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基于多枝节加载谐振器的超宽带带通滤波器设计

田旭坤 吴小虎 褚庆昕

(华南理工大学大学电子与信息学院，广州 510641)

摘 要：本文提出了一种新的多枝节加载谐振器结构设计思路，根据该方法设计了一种三枝节加载和五枝节加载谐振器结构并通过平行耦合线馈电方式构造超宽带滤波器。仿真和实验结果吻合良好，表明通过采用本文所述的枝节加载形式，不仅可以实现超宽带滤波器的良好选择性，并且能有效抑制带外谐波，提高滤波器的阻带特性。

关键词：超宽带，带通滤波器，枝节加载谐振器，阻带抑制

Design of UWB Bandpass Filters Based on Multi-stubs Loaded Resonator

Tian Xu-Kun Wu Xiao-Hu Chu Qing-Xin

(School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641) Abstract: In this paper, a new method of designing multi-stubs loaded resonator is proposed and a three-stubs loaded resonator and five-stubs loaded resonator is constructed based on the proposed method. UWB bandpass filters are then developed by incorporated the proposed resonators and aperture-back parallel-coupled lines. Both simulated and measured results are in good agreement, demonstrating that the UWB bandpass filters have good in-band performance, high selectivity and wide upper-stopband by adopting the proposed multi-stubs loaded resonator. Keywords: UWB; Bandpass filter; Multi-stubs loaded resonator; Harmonic suppression

1 引言?

自2002年美国联邦通讯委员会（FCC）批准把3.1GHz到10.6GHz之间的频段分配给超宽带通信系统使用[1]以来，对各种小型化，具有良好带内带外特性的超宽带滤波器的研究成为学术界及工业界的研究热点[2-10]。 在文献[2]中提出了一种高通滤波器加低通滤波器级联方式实现超宽带滤波器。[3]中首次提出了基于多模谐振器的超宽带滤波器设计方法并被广泛运用。[4-5]中为了改善这种基于多模结构超宽带滤波器的高阻带特性，采用了多枝节加载的谐振器结构。同时还有其他结构如EBG结构[6]也被运用于带外特性的改善。此外，为了提高超宽

?

带滤波器的选择性，在[7]中提出了一种阶梯阻抗枝节加载的谐振器结构

为了同时满足超宽带滤波器的带外特性和选择性的要求，本文提出了一种新的多枝节加载谐振器结构设计思路并将其运用于超宽带滤波器设计之中。该结构通过在均匀半波长谐振器上各个谐振模式电压分布零点上加载枝节构成。基于这种枝节线加载谐振器设计方法，本文提出了分别提出了三枝节加载和五枝节加载的多模谐振器并运用其构造超宽带滤波器。该滤波器具有小尺寸，良好选择性和高阻带带宽等优点。最后，对该滤波器进行加工测试，实验和仿真结果均有较好的吻合。

2 超宽带滤波器设计

2.1 基于三枝节加载的超宽带滤波器

图1所示为均匀半波长谐振器各个谐振模式（仅

基金项目：本工作受国家自然科学青年科学基金

（60801033）和东南大学毫米波国家重点实验室开放课题项目 (K201112)资助。

列举了基频f1到五倍频f5）的电压分布曲线。由图可见，所有奇模频率电压零点均通过对称中心。因此，中心加载枝节不影响任何奇模频率[7-8]。同理，在各个偶模频率电压零点处加载枝节，也不会对相应偶模频率产生影响。如图2所示，我们在半波长谐振对称中心加载一段阶梯阻抗枝节，同时在四倍频电压零点处对称加载两段枝节。

图1 半波长谐振器各个谐振模式电压分布

图2 三枝节加载谐振器与各个谐振模式电压分布

为了研究加载枝节对谐振特性的影响，首先考虑无中心加载的情况（θ1=θ2=0）。如图3所示，由于所加载枝节线恰好位于四倍频f4的电压零点上，因此改变所加载枝节线长度时，对f4没有任何影响，而其他谐振模式随着枝节线增长而向低频移动。故采用这种电压分布零点加载枝节的方式，可以提高对谐振器各个谐振模式的可控性。

图3 对称加载枝节对各个谐振模式影响（θ1=θ2=0）

图4 基于三双枝节滤波器结构

图5 对称加载双枝节对带外谐波抑制 (L0=11.34, L=8.45, L1=7, W1=0.5, L2=6.95, W2=2.9, W3=0.57,单位：mm )

中心加载的阶梯阻抗枝节特性已在[7-8]中有详述。将该中心加载阶梯阻抗枝节与对称加载开路枝节结合起来，形成了一种新型的多枝节加载谐振器结构。此外，由[3-7]可知，该多模结构通过较强的耦合馈电可以形成超宽带滤波器。

如图4所示，该滤波器馈线结构采用带有缺陷地的平行耦合线[7]。我们可以通过在弱耦合的条件下对该谐振器进行电路仿真分析。其特性如图5所示。通过加载的阶梯阻抗枝节与对称加载开路枝节的结合，不仅可以实现通带的选择性，而且还可以通过抑制带外谐波，提高阻带带宽。

采用缺陷地平行耦合线结构进行馈电，经过进一步的优化设计，我们可以获得如图6所示的滤波器特性曲线。由图可见，该滤波器具有良好通带特性和选择性，同时带外20 dB抑制阻带由[7]中15.4 GHz达到了18.5 GHz。其尺寸大小为了23.1mm ×16.1mm，相对于[7]减小25%。

图6 基于三枝节超宽带滤波器仿真结果 (L0=11.34, W0=0.5, L=8.45, L1=7, W1=0.5, L2=6.95, W2=2.9, L3=3.18, W3=0.57, Lp=7.25,Wp=0.64,Ld=6.5, Wd=3.8, d=0.55, s=0.21, 单位：mm )

2.2 基于五枝节加载的超宽带滤波器

上述所设计的基于三枝节加载谐振器的超宽带滤波器在尺寸和带外特性上均比[7]有较大的改善，但其20 dB的带外抑制带宽依然较窄。我们可以采用上述加载枝节的思路进行进一步的扩展，以获得更高阻带抑制的超宽带滤波器。

如图7所示，设计谐振器时在5倍频（f5）的电压零点处再增加两端对称的开路枝节。通过前面的分析，我们可以得知，调节该枝节对f5不产生影响，同时也增加了谐振器对带外谐波抑制的自由度。将该结构运用于超宽带滤波器其设计当中，其结构如图8所示。

图7 三枝节加载谐振器与各个谐振模式电压分布

图8 基于五枝节加载谐振器的超宽带滤波器

图9 基于三枝节和五枝节加载谐振器的超宽带滤波器特性比较 (L0=10.6, W0=0.5, L=7.3, L1=8.6, W1=0.8, L2=5.25, W2=3.4, L3=2, W3=0.4, L4=3, W4=0.4, L34=1.95, Lp=7.25, Wp=0.4, Ld=6.6, Wd=3.4, d=0.71, s=0.21, 单位：mm )

通过进一步调节优化加载枝节线的长度，可以得到如图9所示的三节加载与五节加载滤波器仿真特性曲线比较。由图可见，在增加加载枝节后，由于增加了调节自由度，带外特性得到了明显的改善，该滤波器仿真的20 dB抑制阻带从原来的18.5 GHz提高到了23 GHz。

3 实验与测试结果

为了进一步验证设计的有效性，我们将优化后的五枝节加载超宽带滤波结构在介电常数为2.55，厚度为0.8 mm的基片上进行加工。测试与仿真S参数以及时延特性如图10所示。可以看出，仿真与测试结果具有良好的吻合。该滤波器测试带宽为3.15 GHz 到10.5 GHz，且通带两端具有较好选择性，带内时延平坦。同时由测试结果可以看出，其20 dB阻带抑制范围至少可以达到25 GHz，从而验证了设计的有效性。此外该滤波器结构紧凑，物理尺寸为21.62 mm × 15.75 mm。

图10 仿真与测试结果比较