一种高性能超宽带微带双通带滤波器设计

1、第38卷第6期2011年6月Vol.38,No.6Jun.2011应用科技Applied Science and Technology收稿日期:2010-12-01.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60902014.作者简介:一种高性能超宽带微带双通带滤波器设计刘乘源,李迎松,姜弢(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001摘要:提出了一个CPW/微带复合谐振腔结构组成的双通微带滤波器设计方案.该滤波器由1个开路加载的1/4波长CPW 复合谐振腔和2个短路加载的1/4波长的CPW 复合谐振腔组成.该滤波器利用不连续失配理论产生了可调节刻痕阻带,采用加载短接线模拟低通滤波器改

2、善了阻带特性.实测数据表明,滤波器在3.49.1GHz (-3dB 带宽范围内具有通阻带特性,相对带宽大于92%,带外衰减优于-30dB ,刻痕阻带的调节范围为5.58GHz ,与仿真结论基本一致.关键词:CPW/微带复合谐振腔;刻痕;双通带;带通滤波器中图分类号:TN821文献标识码:A文章编号:1009-671X (201105-0016-04Design of a high performance UWB microstrip dual -band BPFLIU Chengyuan ,LI Yingson ,JIANG Tao(College of Information and Com

3、munication Engineering ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,ChinaAbstract :This paper presents a design scheme of bi -pass microstrip filter which is composed of a coplanar waveguide(CPW/hybrid microstrip resonator chamber.The proposed filter is composed of a 1/4wavelength CPW open -end hyb

4、rid resonator and two 1/4wavelength CPW short -circuited hybrid resonators.The discontinuous mismatch of the two resonators is used to get the adjustable notch band and it also exhibits good out -of -band performance by the adoption of a short stub-loaded resonator.Experimental results demonstrated

5、that the filter has out -of -band characteristics from 3.4to9.1GHz (-3dB bandwidth ,relative bandwidth is larger than 92%,the attenuation outside a channel is superior to -30dB ,and the notch band can be changed optionally from 5.5to 8GHz ,which are in accordance with simulation.Keywords :CPW/hybrid

6、 microstrip resonator chamber ;notch band ;dual -band ;BPF2002年2月,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission批准3.110.6GHz 频段用于商用通信,使得UWB 技术在第4代移动通信中的应用前景更加明朗1.另一方面,现代通信发展要求通信系统必须满足多协议并行使用,使得多通带滤波器的需求日益增加;因此,可调刻痕阻带UWB 双通带滤波器的研究与设计成为微带滤波器领域的热点问题.早期的UWB 滤波器的设计思想主要源于高通滤波器与低通滤波器串联结构,难以实现双通带设计,且不易达到结构紧凑和体

7、积小巧2.之后的CPW/微带复合结构虽具有较好的通带效果,但阻带效果较差,而且未见有关双通带设计的报道3-9.此后出现了利用开路短截线产生刻痕阻带的设计思想,该类设计的阻带效果较差,需外加低通滤波器,且滤波器结构不对称带来了一系列的问题10.文中提出了一种基于带可调刻痕阻带双通带微带带通滤波器,采用CPW/微带复合结构以保证带宽要求,采用开槽改变了滤波器表面电流的流向,达到类似于低通滤波效果,改善了阻带特性,效果明显优于文献2-11中所提出的结构.为了满足刻痕阻带可调要求,文中提出了利用CPW/微带复合结构和不连续适配理论的设计思想,在不改变滤波器整体结构的前提下,利用微带结构的不连续失配理第

8、38卷应用科技论产生了可调刻痕阻带,把UWB 频段划分为2个通道.这样设计出来的滤波器可以很好地满足实际应用需要,其整体设计如图1所示.图1滤波器的整体结构h1不连续失配理论对于均匀微带传输线,若微带带条宽度w 及基片厚度h 均远小于波长时,所传输波可近似认为是TEM 波(准TEM 波,可采用与二维静电场相似的分析方法来得到均匀微带线工作参量;但对于不连续区域,场结构会发生本质改变,不仅会造成在横截面场分布和均匀情况下场分布不同,而且在传输方向上也会有较大差异,表现为不再是单纯波动,还会具有只在本地按照正弦波形式震荡的分量.该分量是在不连续区域内存储能量并与电源不断交换的表现,与沿传输线波动的

9、形式传播不同.具有不连续区域和电源能量反复交换必须依赖于作为媒介的该区域和电源之间的传输线.电源通过入射波形式向该区域输入能量,不连续区域通过反射波形式把能量输入到电源.微带线在不连续情况下会出现现象1,在该区域存储能量2,引起反射波,以上2个现象使得波通过不连续区域后的场与没有通过不连续区域之前有着明显区别12.由经典微带传输线理论,可以把不均匀区域进行如图2所示的等效.图2不连续微带线示意图及等效电路T111212jX11T传统设计思想要求微带传输线上的能量衰减足够小,即微带线是处于完全匹配工作状态;但对于刻痕阻带滤波器而言,可以通过刻意设置失配状态,使得信号在某频段上最大限度地反射、衰减

10、,从而得到阻带特性,以便实现双通带的设计.同时可利用微带线对频率敏感的特点产生狭窄的阻带效果,即刻痕阻带.此外,调整不连续程度会引起失配点的变化,即造成刻痕阻带的迁移,可达到控制双通带滤波器通带效果.对于连续和不连续的情况下的仿真模型如图3所示.图4、5为连续与不连续模型的仿真对比,从对比图中可见设计方法的可行性.基于此方法,通过参数优化设置,可得到性能优良的可调刻痕阻带滤波器.(a 连续情况下的微带结构模型(b不连续情况下的微带模型图3对比仿真模型图4S11仿真比较24681012频率/GHz 连续不连续1不连续2不连续30-10-20-30-40-50-60-70-80S 11/d B图5

11、S21仿真对比24681012频率/GHz 连续不连续1不连续2不连续30-5-10-15-20-25S 21/d B 2CPW 滤波器设计采用基于CPW/微带复合结构的主体设计,如图6所示,滤波器可以分为3个谐振部分,第1、3谐振腔是由短路加载CPW/四分之一波长微带复合17··第6期刘乘源,等:一种高性能超宽带微带双通带滤波器设计结构组成,第2个谐振腔是由开路加载CPW/四分之一波长微带复合结构组成.文献2-11表明,复合3刻痕阻带设计UWB 通信系统工作频带与现有的通信频段有重叠部分,例如WLAN 的5.2GHz 包含在UWB 通信频段中.为了避免2种通信的相互干扰,

12、系统要求UWB 滤波器具有可调刻痕阻带,图6滤波器版图gap1w 5(a 俯视图(微带w 1w 4gap4gap3w 2gap2s a 4a 3a 2a 1a 5w 3L 6L 5L 4L 3L 2L 1(b 仰视图(CPW 滤波器设计指标如下:中心频率为6.2GHz ,-3dB 带宽超过92%,带内波纹小于0.5dB ,低频边沿阻带低于-50dB ,高频边沿阻带低于-30dB ,刻痕阻带可调范围为5.58GHz.由设计图可知,滤波器结构是左右对称的,中间是缝隙宽度为W 2的1/4波长CPW 谐振腔,本滤波器通过调节L 3、L 4及L 5的尺寸来得到可调的刻痕阻带.使用全波仿真电磁软件对其进行

13、优化设计,得出的仿真对比如图7所示.滤波器谐振腔尺寸为29mm ×13mm ,结构紧凑.图7可调刻痕阻带对比仿真51015频率/GHzL3=3.6L3=4.6L3=5.8L4=1.7S 21/d B 0-10-20-30-40-50-60由图7可知,刻痕通带可调范围为5.58GHz ,能满足UWB 通信系统与现有的C/X 波段通信兼容要求.为了进一步研究滤波器性能,采用优化后尺寸制作滤波器并进行了测试,实物照片如图8所示.图8实物照片(a 俯视图(b 仰视图18··应用科技第38卷仿真与测试对比见图9、10.由图9、10可知,滤波器实测与仿真结果比较吻合,差异部分

14、是由于仿真软件环境与实际加工和测试环境的不一致所致.图11为群延时特性曲线,由此曲线可以看出,在通频带内时延特性有很好的一致性,满足实际应用的需求.图9仿真与测试S11对比51015频率/GHz仿真曲线S 11/d B 0-10-20-30-40-50-60测试曲线图10仿真与测试S21对比051015频率/GHz仿真曲线S 21/d B 0-10-20-30-40-50-60测试曲线图11群时延频率/GHz 246810840群时延/n s4结束语提出了一种基于不连续失配理论设计双通带滤波器思路,设计了带可调刻痕阻带的UWB 双通带微带滤波器.该滤波器有很好的超宽带特性,尤其适用于超宽带与现

15、有通信协议并行使用的系统.不过本设计在一些方面还是具有相当的局限性:首先对于开槽的处理显得比较复杂,而且这种近似的处理手段还没有很明确的理论支持,现有的处理都是基于大量的仿真得出的,其效果虽然有很大程度的改善,不过还远远没有达到理想完美的效果.基于此,下一步工作会考虑采用不同的开槽方式来优化,例如马刺;第2个不足是没有实现在整个通频带内具有任意可调刻痕阻带,对于这个问题将考虑重新设计失配的形式及具体位置来完成.参考文献:1HONG J S ,LANCASTER M J.Microstrip filters for RF/mi -crowave applications M.New York:W

16、iley,2001:80-99.2WILLIAMS F ,SCHWARZ S E.Design and performance of coplanar waveguide band -pass filters J.IEEE Trans Mi -crowave Theory Tech ,1983(31:558-566.3HSU C L ,HSU F C ,KUO J T.Microstrip bandpass filters for ultra -wideband wireless communications J.IEEE MTT -S ,2005(1:679-682.4ISHIDA H ,A

17、RAKI K.Design and analysis of UWB bandpass filter with ring filter J.IEEE MTT -S ,2004(1:1307-1310.5HONG J S ,SHAMAN H.An optimum ultra -wideband mi -crostrip filter J.Microwave Opt Technol Lett ,2005(47:230-233.6LI K ,KURITA D ,MATSUI T.An ultra -wideband bandpass filter using broadside -coupled mi

18、crostrip -coplanar waveguide structure J.IEEE MTT -S ,2005(1:675-678.7WANG H ,ZHU L ,MENZEL W.Ultra -wideband bandpass filter with hybrid microstrip/CPW structure J.IEEE Mi -crowave Wireless Compon Lett ,2005(15:844-846.8THOMSON N ,HONG J S.Compact ultra -wideband mi -crostrip/coplanarwaveguide bandpass filter J.IEEE Mi -crowave Wireless Compon Lett ,2007(17:184-186.9LI K.Ultra -wideband (UWB bandpass filter :full passband and with notch -band ImplmentedJ.Microwave and Millim