关键字 |
| 微波滤波器;超宽频;微带;四分之一波长;短路。 |
介绍 |
| 高速通信的需求导致了宽带滤波器的设计和开发，以支持诸如保证通信速度高达1000mbps的超宽带技术等应用。由于超宽带通信在高速无线应用中具有吸引人的特性，美国联邦通信委员会(FCC)已于2002年2月14日[1]批准了7.5GHz的非许可频段，从3.1 GHz到10.6 GHz。超宽带在非常低的功率水平上用于使用大部分无线电频谱的短距离、高带宽通信。超宽带系统中关键的无源器件是前端接收机，需要满足一些严格的规格要求，结构紧凑，插入低，回波损耗好。考虑到上述要求，研究人员使用不同的方法和结构提出并开发了许多UWB带通滤波器[2-11]。然而，以最佳尺寸最小化这些参数一直是一项具有挑战性的任务。 |
| 在[2]中，提出了一种采用互指带通滤波器微带线谐振腔的宽带滤波器，最大带宽可达66%。在[5]中，采用传输线存根设计超宽带滤波器。该滤波器的插入损耗约为-0.1 db，回波损耗优于-16.5dB, FBW为106%。[6]中提出的滤波器采用慢波共面波导MMR设计。通频带为3.1 ~ 10.6 GHz，插入损耗为0.9 dB，返回损耗大于10 dB。在[7]中，采用多根负载谐振器设计了一个五元超宽带带通滤波器，其插入损耗约为1.4 dB，分数带宽约为117%。在[8]中，采用准电磁带隙(EBG)结构技术，设计了一种改进带外性能的紧密型缺口超宽带滤波器，在通带内实现了约1.7 dB的插入损耗和约10 dB的返回损耗。[9]中提出了一种多模谐振器，该谐振器由级联的数字间耦合微带线段组成，并加载了短端阶梯形阻抗根。所实现的滤波器的插入损耗约为0.7 dB，带宽分数为106%。以上所讨论的大多数技术的插入损耗约为1 dB，返回损耗优于10 dB。此外，要实现的尺寸非常小，需要高分辨率光刻机，因此增加了滤波器的总体成本。在本设计中，利用5个短路的四分之一波长存根来实现超宽带滤波器特性。对设计参数(长度和宽度)进行优化和参数化，以实现改进的结果。 The design procedure is discussed in next section. |
文献调查 |
| 一种新的，紧凑的，非常宽带的带通滤波器，由两个平行导体短路刺激线谐振器，四分之一波长长，被描述。该滤波器具有非常宽的带宽，超过5:1。设计并测试了一个通频带为1.8 - 9.2GHz的微带滤波器，插入损耗小于1dB。滤波器由于其结构紧凑、带宽宽等优点，在宽带微波集成电路中具有很大的应用价值。 |
| Mohammad ShahrazelRazalli, Alyani Ismail[11]介绍了一种紧凑的5极超宽带(UWB)微波滤波器，使用四分之一波短路stub。微波滤波器图样布局如图1.1(a)所示。与传统的41mm x 12mm短路短线技术设计的滤波器相比，该滤波器的整体尺寸减小到16.1mm x21.0mm。 |
| UWB带宽范围为2.72GHz ~ 9.94 ghz。在中心频率为6.33 GHz时，该滤波器的插入损耗大于0.8 dB，回波损耗的最大峰值为-14.88 dB。 |
| Thai Hoa Duong和Ihn S. Kim[12]提出了一种改进的短路短根带通滤波器，适用于利用低温共烧陶瓷(LTCC)的超宽带应用。在高介电常数衬底(εr = 40)上，通过修改传统的短根带通滤波器结构，降低了短根和连接线的特征阻抗，将短根的数量从5个减少到2个。使用三条短路耦合线将频率范围为5.15至5.825 GHz的无线局域网(WLAN)阻带插入到滤波器特性中。在通带测得的插入损耗小于1.0dB，回波损耗大于10 dB。FBW已达到109.49%。过滤器尺寸为4 × 8 × 0.57 mm3。 |
超宽带滤波器设计 |
| 该设计基于低通切比雪夫滤波器原型，带0.1 dB通带波纹。短路短根滤波器的等效结构如图1[13]所示。 |
| 本文在介电常数εr=2.6的1.27 mm衬底厚聚苯乙烯衬底上设计了中心频率6.85GHz、分数带宽1.06的超宽带，并用HFSS进行模拟。 |
 (1) |
 （2） |
 （3） |
 （4） |
 （5） |
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 (7） |
| 图1中的模型由J逆变器通过常规滤波器设计和给定的线导纳，Yi,i+1来满足规格而导出。存根之间的分离距离用li,j表示，而存根长度用li表示。为了设计滤波器，首先选择了带0.1 db通带波纹的5阶切比雪夫低通原型[14]。低通滤波器原型参数为:g0=g6=1,g1=g5=1.1468, g2=g4=1.3712, g3=1.9750。利用这些原型值求解了设计方程，计算了存根和连接线的导纳值。在哪里 |
 （8） |
| 存根长度和间距取决于特性导纳Yi和传输线导纳Yi,i+1。传输线导纳，Yi,i+1可由式(9)[13]得到。 |
 （9) |
| 将5个短路根(Yi, Zi)和传输线(Yi,i+1和Zi,i+1)的导纳和阻抗计算值应用于微带[13]的标准方程，得到线路尺寸如表1所示。输入输出线的特征导纳取50 Ω，以便更好地进行阻抗匹配。 |
| 图1.4中的每个短管通过两端的通孔短路到地。图1.4中的结构是用存根尺寸如表1所示的hfsss模拟的。为了得到更好的结果，稍微调整尺寸以获得更好的结果。 |
结果与讨论 |
| 滤波器采用低成本的1.27 mm厚的聚苯乙烯衬底，其相对介电常数εr=2.6。滤光片的最小尺寸为0.21mm，可以通过简单的光刻或微加工技术实现。HFSS对散射参数的模拟结果如下图3所示。尺寸按设计的超宽带滤波器尺寸(45mmx11mm)。测量结果显示，在7.27 GHz的整个通带中，带内插入损耗为-0.1dB，因此与最小插入损耗(<0.7dB)相比，表2所示的插入损耗最小。该滤波器的回波损耗大于16.5dB，在I/O端口处实现了良好的阻抗匹配。设计的滤波器在3.12 GHz到10.4 GHz范围内提供106%的3 db分数带宽 |
| 因此几乎整个FCC分配的频段都被利用了。在整个7.27GHz通频带内，相位响应无纹波。因此，所设计滤波器的模拟散射参数在整个超宽带频谱上具有稳定而优异的性能 |
| 结论 |
| 设计了一种利用四分之一波长短路根的超宽带微波滤波器。通过详细的参数分析，实现了低损耗、高性能的超宽带滤波器。通过对表2中其它部分的散射参数和相位响应的模拟，证明了该滤波器在整个UWB频谱上具有平坦群时延、低插入损耗和较好的返回损耗等优良特性，可广泛应用于无线个人区域网络(WPAN)应用、无线监视器、传感器网络、包括探地雷达(GPR)系统在内的成像系统等。 |
表格一览 |
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| 表1 |
表2 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- Transition.fcc.gov /部门/ Engineering_Technology /订单/ 2002 / fcc02048。
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- Razalli, M. S.， A. Ismail, M. A. Mahdi，和M. N. Hamidon，“利用四分之一波长短路根的超宽带微波滤波器”，微波光学技术《中华人民大学学报》，2008年11月，第50卷第11期，2981-2983页。
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