具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設計與實現(xiàn)

1 引言

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，人們對信息傳輸系統(tǒng)的要求越來越高。而超寬帶（UWB）技術以其成本低、功耗小、安全性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點成為目前國內(nèi)外通信領域的一個研究熱點。UWB技術出現(xiàn)于20世紀50年代末，一直到20世紀90年代主要應用于軍事上的雷達和低截獲率的通信系統(tǒng)。近年來，隨著微電子器件技術和工藝的發(fā)展，UWB技術開始應用在民用領域。2002年2月14日，超寬帶無線技術首次獲得了FCC的批準用于民用通信中，以提高頻譜利用效率。2002年4月，F(xiàn)CC批準將3.1－10.6GHz的頻段分配給UWB使用。這使得UWB系統(tǒng)及其器件的研究越來越受到人們的關注。

作為UWB系統(tǒng)重要的器件，UWB濾波器被廣泛地研究與應用。采用了低通濾波器加高通濾波器的方法來實現(xiàn)UWB帶通濾波器。介紹了一種微帶與共面波導的寬帶耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)UWB濾波器。提出了一種新穎的基于多模諧振器的UWB濾波器。這些UWB濾波器可以很有效地應用于UWB無線通信系統(tǒng)中。然而，UWB技術的其中一個方案，直接序列超寬帶（DS-UWB）技術建議采用雙頻帶（3.1-5.15GHz和5.825-10.6GHz）。這就需要在5.8GHz左右形成一個陷波，以抑制其它窄帶系統(tǒng)的干擾。是在UWB濾波器的不同位置刻蝕分支線來實現(xiàn)的陷波特性的。通過加上多個開口諧振環(huán)（SRR）來產(chǎn)生多個陷波。

本文提出一種新的具有陷波特性的UWB帶通濾波器，由階梯阻抗低通濾波器、HMSIW高通濾波器以及集成在微帶與HMSIW過度段上的分支線實現(xiàn)，如圖1所示，其中陷波特性是由分支線產(chǎn)生。

圖1 設計的UWB濾波器的俯視圖

2 設計與分析

2.1 低通濾波器的設計

微帶線階梯阻抗濾波器是一種基本的低通濾波器。一般地，在實現(xiàn)一個濾波器的過程中，高、低阻抗的微帶寬度分別保持不變。然而，如果用這種方法來實現(xiàn)一個上邊帶為10.6GHz的低通濾波器，階數(shù)將會很大。因此，為了設計寬帶且相對小尺寸的低通濾波器，人們提出了一些改進方法。采用改變介質(zhì)的介電常數(shù)而保持高、低阻抗微帶的寬度不變的方法來實現(xiàn)阻抗變換。

這里，我們采用不同寬度的微帶組成階梯阻抗來實現(xiàn)寬帶的低通濾波器。采用Ansoft HFSS優(yōu)化設計了一個6階的階梯阻抗低通濾波器。

2.2 高通濾波器的設計

基片集成波導（SIW）中的場分布與傳統(tǒng)矩形波導中的場分布相似。因此，SIW具有傳統(tǒng)矩形波導的高通特性。同時SIW器件還繼承了矩形波導的高Q值、低插損、低輻射和較高的功率容量等優(yōu)點。此外，SIW器件具有矩形波導不具備的易與平面電路集成的優(yōu)點。作者基于SIW的高通特性設計并實現(xiàn)了性能良好的具有陷波特性的UWB濾波器。

近年來，HMSIW的高通特性和階梯阻抗低通濾波器實現(xiàn)UWB濾波器，并用支線實現(xiàn)陷波特性。過渡帶的設計是非常重要的，設計不好會在HMSIW中引入高階模，從而降低有效信道帶寬。這里，我們設計了一個四階的梯形過渡，這個過渡的漸變邊緣近似滿足指數(shù)函數(shù)。

我們使用具有過渡帶的HMSIW來實現(xiàn)高通濾波器的另一個重要原因就是分支線可以集成在過渡帶上，下面將會詳細敘述。

2.3 陷波特性的設計與分析

有多種方法產(chǎn)生陷波。文獻中采用的是開路諧振線，性能良好。SIW 過渡帶的大部分電流分布于過渡帶的邊緣，所以在SIW中產(chǎn)生陷波應該在過渡帶的中心線加上開路諧振線。而HMSIW的場分布與SIW的一半的場分布十分接近，所以HMSIW過渡帶的電流也大部分在漸變線的一邊，那么HMSIW中要產(chǎn)生陷波應該在過渡帶的直線邊緣引入分支線。開路諧振線和分支線的結(jié)構(gòu)如圖2所示。分支線的長度應該是λ/4以保證分支線的第二諧振點不在UWB頻帶內(nèi)。例如，我們需要一個在5.8GHz的陷波，那么在介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)上，分支線的長度應該在9毫米左右。

圖 2 (a)開路諧振線結(jié)構(gòu)；(b)分支線結(jié)構(gòu)

3 測試結(jié)果討論

采用標準PCB工藝，實現(xiàn)了上述在5.8GHz具有處陷波特性的UWB濾波器。此濾波器的尺寸為20mm×60mm。圖3給出了濾波器的實物圖。圖4給出了分支線在不同位置的仿真與測試S參數(shù)結(jié)果，其中，(a)圖是分支線離HMSIW較遠時的結(jié)果，此時7.5GHz左右的回波損耗高于-10dB；(b) 中對分支線的位置做了改進，更靠近HMSIW，測得結(jié)果優(yōu)于前者，7.5GHz處回波損耗低于-9.2dB，其余頻段回波損耗都小于-10dB。更重要的是(b)中的陷波深度優(yōu)于(a)中10dB左右。

圖3 設計濾波器的事物圖

(a) 分支線離HMSIW較遠；

(b) 分支線離HMSIW較近

圖2

4 結(jié)論

本文設計并實現(xiàn)的具有陷波特性的UWB濾波器是由一個階梯阻抗低通濾波器、一個HMSIW高通濾波器以及微帶與HMSIW過渡帶上的分支線組成。實現(xiàn)的超寬帶濾波器的頻帶范圍為3.1－10.6GHz，陷波頻率在5.8GHz左右，陷波深度達到了-50dB。同時，此濾波器具有低插損、好選擇性的特點，可以應用在UWB無線通信系統(tǒng)中。