具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設計與實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信息傳輸系統的要求越來(lái)越高。而超寬帶（UWB）技術(shù)以其成本低、功耗小、安全性好、數據傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)成為目前國內外通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。UWB技術(shù)出現于20世紀50年代末，一直到20世紀90年代主要應用于軍事上的雷達和低截獲率的通信系統。近年來(lái)，隨著(zhù)微電子器件技術(shù)和工藝的發(fā)展，UWB技術(shù)開(kāi)始應用在民用領(lǐng)域。2002年2月14日，超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)首次獲得了FCC的批準用于民用通信中，以提高頻譜利用效率。2002年4月，FCC批準將3.1－10.6GHz的頻段分配給UWB使用。這使得UWB系統及其器件的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

作為UWB系統重要的器件，UWB濾波器被廣泛地研究與應用。采用了低通濾波器加高通濾波器的方法來(lái)實(shí)現UWB帶通濾波器。介紹了一種微帶與共面波導的寬帶耦合結構來(lái)實(shí)現UWB濾波器。提出了一種新穎的基于多模諧振器的UWB濾波器。這些UWB濾波器可以很有效地應用于UWB無(wú)線(xiàn)通信系統中。然而，UWB技術(shù)的其中一個(gè)方案，直接序列超寬帶（DS-UWB）技術(shù)建議采用雙頻帶（3.1-5.15GHz和5.825-10.6GHz）。這就需要在5.8GHz左右形成一個(gè)陷波，以抑制其它窄帶系統的干擾。是在UWB濾波器的不同位置刻蝕分支線(xiàn)來(lái)實(shí)現的陷波特性的。通過(guò)加上多個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)（SRR）來(lái)產(chǎn)生多個(gè)陷波。

本文提出一種新的具有陷波特性的UWB帶通濾波器，由階梯阻抗低通濾波器、HMSIW高通濾波器以及集成在微帶與HMSIW過(guò)度段上的分支線(xiàn)實(shí)現，如圖1所示，其中陷波特性是由分支線(xiàn)產(chǎn)生。

圖1 設計的UWB濾波器的俯視圖

2 設計與分析

2.1 低通濾波器的設計

微帶線(xiàn)階梯阻抗濾波器是一種基本的低通濾波器。一般地，在實(shí)現一個(gè)濾波器的過(guò)程中，高、低阻抗的微帶寬度分別保持不變。然而，如果用這種方法來(lái)實(shí)現一個(gè)上邊帶為10.6GHz的低通濾波器，階數將會(huì )很大。因此，為了設計寬帶且相對小尺寸的低通濾波器，人們提出了一些改進(jìn)方法。采用改變介質(zhì)的介電常數而保持高、低阻抗微帶的寬度不變的方法來(lái)實(shí)現阻抗變換。

這里，我們采用不同寬度的微帶組成階梯阻抗來(lái)實(shí)現寬帶的低通濾波器。采用Ansoft HFSS優(yōu)化設計了一個(gè)6階的階梯阻抗低通濾波器。

2.2 高通濾波器的設計

基片集成波導（SIW）中的場(chǎng)分布與傳統矩形波導中的場(chǎng)分布相似。因此，SIW具有傳統矩形波導的高通特性。同時(shí)SIW器件還繼承了矩形波導的高Q值、低插損、低輻射和較高的功率容量等優(yōu)點(diǎn)。此外，SIW器件具有矩形波導不具備的易與平面電路集成的優(yōu)點(diǎn)。作者基于SIW的高通特性設計并實(shí)現了性能良好的具有陷波特性的UWB濾波器。

近年來(lái)，HMSIW的高通特性和階梯阻抗低通濾波器實(shí)現UWB濾波器，并用支線(xiàn)實(shí)現陷波特性。過(guò)渡帶的設計是非常重要的，設計不好會(huì )在HMSIW中引入高階模，從而降低有效信道帶寬。這里，我們設計了一個(gè)四階的梯形過(guò)渡，這個(gè)過(guò)渡的漸變邊緣近似滿(mǎn)足指數函數。

我們使用具有過(guò)渡帶的HMSIW來(lái)實(shí)現高通濾波器的另一個(gè)重要原因就是分支線(xiàn)可以集成在過(guò)渡帶上，下面將會(huì )詳細敘述。

2.3 陷波特性的設計與分析

有多種方法產(chǎn)生陷波。文獻中采用的是開(kāi)路諧振線(xiàn)，性能良好。SIW 過(guò)渡帶的大部分電流分布于過(guò)渡帶的邊緣，所以在SIW中產(chǎn)生陷波應該在過(guò)渡帶的中心線(xiàn)加上開(kāi)路諧振線(xiàn)。而HMSIW的場(chǎng)分布與SIW的一半的場(chǎng)分布十分接近，所以HMSIW過(guò)渡帶的電流也大部分在漸變線(xiàn)的一邊，那么HMSIW中要產(chǎn)生陷波應該在過(guò)渡帶的直線(xiàn)邊緣引入分支線(xiàn)。開(kāi)路諧振線(xiàn)和分支線(xiàn)的結構如圖2所示。分支線(xiàn)的長(cháng)度應該是λ/4以保證分支線(xiàn)的第二諧振點(diǎn)不在UWB頻帶內。例如，我們需要一個(gè)在5.8GHz的陷波，那么在介電常數為2.2的介質(zhì)上，分支線(xiàn)的長(cháng)度應該在9毫米左右。

圖 2 (a)開(kāi)路諧振線(xiàn)結構；(b)分支線(xiàn)結構

3 測試結果討論

采用標準PCB工藝，實(shí)現了上述在5.8GHz具有處陷波特性的UWB濾波器。此濾波器的尺寸為20mm×60mm。圖3給出了濾波器的實(shí)物圖。圖4給出了分支線(xiàn)在不同位置的仿真與測試S參數結果，其中，(a)圖是分支線(xiàn)離HMSIW較遠時(shí)的結果，此時(shí)7.5GHz左右的回波損耗高于-10dB；(b) 中對分支線(xiàn)的位置做了改進(jìn)，更靠近HMSIW，測得結果優(yōu)于前者，7.5GHz處回波損耗低于-9.2dB，其余頻段回波損耗都小于-10dB。更重要的是(b)中的陷波深度優(yōu)于(a)中10dB左右。

圖3 設計濾波器的事物圖

(a) 分支線(xiàn)離HMSIW較遠；

(b) 分支線(xiàn)離HMSIW較近

圖2

4 結論

本文設計并實(shí)現的具有陷波特性的UWB濾波器是由一個(gè)階梯阻抗低通濾波器、一個(gè)HMSIW高通濾波器以及微帶與HMSIW過(guò)渡帶上的分支線(xiàn)組成。實(shí)現的超寬帶濾波器的頻帶范圍為3.1－10.6GHz，陷波頻率在5.8GHz左右，陷波深度達到了-50dB。同時(shí)，此濾波器具有低插損、好選擇性的特點(diǎn)，可以應用在UWB無(wú)線(xiàn)通信系統中。