汪仲清，鄔墨家，曹 昶，李 寶

(重慶郵電大學(xué)a.數(shù)理學(xué)院;b.光電工程學(xué)院，重慶 400065)

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)于2002 年解禁了3.1 ～10.6 GHz頻段［1］，超寬帶無線通信技術(shù)具有傳輸效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為短距離無線通信中極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。濾波器作為超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部件，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究［2－13］。多模諧振超寬帶濾波器是一種常見的超寬帶濾波器，這類濾波器通常采用微帶結(jié)構(gòu)，制作相對(duì)簡(jiǎn)單，受到國(guó)內(nèi)外眾多研究人員的關(guān)注。Zhu L等人［2］制作的開路負(fù)載多模超寬帶濾波器具有較好的通頻特性。其他類型的超寬帶濾波器，諸如共面波導(dǎo)/微帶［3］、缺陷地(Defected Ground Structure，DGS)［4］、電磁帶槽(Electromagnetic Band － Gap，EBG)［5］等不同結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，都為微波帶通濾波器的研究產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。

無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)或無線保真(Wireless Fidelity，WiFi)已經(jīng)成為無線通信應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，其規(guī)定的工作頻段包含5.2 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻段，由于這兩個(gè)頻段都在超寬帶頻段內(nèi)，這會(huì)對(duì)超寬帶系統(tǒng)形成干擾，超寬帶器件一般是采取陷波方式來消除其影響。文獻(xiàn)［2－5］提到的超寬帶濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮到消除來自無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，本文在多模超寬帶濾波器的基礎(chǔ)之上加入雙開路支節(jié)，通過調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)和寬，以實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器的陷波特性，屏蔽掉5～6 GHz這一頻段，可以提高濾波器的抗干擾能力。利用該方法，插入損耗在屏蔽頻段能夠降低到－60 dB左右，相比于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中出現(xiàn)的諧振腔型陷波結(jié)構(gòu)［8－9］、非均勻周期接地槽結(jié)構(gòu)［10］、非對(duì)稱曲折耦合結(jié)構(gòu)［11］以及四路開路節(jié)支［12－13］，該設(shè)計(jì)的屏蔽效果更好，且制造更加方便。

1 超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)及分析

多模諧振(Multiple－mode Resonator，MMR)超寬帶濾波器是由步進(jìn)阻抗諧振器(Stepped－impedance Resonator，SIR)和耦合傳輸線，以及輸入輸出端口組成。SIR包括一個(gè)1/2波長(zhǎng)和兩個(gè)1/4波長(zhǎng)微帶線。步進(jìn)阻抗諧振器能將一次諧振模與二次諧振模之間的間隔進(jìn)行擴(kuò)大，從而有效展寬主要通帶的截止頻帶［2］。帶通型濾波器通常是使用電感與電容間的相互耦合形成通帶，圖1顯示了濾波器結(jié)構(gòu)的整體布局，具體尺寸如表1所示。

圖1 多模諧振超寬帶濾波器整體結(jié)構(gòu)

表1 濾波器結(jié)構(gòu) mm

多模諧振是通過奇偶模傳輸?shù)南辔徊钚纬刹煌闹C振頻點(diǎn)，從而拉寬通帶的寬度。通過IE3D軟件對(duì)該設(shè)計(jì)濾波器模型進(jìn)行了不同耦合長(zhǎng)度的全波電磁仿真，圖2是耦合長(zhǎng)度L3分別為0.2 mm，1.0 mm和3.95 mm時(shí)插入損耗S21的仿真結(jié)果。由S21隨波長(zhǎng)變化的曲線可以看出，在4 GHz，7 GHz和9 GHz左右產(chǎn)生了3個(gè)諧振頻點(diǎn)。當(dāng)耦合長(zhǎng)度從0.2 mm增加到1 mm時(shí)，插入損耗S21并沒有發(fā)生明顯的變化，但當(dāng)耦合長(zhǎng)度變?yōu)?.95 mm時(shí)，S21的頻率響應(yīng)就十分接近0 dB，因此選定耦合長(zhǎng)度為3.95 mm。圖3為插入損耗S21與回波損耗S11隨頻率變化的仿真結(jié)果，圖中的S參數(shù)曲線顯示該濾波器設(shè)計(jì)能夠在超寬帶頻帶內(nèi)獲得較好的頻率特性。S21最低只有－0.65 dB左右，而S11都低于－10 dB，最低能夠超過或達(dá)到－50 dB左右，具有較好的超寬帶通頻特性，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4是該濾波器另一重要參數(shù)——群時(shí)延的仿真結(jié)果?？梢钥闯鲈诔瑢拵ьl域內(nèi)群時(shí)延能夠維持在0.35 ns內(nèi)，并且可以穩(wěn)定在0.22 ns上，在通帶范圍內(nèi)具有良好的群時(shí)延特性。

圖2 不同耦合長(zhǎng)度下插入損耗S21隨頻率的變化

2 陷波濾波器設(shè)計(jì)與仿真分析

為了保持在原濾波器的通帶特性基礎(chǔ)上，使其擁有陷波特性。國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的陷波結(jié)構(gòu)存在諧振腔結(jié)構(gòu)［8－9］、非均勻周期接地槽結(jié)構(gòu)［10］和非對(duì)稱曲折耦合結(jié)構(gòu)［11］等。在多模諧振結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器獲得陷波特性的研究中［12－13］，增加開路支節(jié)是一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法。文獻(xiàn)［12－13］都是通過加入4個(gè)開路支節(jié)，讓濾波器產(chǎn)生陷波特性，按照此類方法對(duì)其濾波器改進(jìn)會(huì)產(chǎn)生雙頻陷波，插入損耗只能陷到－20 dB左右，且對(duì)通帶內(nèi)的通頻特性影響較大。如果增加兩個(gè)對(duì)稱的開路支節(jié)既能保持原濾波器的通帶特性，并且產(chǎn)生一條較窄的陷波帶，因此在圖2設(shè)計(jì)原型上加入兩段開路支節(jié)。在輸入/輸出端口處添加兩條1/4波長(zhǎng)微帶線，寬度為0.1 mm，開路支節(jié)添加在微帶線邊上，形成兩個(gè)L型的開路支節(jié)。改進(jìn)后的濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 帶陷波特性的多模諧振超寬帶濾波器整體結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)開路支節(jié)的長(zhǎng)度l和寬度w會(huì)對(duì)陷波頻點(diǎn)產(chǎn)生較大的影響。分別對(duì)長(zhǎng)度l和寬度w的變化給濾波器帶來的影響進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，隨著長(zhǎng)度l從1.56 mm增加至1.74 mm，諧振頻點(diǎn)會(huì)逐漸左移，但在超出一定值(1.62 mm)后，濾波器就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)諧振頻點(diǎn)，形成多個(gè)陷波帶，曲線變得不平滑。當(dāng)l=1.56 mm和1.62 mm時(shí)，插入損耗結(jié)果最佳。圖7顯示了插入損耗隨寬度w的變化，可以看出濾波器同樣存在諧振頻點(diǎn)左移的情況。當(dāng)w=0.25 mm和0.3 mm時(shí)，插入損耗結(jié)果最佳。

綜上所述，當(dāng)l分別為1.56 mm，1.62 mm和w分別為0.25 mm，0.3 mm時(shí)，陷波特性效果較好。長(zhǎng)度和寬度的值越大，諧振頻點(diǎn)越向頻率低端靠。同時(shí)對(duì)這兩組長(zhǎng)度和寬度組合進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。相比之下，長(zhǎng)度與寬度組合分別為1.56 mm，0.3 mm和1.62 mm，0.3 mm時(shí)，插入損耗結(jié)果最理想，但后者的諧振頻點(diǎn)更接近5.5 GHz，更有利于陷波。

最后選定長(zhǎng)度l=1.62 mm、寬度w=0.3 mm，整個(gè)濾波器模型在RT/Duroid 6010的介質(zhì)基板下完成，其相對(duì)介電常數(shù)為10.8，厚度為1 mm。在IE3D上對(duì)模型進(jìn)行仿真，圖9和圖10分別為陷波濾波器的S參數(shù)和群時(shí)延的仿真結(jié)果。濾波器在陷波后的超寬帶頻段內(nèi)(3.1～5.1 GHz和5.9～10.6 GHz)插入損耗仍然較低，能夠保持在－1 dB內(nèi)，回波損耗最低處低于－55 dB。在5～6 GHz之間形成了陷波帶，最大抑制電平接近－60 dB，仿真性能超過其他類型的陷波結(jié)構(gòu)。群時(shí)延除在5 GHz附近存在明顯變化之外，在超寬帶頻段內(nèi)保持穩(wěn)定。因此本設(shè)計(jì)既保持了濾波器在除陷波區(qū)外的超寬帶通頻特性，又提高了其抗干擾的能力。

圖8 插入損耗S21參數(shù)隨頻率的變化

針對(duì)陷波性能，可對(duì)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的不同陷波結(jié)構(gòu)［6－11］進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果在表2中列出?？梢钥闯觯緝?yōu)化設(shè)計(jì)的雙開路支節(jié)在陷波性能上明顯優(yōu)于其他陷波結(jié)構(gòu)。

表2 各種結(jié)構(gòu)陷波性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文在多模諧振結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)開路支節(jié)，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)支節(jié)的長(zhǎng)度和寬度，使濾波器獲得了1 GHz左右的陷波特性，能夠屏蔽無線網(wǎng)絡(luò)5～6 GHz的干擾。模型的仿真結(jié)果表明，該濾波器在超寬帶(除陷波帶)內(nèi)仍然保持了較好的通頻，在WLAN頻段內(nèi)獲得了陷波特性，陷波的最大抑制電平接近－60 dB，性能優(yōu)于其他陷波結(jié)構(gòu)，群時(shí)延在5.5 GHz左右存在明顯的變化，提高了其抗干擾的能力。

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