具有双陷波特性的超宽带带通滤波器

杨 虹，丁孝伦，彭 洪，陈思良



具有双陷波特性的超宽带带通滤波器

杨 虹，丁孝伦，彭 洪，陈思良

（重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065）

采用修改的多模谐振器（MMR）结构，通过输入输出端开槽形成交叉耦合，实现了一种结构紧凑的超宽带（UWB）带通滤波器。修改的多模谐振器在通带中能产生两个奇模、三个偶模，加载的阶跃阻抗开路枝节在通带的两边产生两个传输零点，提高了边缘选择性。同时在滤波器下方耦合双模阶跃阻抗谐振器形成具有双陷波特性超宽带带通滤波器，利用HFSS13.0验证。结果表明：该滤波器通带在2.61~11.21 GHz，其陷波频率分别发生在5.61，7.81 GHz，能有效抑制WLAN和X频段卫星通信系统对超宽带通信系统的影响，可适用于超宽带无线通信系统。

超宽带；多模谐振器；带通滤波器；陷波频带；交叉耦合；HFSS

由于现代无线通信系统技术的飞速发展，传统的带通滤波器已经不能满足需求[1]。自从2002年美国联邦通信委员会（FCC）正式授权无需许可证就可以使用3.1~10.6 GHz的UWB通信频谱[2]。超宽带通滤波器作为UWB射频通信系统的无源关键器件之一，同时拥有很宽的频带、高数据传输速率、低功耗等优点，因此，超宽带带通滤波器在学术和工业领域受到许多研究人员的关注。

近年来，多模谐振器理论被广泛运用于设计超宽带带通滤波器，许多不同类型的超宽带带通滤波器被实现[3-8]，文献[3]介绍了采用多模谐振器（MMR）并且引入四分之一波长的平行耦合线实现了具有五个传输极点的超宽带带通滤波器。通过形成微带线—槽线混合结构，增加输入输出间耦合的方式来设计超宽带带通滤波器的方法在文献[4]中报道。文献[5-6]介绍了通过增加谐振模式来提高分配模式的自由度和滤波器带外性能。由于超宽带无线通信系统易受到干扰信号的影响，其中5.8 GHz WLAN（无线局域网络）、8 GHz卫星通信信号均是户外超宽带通信系统的干扰信号。因此，迫切需要具有多陷波特性的超宽带带通滤波器。到目前为止，各种各样结构和设计均被提出，例如：不对称反馈线、额外加载谐振器、缺陷微带线结构。文献[7]提出了采用枝节加载多模环形谐振器实现陷波特性的方法。文献[8]介绍了通过在I/O馈线引入开口环谐振器来实现具有陷波特性的超宽带带通滤波器，但是尺寸偏大。

本文在文献[6]设计的多模谐振器的基础上修改了多模谐振器结构并且加载了双模阶跃谐振器，设计出一种新的具有双陷波特性的超宽带带通滤波器。该滤波器采用修改的多模谐振器结构，通过输入输出端开槽形成交叉耦合实现，修改的多模谐振器在通带中能产生五个模式和两个传输零点在通带的上下截止频率处，使滤波器具有更好的边缘选择性。同时在滤波器下方耦合折叠的双模谐振器引入双陷波特性，产生两个窄小的陷波特性，实现对WLAN、卫星干扰信号的抑制。通过优化结构，该滤波器具有紧凑的结构和良好的性能。

1 滤波器的设计

该滤波器的设计主要分为多模谐振器的设计和加载谐振器设计两个部分。

1.1 多模谐振器的设计和分析

图1展示了修改的多模谐振器的基本结构，该多模谐振器由修改的三模谐振器和一个开路阶跃阻抗枝节构成，其中三模谐振器的高阻抗线位于水平位置，两个低阻抗线分别垂直位于高阻抗线的两侧，开路阶跃阻抗枝节位于三模谐振器的高阻抗线的中心。修改后的多模谐振器较文献[6]中设计的多模谐振器结构的尺寸小。因为该多模谐振器是对称结构，可以运用奇模分析法来分析，当奇模激励时，横截面-1等效为短路，偶模激励时，横截面-1等效为开路。

图1 修改的多模谐振器结构

根据传输线理论，一定长度的均匀传输线可以构成谐振器，其输入阻抗可以定义为in，

式中：C为传输线的特性阻抗；L为负载阻抗。

当奇模激励时，其奇模等效电路的输入导纳为：

当偶模激励时，其偶模等效电路的输入导纳为：

其中：

则有：

对于图1的结构，可以推导出参数的表达式为：

由方程（9）可知，得到两个传输零点的条件是：

从方程（10）可知，两个传输零点由中间的开路阶跃阻抗枝节确定，由方程（7）、（8）得出，奇模是由修改的三模谐振器确定的，并且改变开路阶跃阻抗枝节的尺寸可以调整偶模。

1.2 加载谐振器的设计和分析

图2显示了双模阶跃谐振器的几何结构，由两个半波长的SIR组成，包括一个奇模和一个偶模。当双模谐振器位于一条馈电微带线下方时，该结构可以等效成两个并联的LC谐振电路。因为该谐振器是对称结构，可以运用奇偶模分析法分析其原理，由谐振条件可知，输入导纳=0，因此可以推出陷波频率的表达式：

式中：为光速；e代表介质基板的有效介电常数。由方程（11）可知，谐振器的频率跟电长度呈反比，因此，该谐振器在调整谐振模式的位置时具有较高的调整自由度。

图2 双模阶跃阻抗谐振器的基本结构

Fig.2 Basic structure of dual mode step impedance resonator

图3、图4展示出双模谐振器尺寸变化时的传输特性。图3显示出双模谐振器长度3变化对陷波频率的影响，可以看出随着双模谐振器长度3的减小，陷波中心频率右移，第一个陷波频率的变化范围较第二个陷波频率变化范围小。因此，可以通过调整加载的双模谐振器长度3来调整超宽带带通滤波器的两个陷波频率。从而提高了对陷波频率调整自由度。图4显示双模谐振器宽度2变化时对陷波频率的影响，不难看出随着2尺寸的减小，第一个陷波频率中心右移，而第二个陷波频率中心保持不变。因此，通过合理的调整双模谐振器的尺寸，两个陷波特性可以在期望的频率上获得。

图3 加载双模谐振器长度LS3变化时对陷波频率的影响

图4 加载双模谐振器宽度WS2变化时对陷波频率的影响

2 仿真结果与讨论

本文提出的具有双陷波特性的超宽带带通滤波器的几何结构如图5所示。该滤波器基于多模谐振理论，其中多模谐振器采用修改的三模谐振器，通过中间加载开路的阶跃阻抗枝节构成五模谐振器并产生两个传输零点。通过在输入输出端开槽形成交叉耦合实现超宽带带通滤波器。同时通过开槽引入缺陷接地结构增强输入输出端的耦合。在滤波器下方合理地耦合折叠的双模阶跃阻抗谐振器的优势是引入双陷波特性，并且提高调整陷波频率的自由度。该滤波器的介质基板为Rogers RT/duroid5880，相对介电常数为2.2，基板厚度为0.5 mm，选定阻抗比z为0.5，利用ADS微带线计算工具计算出每段微带线的长宽，经过调整结构参数和尺寸优化，最终滤波器的结构尺寸为16.2 mm×21.8 mm。最后采用电磁仿真软件HFSS13.0对滤波器模型进行仿真验证。

图5 滤波器的几何结构

图6展示出多模谐振器在弱耦合时的21仿真参数。该多模谐振器产生了五个谐振模式，包括两个奇模和三个偶模，其中两个奇模的谐振频率分别为4.11，8.91 GHz，三个偶模的谐振频率分别为3.11，6.71，10.61 GHz，单个频率的偏离可能受到了微带线不连续的影响。图7展示出超宽带带通滤波器的21仿真参数。超宽带带通滤波器频带范围为2.61~11.21 GHz。其中心频率为6.85 GHz，相对带宽FBW=125.5%，通带内的插入损耗IL<1.2 dB。同时通过在输入输出端开槽增加耦合使通带外1.5 GHz处产生了一个额外的传输零点。提高了通带带外抑制性能。

图6 多模谐振器弱耦合时S21参数仿真结果

图8展示出具有陷波特性的超宽带带通滤波器的21参数仿真结果，具有双陷波特性的超宽带带通滤波器的带宽为2.6~11.2 GHz，通带内的插入损耗小于1.5 dB，上下截止频率陡峭，带外抑制良好。第一个陷波中心波频率发生在5.61 GHz，在陷波中心频率的衰减超过20 dB，3 dB带宽从5.51 GHz到5.71 GHz，陷波的相对带宽FBW=3.6%。第二个陷波中心波频率发生在7.81 GHz，在陷波中心频率的衰减超过30 dB，3 dB带宽从7.61 GHz到8.01 GHz，陷波的相对带宽FBW=5.1%。

图7 超宽带带通滤波器S21参数仿真结果

图8 具有陷波特性的超宽带带通滤波器S21参数仿真结果

3 结论

本文基于多模谐振理论，提出了一种新型具有双陷波特性的超宽带带通滤波器，该滤波器采用修改的多模谐振器，并在中心引入开路阶跃阻抗枝节产生两个传输零点，通过对开路阶跃阻抗枝节的参数调整使两个传输零点分别位于上下截止频率，提高了频率选择性。同时在滤波器下方耦合折叠的双模阶跃阻抗谐振器产生双陷波频率。最后采用HFSS13.0对设计的结构进行仿真和优化，设计出能产生双陷波特性的超宽带带通滤波器，结果表明：该滤波器尺寸较小，性能优良，满足超宽带无线通信的基本要求。

[1] CHAO T, EN L. Analysis and design of a compact fourth-order UWB bandpass filter using E-shape microstrip structure [C]//Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference. NY, USA: IEEE, 2013: 51-53.

[2] FCC. Revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wideband transmission system [M]. Washington, USA: ET-Docket, 2002: 98-153.

[3] ZHU L, SUN S, MENZEL W. Ultra-wideband (UWB) bandpass filters using multiple-mode resonator [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2005, 15(11): 796-798.

[4] 杨虹, 陈静, 刘云龙, 等. 一种基于多模谐振器的超宽带带通滤波器设计 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(6): 61-65.

[5] DENG H, ZHAO Y, ZHANG L, et al. Compact quintuple-mode stub-loaded resonator and UWB filter [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2010, 20(8): 438-440.

[6] CHU Q X, WU X H, TIAN X K. Novel UWB bandpass filter using stub-loaded multiple-mode resonator [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2011, 21(8): 403-405.

[7] JHARIYA D, AZAD A R, MOHAN A, et al. Compact UWB bandpass filter with notched band using multiple-mode resonator [C]//Applied Electromagnetics Conference. NY, USA: IEEE, 2015: 1-2.

[8] DOAN M T. Novel ultra-wideband bandpass filter with notched band using stubs loaded multi-mode ring resonator [C]// 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC). NY, USA: IEEE, 2013: 479-482.

（责任编辑：陈渝生）

Ultra wideband band pass filter with double notched bands

YANG Hong, DING Xiaolun, PENG Hong, CHEN Siliang

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

The UWB band pass filter was realized by using the modified multi-mode resonator (MMR) structure to form the cross-coupling through the input and output slot. The modified MMR could produce two odd modes and three even modes in the passband, and the loaded step impedance open branches produced two zero transmissions on both sides of the passband, improving edge selectivity. At the same time, a dual-mode step impedance resonator was coupled below the filter to form an ultra-wideband band pass filter with double trap characteristics. The HFSS13.0 simulation results show that the passband frequency of the ultra-wideband band pass filter is 2.61－11.21 GHz, and the notch frequency occurs at 5.61 GHz and 7.81 GHz, respectively, which can effectively suppress the influence of WLAN and X-band satellites on UWB communication system, and can be applied to UWB wireless communication system.

ultra wideband; multiple-mode resonator; band pass filter; notch bands; cross coupling; HFSS

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.011

TN713

A

1001-2028（2018）02-0059-05

模拟集成电路重点实验室基金项目资助（6142802011503）；重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目资助（cstc2016zdcy-ztzx0038）；重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目资助（cstc2017zdcy-zdyf0166）

2017-10-15

丁孝伦

杨虹（1966－），男，四川蓬溪人，教授，研究方向为微波/毫米波集成电路设计与天线设计等；丁孝伦（1992－），男，重庆开州人，研究生，研究方向为集成电路设计与射频集成电路设计。