一種高性能超寬帶微帶雙通帶濾波器設計

1、第38卷第6期2011年6月Vol.38,No.6Jun.2011應用科技Applied Science and Technology收稿日期:2010-12-01.基金項目:國家自然科學基金資助項目(60902014.作者簡介:一種高性能超寬帶微帶雙通帶濾波器設計劉乘源,李迎松,姜弢(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院,黑龍江哈爾濱150001摘要:提出了一個CPW/微帶復合諧振腔結(jié)構(gòu)組成的雙通微帶濾波器設計方案.該濾波器由1個開路加載的1/4波長CPW 復合諧振腔和2個短路加載的1/4波長的CPW 復合諧振腔組成.該濾波器利用不連續(xù)失配理論產(chǎn)生了可調(diào)節(jié)刻痕阻帶,采用加載短接線模擬低通濾波器改

2、善了阻帶特性.實測數(shù)據(jù)表明,濾波器在3.49.1GHz (-3dB 帶寬范圍內(nèi)具有通阻帶特性,相對帶寬大于92%,帶外衰減優(yōu)于-30dB ,刻痕阻帶的調(diào)節(jié)范圍為5.58GHz ,與仿真結(jié)論基本一致.關鍵詞:CPW/微帶復合諧振腔;刻痕;雙通帶;帶通濾波器中圖分類號:TN821文獻標識碼:A文章編號: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,美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission批準3.110.6GHz 頻段用于商用通信,使得UWB 技術在第4代移動通信中的應用前景更加明朗1.另一方面,現(xiàn)代通信發(fā)展要求通信系統(tǒng)必須滿足多協(xié)議并行使用,使得多通帶濾波器的需求日益增加;因此,可調(diào)刻痕阻帶UWB 雙通帶濾波器的研究與設計成為微帶濾波器領域的熱點問題.早期的UWB 濾波器的設計思想主要源于高通濾波器與低通濾波器串聯(lián)結(jié)構(gòu),難以實現(xiàn)雙通帶設計,且不易達到結(jié)構(gòu)緊湊和體

7、積小巧2.之后的CPW/微帶復合結(jié)構(gòu)雖具有較好的通帶效果,但阻帶效果較差,而且未見有關雙通帶設計的報道3-9.此后出現(xiàn)了利用開路短截線產(chǎn)生刻痕阻帶的設計思想,該類設計的阻帶效果較差,需外加低通濾波器,且濾波器結(jié)構(gòu)不對稱帶來了一系列的問題10.文中提出了一種基于帶可調(diào)刻痕阻帶雙通帶微帶帶通濾波器,采用CPW/微帶復合結(jié)構(gòu)以保證帶寬要求,采用開槽改變了濾波器表面電流的流向,達到類似于低通濾波效果,改善了阻帶特性,效果明顯優(yōu)于文獻2-11中所提出的結(jié)構(gòu).為了滿足刻痕阻帶可調(diào)要求,文中提出了利用CPW/微帶復合結(jié)構(gòu)和不連續(xù)適配理論的設計思想,在不改變?yōu)V波器整體結(jié)構(gòu)的前提下,利用微帶結(jié)構(gòu)的不連續(xù)失配理第

8、38卷應用科技論產(chǎn)生了可調(diào)刻痕阻帶,把UWB 頻段劃分為2個通道.這樣設計出來的濾波器可以很好地滿足實際應用需要,其整體設計如圖1所示.圖1濾波器的整體結(jié)構(gòu)h1不連續(xù)失配理論對于均勻微帶傳輸線,若微帶帶條寬度w 及基片厚度h 均遠小于波長時,所傳輸波可近似認為是TEM 波(準TEM 波,可采用與二維靜電場相似的分析方法來得到均勻微帶線工作參量;但對于不連續(xù)區(qū)域,場結(jié)構(gòu)會發(fā)生本質(zhì)改變,不僅會造成在橫截面場分布和均勻情況下場分布不同,而且在傳輸方向上也會有較大差異,表現(xiàn)為不再是單純波動,還會具有只在本地按照正弦波形式震蕩的分量.該分量是在不連續(xù)區(qū)域內(nèi)存儲能量并與電源不斷交換的表現(xiàn),與沿傳輸線波動的

9、形式傳播不同.具有不連續(xù)區(qū)域和電源能量反復交換必須依賴于作為媒介的該區(qū)域和電源之間的傳輸線.電源通過入射波形式向該區(qū)域輸入能量,不連續(xù)區(qū)域通過反射波形式把能量輸入到電源.微帶線在不連續(xù)情況下會出現(xiàn)現(xiàn)象1,在該區(qū)域存儲能量2,引起反射波,以上2個現(xiàn)象使得波通過不連續(xù)區(qū)域后的場與沒有通過不連續(xù)區(qū)域之前有著明顯區(qū)別12.由經(jīng)典微帶傳輸線理論,可以把不均勻區(qū)域進行如圖2所示的等效.圖2不連續(xù)微帶線示意圖及等效電路T111212jX11T傳統(tǒng)設計思想要求微帶傳輸線上的能量衰減足夠小,即微帶線是處于完全匹配工作狀態(tài);但對于刻痕阻帶濾波器而言,可以通過刻意設置失配狀態(tài),使得信號在某頻段上最大限度地反射、衰減

10、,從而得到阻帶特性,以便實現(xiàn)雙通帶的設計.同時可利用微帶線對頻率敏感的特點產(chǎn)生狹窄的阻帶效果,即刻痕阻帶.此外,調(diào)整不連續(xù)程度會引起失配點的變化,即造成刻痕阻帶的遷移,可達到控制雙通帶濾波器通帶效果.對于連續(xù)和不連續(xù)的情況下的仿真模型如圖3所示.圖4、5為連續(xù)與不連續(xù)模型的仿真對比,從對比圖中可見設計方法的可行性.基于此方法,通過參數(shù)優(yōu)化設置,可得到性能優(yōu)良的可調(diào)刻痕阻帶濾波器.(a 連續(xù)情況下的微帶結(jié)構(gòu)模型(b不連續(xù)情況下的微帶模型圖3對比仿真模型圖4S11仿真比較24681012頻率/GHz 連續(xù)不連續(xù)1不連續(xù)2不連續(xù)30-10-20-30-40-50-60-70-80S 11/d B圖5

11、S21仿真對比24681012頻率/GHz 連續(xù)不連續(xù)1不連續(xù)2不連續(xù)30-5-10-15-20-25S 21/d B 2CPW 濾波器設計采用基于CPW/微帶復合結(jié)構(gòu)的主體設計,如圖6所示,濾波器可以分為3個諧振部分,第1、3諧振腔是由短路加載CPW/四分之一波長微帶復合17··第6期劉乘源,等:一種高性能超寬帶微帶雙通帶濾波器設計結(jié)構(gòu)組成,第2個諧振腔是由開路加載CPW/四分之一波長微帶復合結(jié)構(gòu)組成.文獻2-11表明,復合3刻痕阻帶設計UWB 通信系統(tǒng)工作頻帶與現(xiàn)有的通信頻段有重疊部分,例如WLAN 的5.2GHz 包含在UWB 通信頻段中.為了避免2種通信的相互干擾,

12、系統(tǒng)要求UWB 濾波器具有可調(diào)刻痕阻帶,圖6濾波器版圖gap1w 5(a 俯視圖(微帶w 1w 4gap4gap3w 2gap2s a 4a 3a 2a 1a 5w 3L 6L 5L 4L 3L 2L 1(b 仰視圖(CPW 濾波器設計指標如下:中心頻率為6.2GHz ,-3dB 帶寬超過92%,帶內(nèi)波紋小于0.5dB ,低頻邊沿阻帶低于-50dB ,高頻邊沿阻帶低于-30dB ,刻痕阻帶可調(diào)范圍為5.58GHz.由設計圖可知,濾波器結(jié)構(gòu)是左右對稱的,中間是縫隙寬度為W 2的1/4波長CPW 諧振腔,本濾波器通過調(diào)節(jié)L 3、L 4及L 5的尺寸來得到可調(diào)的刻痕阻帶.使用全波仿真電磁軟件對其進行

13、優(yōu)化設計,得出的仿真對比如圖7所示.濾波器諧振腔尺寸為29mm ×13mm ,結(jié)構(gòu)緊湊.圖7可調(diào)刻痕阻帶對比仿真51015頻率/GHzL3=3.6L3=4.6L3=5.8L4=1.7S 21/d B 0-10-20-30-40-50-60由圖7可知,刻痕通帶可調(diào)范圍為5.58GHz ,能滿足UWB 通信系統(tǒng)與現(xiàn)有的C/X 波段通信兼容要求.為了進一步研究濾波器性能,采用優(yōu)化后尺寸制作濾波器并進行了測試,實物照片如圖8所示.圖8實物照片(a 俯視圖(b 仰視圖18··應用科技第38卷仿真與測試對比見圖9、10.由圖9、10可知,濾波器實測與仿真結(jié)果比較吻合,差異部分

14、是由于仿真軟件環(huán)境與實際加工和測試環(huán)境的不一致所致.圖11為群延時特性曲線,由此曲線可以看出,在通頻帶內(nèi)時延特性有很好的一致性,滿足實際應用的需求.圖9仿真與測試S11對比51015頻率/GHz仿真曲線S 11/d B 0-10-20-30-40-50-60測試曲線圖10仿真與測試S21對比051015頻率/GHz仿真曲線S 21/d B 0-10-20-30-40-50-60測試曲線圖11群時延頻率/GHz 246810840群時延/n s4結(jié)束語提出了一種基于不連續(xù)失配理論設計雙通帶濾波器思路,設計了帶可調(diào)刻痕阻帶的UWB 雙通帶微帶濾波器.該濾波器有很好的超寬帶特性,尤其適用于超寬帶與現(xiàn)

15、有通信協(xié)議并行使用的系統(tǒng).不過本設計在一些方面還是具有相當?shù)木窒扌?首先對于開槽的處理顯得比較復雜,而且這種近似的處理手段還沒有很明確的理論支持,現(xiàn)有的處理都是基于大量的仿真得出的,其效果雖然有很大程度的改善,不過還遠遠沒有達到理想完美的效果.基于此,下一步工作會考慮采用不同的開槽方式來優(yōu)化,例如馬刺;第2個不足是沒有實現(xiàn)在整個通頻帶內(nèi)具有任意可調(diào)刻痕阻帶,對于這個問題將考慮重新設計失配的形式及具體位置來完成.參考文獻:1HONG J S ,LANCASTER M J.Microstrip filters for RF/mi -crowave applications M.New York:W

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