具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)
1 引言
隨著無線通信技術(shù)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(shù)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(lǐng)域的一個研究熱點。UWB技術(shù)出現(xiàn)于20世紀50年代末,一直到20世紀90年代主要應(yīng)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(shù)和工藝的發(fā)展,UWB技術(shù)開始應(yīng)用在民用領(lǐng)域。2002年2月14日,超寬帶無線技術(shù)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(guān)注。
作為UWB系統(tǒng)重要的器件,UWB濾波器被廣泛地研究與應(yīng)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(yīng)用于UWB無線通信系統(tǒng)中。然而,UWB技術(shù)的其中一個方案,直接序列超寬帶(DS-UWB)技術(shù)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(shè)計的UWB濾波器的俯視圖
2 設(shè)計與分析
2.1 低通濾波器的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計是非常重要的,設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)用在UWB無線通信系統(tǒng)中。
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