一种高性能超宽带带通滤波器的设计

作者:刘昊;徐美娟 刊名:泰山学院学报 上传者:马鑫

【摘要】本文利用缺陷接地结构(DGS)设计了一种高性能的超宽带滤波器,该滤波器包括位于多模谐振器下面的六个半圆形的DGS.首先通过使用多模谐振原理得到一个超宽带带通滤波器,然后利用DGS结构设计了一个截止频率超过12.6GHz的低通滤波器,这样做的目的是抑制超宽带滤波器的寄生通带的影响.最后结合两者,得到一高性能种超宽带带通滤波器,使用ANSOFT HFSS软件建模仿真和优化,结果表明:该滤波器的中心频率在6.85 GHz,通带为3.0 GHz-10.6 GHz,通带内插入损耗小于0.3 dB,回波损耗优于20 dB.频带内具有良好的通带特性,同时又能有效的抑制高次谐波,上阻带在30 dB以下达到19 GHz.

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1引言自从2002年美国联邦通讯委员会(FCC)批准了频带为3.1GHz~10.6GHz在短距离无线通信领域的应用,超宽带技术吸引了众多学者的兴趣,这也促进了超宽带系统及其器件研究的进展[1].作为超宽带系统中的一种核心器件,超宽带带通滤波器的研究成为学者们的关注热点和重点,其工作性能好坏直接影响到超宽带系统的整体工作性能,特别是对带外抑制的情况.目前国内外超宽带滤波器设计方法有多种,如滤波器级联方法[2],多模谐振器法[3],混合微带/共面波导法[4],LTCC技术等[5].虽然文献[2-5]中的超宽带滤波器的通带带宽满足了要求,但是阻带都非常窄,不能满足一定情况下的要求.而缺陷地结构(DefectedGroundStructure,简称DGS)具有低通特性,慢波效应,具有较高特征阻抗等,可广泛地应用于抑制谐波、改善效率、提高Q值等方面[6].本文将多模阶梯阻抗的超宽带滤波器与DGS结构结合起来设计了一种高性能的超宽带滤波器,中心频率在6.85GHz,带宽3.0~10.6GHz,相对带宽111%,频带内具有良好的通带特性,同时又能有效的抑制高次谐波,下阻带在30dB以下达到19GHz,具有很好的阻带特性.2超宽带滤波器的设计学者Makimot和Yamashita提出阶梯阻抗谐振器(Stepped-ImpedanceResonator,SIR),它由两段不同阻抗的传输线构成.下图1所示为等效的半波长型SIR的结构示意图.图1半波长SIR谐振器的结构示意图半波长阶梯阻抗谐振器的基本结构由短路面、开路面和它们之间的阻抗阶跃接合面组成.阻抗率是表征SIR的电学参数,它是两段传输线的特性阻抗Z1和Z2的比值,定义:阻抗率R2=Z2Z1(1)这两段传输线的导纳分别为Y1和Y2,在半波长SIR谐振器中,从开路端看进去的输入导纳Yin,可以由文献[7]得到,可表示为:Yin=jY22(Rztan1+tan2)(Rz-tan1tan2)Rz(1-tan21)(1-tan22)-2(1-Rz2)tan1tan2(2)当取Yin=0时,得到谐振条件为:Rz=Z2Z1=tan1tan2(3)由上式(3)我们能得到SIR的谐振条件由1、2和阻抗率Rz决定.本文中设计的UWB滤波器根据阶梯阻抗谐振器的原理设计,该滤波器电路由一个多模阶梯阻抗谐振器和两个交指状的馈线电路组合而成[8].如下图2所示.图2超宽带滤波器文中采用电磁软件HFSS13.0进行仿真,使用其相对介电常数为9.6,厚度为0.8mm介质基片(文中均采用此材料),具体参数如下:W1=0.1mm,L1=4.6mm,W2=0.1mm,L2=4.6mm,W3=1.3mm,L3=1.8mm,d1=0.1mm,d2=0.1mm.其仿真结果如图3所示.图3超宽带滤波器器的S参数曲线从图3可以看出,该滤波器具有良好的带通特性,通带内频带宽度覆盖超宽带范围,回波损耗在10dB左右,通带内波纹平整,但由于其上阻带较窄,不能很好地抑制高次谐波,而且还有寄生通带出现,因此极大的限制了其在超宽带系统中的应用.3DGS结构的低通滤波器的设计传统的哑铃型DGS结构,如图4(a)所示.而根据文献[9],半圆型DGS结构与传统哑铃型DGS结构相比,具有更高的Q值,因此拥有更好的带阻性能,能有效的扩展阻带特性.故本文采用半圆型DGS结构,其结构示意图如图4(b)所示,两个对称的半圆蚀刻在匹配的50欧姆的微带线正下方的接地金属板上,半圆的半径为R,它们之间由一窄缝相连接,窄缝的长度为W0,窄缝的宽度为W1.半圆形DGS结构可以等效为一个串联的并

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