.8 mm，l_s0=2.88 mm，w_c1=0.43 mm，w_s1=0.36，w₃=0.2 mm，l₃=0.96 mm，l_c1=1.78 mm，d₁=1.04 mm，l_s1=2.57 mm，l_c0=0.95 mm，l_x1=0.8 mm，w_x1=0.8 mm，w_c0=0.96 mm，w₁=0.25 mm，w₂=0.1 mm，g=0.15 mm，l₁=6.01 mm。

2 濾波器的結(jié)果分析

    為驗(yàn)證文中提出的濾波器的性能，對(duì)本文設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行了加工和測(cè)試，實(shí)物如圖9所示。圖10給出了用矢網(wǎng)測(cè)得的濾波器S參數(shù)和群時(shí)延。顯然，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果具有不錯(cuò)的一致性。

    測(cè)試結(jié)果表明，該濾波器的相對(duì)帶寬達(dá)到了123%(2.75～11.55 GHz)。整個(gè)超寬帶內(nèi)的回波損耗優(yōu)于15 dB。在通帶大多數(shù)頻段(3～10.2 GHz)內(nèi)的插入損耗不超過0.7 dB，其中在中心頻率附近的最小插損低于0.4 dB。顯然，由于該濾波器在通帶的上下邊緣各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得其具有陡峭的選擇性，濾波器的選擇因子S.F.(3 dB帶寬/30 dB帶寬)達(dá)到了0.86。同時(shí)該濾波器具有相對(duì)平坦的群時(shí)延，在整個(gè)超寬帶內(nèi)的群時(shí)延波動(dòng)不超過0.15 ns。

    本文的濾波器和其他已經(jīng)報(bào)道過的濾波器的性能對(duì)比如表1所示。顯然，相較于一些已經(jīng)出版過的類似CPW和微帶混合結(jié)構(gòu)的濾波器^[4-9]，文中提出的濾波器具有相對(duì)緊湊的尺寸(0.49 λ_g×0.47 λ_g，其中λ_g表示對(duì)應(yīng)頻率為6.85 GHz的導(dǎo)波波長)，更寬的帶寬以及更陡峭的選擇性。相較于文獻(xiàn)[5]，由于文中引入了交指耦合線，使得濾波器的選擇性得到極大的改善，其選擇性是表1中最好的。此外，通過在CPW對(duì)應(yīng)槽下加載耦合短路枝節(jié)，使得上阻帶抑制超多20 dB的頻率F_c達(dá)到了20 GHz，是表1中上阻帶頻率最大的。

3 小結(jié)

    本文在CPW-微帶線-CPW過渡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)超寬帶濾波器。在微帶的中心位置處引入交指耦合線，使得在通帶下邊緣產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，改善了濾波器的選擇性（選擇因子達(dá)0.86）。并且在CPW槽下加載耦合短路枝節(jié)，進(jìn)一步改善了濾波器的選擇性，并擴(kuò)展了濾波器的上阻帶頻率。同時(shí)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該濾波器具有插損小(0.7 dB)、回波損耗好（大于15 dB）和阻帶抑制性能好等優(yōu)點(diǎn)，使得該濾波器能夠很好地應(yīng)用于超寬帶無線系統(tǒng)中。

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