文章编号:100526122(2010)0320048204
一种新型超宽带带通滤波器的设计与实现*
魏峰黄丘林史小卫陈丽高长佳硫铁矿制硫酸
(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安710071)
摘要：传统的超宽带带通滤波器阻带较窄，不能有效抑制谐波。为了抑制超宽带系统中的高次谐波，进一步提高接收机的灵敏度，在分析叉指谐振器、半圆型缺陷地结构和阶梯阻抗并联枝节结构的基础上，设计了一种新颖的超宽带带通滤波器，该滤波器具有较好的阻带特性。最后使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对其进行测试，测试结果表明该滤波器工作频带为3.1~10.6G H z，通带内插损小于1.5dB，上阻带的工作频率可以超过18G H z，抑制电平达到-10dB，能有效抑制谐波。 关键词：缺陷地结构，阶梯阻抗并联枝节，超宽带，带通滤波器，微带线
Desi gn and Realization of a Ne w U W B Band2Pass F ilter家庭视频电话
W E I F eng,HUANG Q i u2li n,SH I Xiao2w e,i CH EN L,i GAO C hang2ji a
(Na tio na lKey La b ora tory o f Antenna s a nd M icro wave Tec hnolo gy Xi d i a n Universit y,Xi.an710071,China)
Abstr ac t:A conventio na lU WB band2pass filter has narro w stopband and can not suppress har monics effec tively.Based on analyzi ng i nterd i gita l reso nator and se m icircle defected ground structure and stepped2i m pedance s hunt st ub structures,a new m i crostri p band2pass filter is desi gned,which has good sto pband perf or mance and can suppress har m o n ics and i m prove sensiti v2 ity.The proposed filter tested byAgilent N5230A vector net work ana l yze r has worki ng frequency of3.1~10.6G H z.The i nser2 ti on l oss is less t han1.5dB i n pass2band and the upper2sto pband w it h m ore than-10dB a ttenuati on is up to18G H z.The desi gned filter can e ffecti vely suppress har m o n i cs.
K ey word s:De fected gro und struc t ure,Stepped2i m pedance shunt st ub,U WB,Band2pass filter,M icrostr i p li nes
引言
2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1~ 10.6G H z之间的频段解禁，并允许将其应用于超宽带设备中[122]，这在学术界和工业届引起了一股超宽带(U ltra2w ideband,U WB)技术的研究热潮。作为超
宽带系统中的一种核心器件，超宽带滤波器的研究成为学者们的关注热点和重点。K.Li提出一种耦合共面波导结构的超宽带滤波器结构[3]，随后文献[425]提出一种圆环谐振腔的超宽带滤波器。近几年，文献[627]又提出了由微带多模谐振器构成的超宽带带通滤波器。这些滤波器结构简单，在通带内都表现出较好的通带性能。但是，这些滤波器阻带较窄，不能有效抑制高次谐波。当前移动通信技术发展迅速，多种通信系统并存，不同的信号会在U WB接收系统中产生大量谐波，从而影响接收灵敏度，所以U WB系统对带通滤波器抑制谐波的要求越来越高。
文中提出的滤波器将叉指谐振器、改良结构的缺陷地结构(defected ground str ucture,DGS)和阶梯阻抗并联枝节(stepped2i m pedance shunt st u b,SI SS)相结合，通过叉指谐振器实现滤波器的通带特性，利用DGS、SISS的带阻特性抑制谐波。实验结果证明，设计的滤波器既能保证3.1~10.6G H z频段内良好的通带性能，同时又能有效抑制高次谐波，阻带频段可以达到18G H z。
1超宽带带通滤波器的分析
文中设计的U WB滤波器中微带叉指谐振器的
第26卷第3期2010年6月
微波学报
J OURNAL OF M I CRO WA VES
Vo.l26No.3
J un.2010
*收稿日期:2009208211
基金项目：陕西省重大科技创新专项资金(2007Z KC(一)01203)，陕西省自然科学基金(SJ082ZT13)
结构如图1所示，它由3段相同的微带线构成，微带线的长度L 1一般选择为四分之一波长。每段微带线的宽度为W 2，微带线之间的距离为W 3。图2所示为叉指谐振器单元电压与电流的分布图，从图中可以看出，叉指谐振器单元能够视作一个六端口网络。图3所示为叉指谐振器单元的等效电路图，叉
松香酸指谐振器单元可以等效为一个导纳变换器[8]
。为了进一步研究该谐振单元的频率特性，文中采用电磁计算软件H FSS 10.0进行仿真。其中微带线的介质材料为RT /Duorid 5880，相对介电常数是2.2，介质厚度为1.0mm (文中均采用此种材料),W 0=
3.0mm,W 1=0.15mm,L 1=7.9mm,W 2=0.2mm,W 3=0.2mm ，仿真结果如图4所示。从图中可以看出，叉指谐振器具有良好的带通特性，但其上阻带较窄，不能抑制高次谐波，所以大大限制了此类滤波器应用于目前的U WB
系统。
图1 叉指谐振器单元结构图
图2 叉指谐振器单元电压与电流分布图
图3 叉指谐振器单元等效电路图
图4 仿真的叉指谐振器单元的S 参数
1.2 S 2DG S 单元的分析
缺陷地结构(D GS :Def ected G r ound Struct u re)是由光子带隙结构发展而来，通过在微波电路的接
地金属板上蚀刻出周期性或非周期性的小孔来改变接地电流的分布，由于其结构简单且具有带阻特性和慢波特性而成为微波领域发展的热门之一。其中带阻特性可以限制某些频率的电磁波在传输线中传输，在频谱上形成带隙，慢波特性可用于减小微波电路的尺寸。传统的D GS 结构为哑铃型，如图5所示。本文采用半圆型D GS (Se m icircle 2DGS ,S 2DGS)，其结构如图6所示，在508微带线下方的接地金属板上蚀刻出两个对称的半圆，半径为R ，它们之间由一窄缝相联，窄缝宽度为W 1。该结构与传统DGS 结构相比具有更高的Q 值，所以拥有更好的带阻性能
[9]
。
图5 传统D GS 单元结构示意图
图6 S 2DGS 单元结构图测控系统
S 2DGS 可以等效为一个串联的并联LC 谐振电
路[10211]
，见图6右上角。S 2D GS 物理尺寸的变化可
以引起等效电感、电容的变化，从而引起传输线截止
频率的变化。根据微波电路理论可得该等效谐振电路的电感和电容分别如下:
C =
X c 2Z 0(X 20-X 2
c )(1)L =
1
4P 2f 20
C
(2)
管道内衬
其中X c 是3dB 截止频率,f 0是阻带的谐振频率,Z 0是微带线的特性阻抗。
文中采用H FSS 10.0对不同尺寸的S 2DGS 单元进行了仿真。窄缝宽度W 1=0.4mm 保持不变,
49
第26卷第3期魏 峰等：一种新型超宽带带通滤波器的设计与实现
改变DGS 半圆半径R 的大小，令R 从2.0mm 增加到5.0mm，如图7所示。从仿真结果可以看出,S 2D GS 单元的谐振频率与蚀刻半圆的半径大小成反
比。
图7 半径变化时S 2D GS 单元的传输特性
1.3 S 2SISS 单元的分析
图8所示为半圆型阶梯阻抗并联枝节(Se m icir 2cle 2SISS ,S 2SI SS)结构示意图，它包括半径为R 的两
个相同的半圆，对称地位于508微带线的两侧，与微带线间距为W 2，分别通过一段宽度为W 1的窄线与微带线相连。S 2SI SS 可以等效为一个并联的串联LC 谐振电路，见图8右上角，它同样具有带阻特性。文中利用H FSS 10.0研究了S 2SI SS 单元的几何尺寸对其传输特性的影响。其中W 1=0.4mm 、W 2=0.3mm 保持不变，令R 从3.0mm 增加到5.0mm 。由图9所示仿真结果可以看出，当单元半径R 增大时,L C
谐振电路的谐振频率将降低。
图8 半圆型S ISS 单元结构图
图9 半径变化时S 2SISS 单元的传输特性
2 宽阻带超宽带带通滤波器设计及仿真
单个叉指谐振器上阻带较窄，不能抑制高次谐波。文中将叉指谐振器和S 2DGS 、S 2SI SS 结合，设计了一种新型的超宽带带通滤波器，整体结构如图10所示。通过H FSS10.0仿真优化，可以得到各个单元的物理尺寸:W 0=2.4mm,W 1=0.15mm,L 1=7.9mm,W 2=0.4mm,W 3=0.14mm,W 4=0.2mm,W 5=0.2mm,W 6=0.6mm,R 1=0.9mm ,R 2=0.8mm 。参照上述优化尺寸制作的U WB 带通滤波器实物如图11所示，其中图11(c)是带有金属外壳的实物图，可以看出该滤波器结构紧凑。文中最后利用Agil e ntN5230A 矢量网络分析仪对该滤波器进行测试，结果如图12所示。从图中可以看出该滤波器工作频带为3.1~10.6G H z ，满足U WB
系统的频段
图10 建议的超宽带带通滤波器结构
图11 U WB 带通滤波器实物图
要求，在通带内插损小于1.5dB ，同时阻带的工作
50
微 波 学 报2010年6月
搅拌摩擦焊接图12U W B带通滤波器仿真和实测S参数
频率可以超过18G H z，抑制电平达到-15dB，可以有效抑制高次谐波。仿真结果和测试结果基本吻合，只是滤波器通带低频段的实测结果偏离仿真结果，作者分析是由于制造误差和S M A接头所致。
3结论
D GS单元具有优良的带阻特性和慢波特性，可用于谐波抑制和减小电路尺寸。文中对叉指谐振单元、S2DGS单元和S2SI SS单元进行了详细的模型分析，研究了其频率特性。通过将两个叉指谐振器单元、S2DGS和S2SISS级联，设计了一款新型的宽阻带U WB带通滤波器。该滤波器结构紧凑，可以有效抑制谐波，在实际应用中取得了较好的效果。
参考文献
112 A iell o C R,R ogerson G D.U ltra2w i deband wireless sys2 te m[J].IEEE M i c ro wave M agazi ne,2003(4):36247. 122 Chen F C,Che w W C.T i m e2do m a i n ultra2w i deband m i2 cro wave i m agi ng radar syste m[C].I EEE Instru m entati on
and M eas ure m ent Technol ogy Co n ference.USA,Illi nois
Un i versity,1998.6482650132Li K,Kurita D,M a tsui T.An u ltra2w i deband bandpass filter using broadsi de2coupled m i c rostr i p2cop l anar
wavegu i de structure[C].IEEE MTT2S Inte rnati onal D i2
gest.Toky o,2005.6752678
142X iao J K,L i Y.No vel co m pact m icrostr i p square r i ng bandpass filters[J].Journa l of E l ectro magneti c W aves
and Applica ti ons,2006,20(13):181721826
152 X iao JK,Chu Q X,Zhang S.Nove lm icrostrip triang u lar resonator bandpass filter with trans m issio n zeros and w i de
bands us i ng fracta l2shaped defectio n[J].P rogress i n E2
lectro m ag netics R esearch,2007(77):3432356
162Zhu L,Sun S,M enzel W.U ltra2w i deband(U WB) bandpass filters usi ng m ultiple2m ode reso nator[J].
IEEE M i c ro wave and W ire less Co mponents Letters,
2005,11(15):7962798
172Zhu L,W angH.U ltra2w i deband bandpass filter o n ape r2 ture backed m icrostri p li ne[J].E lectronics Letters,
2005,41(18):101521016
182Kuo J T,Shih E,Lee W C.Desi gn of bandpass filters with para llel three2li ne coupled m icrostr i ps[C].A si a2Pa2
c ifi c M icro wave Co nfe rence.Tai wan,2001.1572160 192魏峰，史小卫，陈蕾，等.一种改进型微带线定向耦合器及其应用[J].西安电子科技大学学报,2009,36
(2):2812284
1102 翁丽鸿，郭玉春，史小卫.缺陷地面结构最新研究进展[J].微波学报,2008,24(增刊):2262232
1112 陈鹏，魏峰，黄丘林，史小卫.一种具有陷波特性的超宽带带通滤波器[J].微波学报,2008,24(增刊):
1292132
魏峰男,1978年出生，讲师。主要研究方向为U H F RF ID，微波器件设计。
E2m a i:l f w e@i m a i.l xi d i an.edu
黄丘林男,1978年出生，副教授。主要研究方向为RF ID,M I MO。
史小卫男,1963年出生，教授，博士生导师。主要研究方向为智能天线，微波器件,RF ID。
51
第26卷第3期魏峰等：一种新型超宽带带通滤波器的设计与实现
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议