基于三線耦合結(jié)構(gòu)的超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

　　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。

　　本文提出了一類應(yīng)用微帶三線耦合結(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

　　這類超寬帶帶通濾波器由兩部分組成。平行耦合線和并聯(lián)短路枝節(jié)。我們知道，λg/4耦合傳輸線可以實(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，我們用三線耦合代替雙線耦合來(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 雙線和三線耦合結(jié)構(gòu)

　　(a)

　　(b) (c)

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

　　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。耦合傳輸線的作用類似一個(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?？梢钥闯鰷y(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)

　　本文提出了一類應(yīng)用三線耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)短路枝節(jié)的超寬帶帶通濾波器。該類濾波器利用耦合傳輸線實(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，該類濾波器適合在超寬帶通信中廣泛應(yīng)用。