1、引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)信息系統(tǒng)的通訊速率和通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高。在此背景下，超寬帶技術(shù)(UWB)成為目前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)授權(quán)了3.1GHz~10.6 GHz之間的頻帶范圍應(yīng)用于UWB通信。由此，作為通信系統(tǒng)重要組成部分的UWB帶通濾波器的研究也取得了很大的發(fā)展。文獻(xiàn)提出了一類(lèi)基于高損耗材料的寬帶濾波器，擁有平整的寬帶特性，但是插入損耗太大。諧振環(huán)和開(kāi)路枝節(jié)的結(jié)構(gòu)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器，但是回波損耗只有10dB用高通和低通濾波器組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶通特性。并聯(lián)短路枝節(jié)用來(lái)控制帶外特性。 為獲得低損耗和易于加工的結(jié)構(gòu)，多模帶通濾波器被廣泛研究。近年來(lái)，隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的發(fā)展，EBG結(jié)構(gòu)被引入超寬帶帶通濾波器的研究當(dāng)中。

本文提出了一類(lèi)應(yīng)用微帶三線(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)短路枝節(jié)的平面超寬帶濾波器。利用耦合傳輸線(xiàn)實(shí)現(xiàn)寬帶特性，短路枝節(jié)獲得良好帶外抑制。該濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，有良好的帶內(nèi)帶外特性。插入損耗低于1.5dB,回波損耗高于15dB，帶內(nèi)時(shí)延小于0.3ns,達(dá)到了通信要求，可以廣泛應(yīng)用與微波超寬帶通信中。

2、理論分析

這類(lèi)超寬帶帶通濾波器由兩部分組成。平行耦合線(xiàn)和并聯(lián)短路枝節(jié)。我們知道，λg/4耦合傳輸線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)帶通特性。兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別位于f0和2f0處。為了獲得更大的帶寬，我們用三線(xiàn)耦合代替雙線(xiàn)耦合來(lái)增加耦合強(qiáng)度。如圖1所示，3-dB帶寬由95%提高至105%。圖2給出了3-dB帶寬隨著耦合線(xiàn)寬(W1，W2)和帶隙寬度(S)變化情況。

(a) 示意圖

(b) 傳輸特性S21變化圖

圖1、雙線(xiàn)和三線(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)

(a)

圖2、3-dB帶寬隨著(a) 帶隙寬度(b)耦合線(xiàn)寬(c) 耦合線(xiàn)寬變化情況

為了獲得良好的帶外特性，我們引入兩節(jié)并聯(lián)短路枝節(jié)，分別位于耦合線(xiàn)的兩側(cè)。圖3給出了并聯(lián)短路枝節(jié)的傳輸特性。我們發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)度增加，帶隙向低頻移動(dòng);隨著寬度增加，帶隙略向高頻移動(dòng)。由此，我們可以通過(guò)改變短路枝節(jié)的長(zhǎng)度、寬度來(lái)影響濾波器的帶寬。

圖3、并聯(lián)短路枝節(jié)(a) 示意圖。 傳輸特性隨(b)線(xiàn)寬，(c) 長(zhǎng)度變化情況

3、濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，我們首先通過(guò)改變耦合傳輸線(xiàn)的寬度和縫隙寬度來(lái)選擇合適的奇偶模阻抗;然后選擇合適的短路枝節(jié)的長(zhǎng)寬，保證帶隙位于12GHz左右。我們用電磁仿真軟件Microwave office進(jìn)行原理電路分析，用電磁仿真軟件CST進(jìn)行三維仿真。采用介電常數(shù)為2.65,高度為1.0 mm的聚四氟乙烯電路板進(jìn)行加工。

圖4、所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器(a)示意圖(b)等效電路

圖4(a)給出了所設(shè)計(jì)超寬帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸圖，相應(yīng)的電路等效圖在圖4(b)給出。耦合傳輸線(xiàn)的作用類(lèi)似一個(gè)導(dǎo)納變換器。

圖5、所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器(a)照片(b)結(jié)果比較

圖5(a)為所設(shè)計(jì)超寬帶帶通濾波器的實(shí)物照片，相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果在圖5(b)給出。可以看出測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，覆蓋了3.1~10.6GHz整個(gè)通信范圍。帶內(nèi)插入損耗低于1.5dB，回波損耗高于15dB，帶內(nèi)群時(shí)延小于0.3ns，帶外特性好于15 dB。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一類(lèi)應(yīng)用三線(xiàn)耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)短路枝節(jié)的超寬帶帶通濾波器。該類(lèi)濾波器利用耦合傳輸線(xiàn)實(shí)現(xiàn)寬帶特性，用短路枝節(jié)來(lái)獲得良好的帶外抑制。因?yàn)樵O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，便于加工，并且擁有良好的帶內(nèi)帶外特性，該類(lèi)濾波器適合在超寬帶通信中廣泛應(yīng)用。