基于三線耦合結構的超寬帶帶通濾波器的設計

　　1 引言

　　隨著通信技術的不斷發展，人們對信息系統的通訊速率和通信質量的要求越來越高。在此背景下，超寬帶技術(UWB)成為目前通信領域的一個研究熱點。2002年2月，美國聯邦委員會授權了3.1GHz~10.6 GHz之間的頻帶范圍應用于UWB通信。由此，作為通信系統重要組成部分的UWB帶通濾波器的研究也取得了很大的發展。文獻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。諧振環和開路枝節的結構被用來實現超寬帶濾波器，但是回波損耗只有10dB用高通和低通濾波器組合結構實現帶通特性。并聯短路枝節用來控制帶外特性。 為獲得低損耗和易于加工的結構，多模帶通濾波器被廣泛研究。近年來，隨著新材料和新結構的發展，EBG結構被引入超寬帶帶通濾波器的研究當中。

　　本文提出了一類應用微帶三線耦合結構和并聯短路枝節的平面超寬帶濾波器。利用耦合傳輸線實現寬帶特性，短路枝節獲得良好帶外抑制。該濾波器設計簡單，結構緊湊，有良好的帶內帶外特性。插入損耗低于1.5dB,回波損耗高于15dB，帶內時延小于0.3ns,達到了通信要求，可以廣泛應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。平行耦合線和并聯短路枝節。我們知道，λg/4耦合傳輸線可以實現帶通特性。兩個傳輸零點分別位于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增加耦合強度。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 雙線和三線耦合結構

　　(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，我們引入兩節并聯短路枝節，分別位于耦合線的兩側。圖3給出了并聯短路枝節的傳輸特性。我們發現，隨著長度增加，帶隙向低頻移動;隨著寬度增加，帶隙略向高頻移動。由此，我們可以通過改變短路枝節的長度、寬度來影響濾波器的帶寬。

　　圖3 并聯短路枝節(a) 示意圖。 傳輸特性隨(b)線寬，(c) 長度變化情況

　　3 濾波器的設計和實現

　　設計濾波器時，我們首先通過改變耦合傳輸線的寬度和縫隙寬度來選擇合適的奇偶模阻抗;然后選擇合適的短路枝節的長寬，保證帶隙位于12GHz左右。我們用電磁仿真軟件Microwave office進行原理電路分析，用電磁仿真軟件CST進行三維仿真。采用介電常數為2.65,高度為1.0 mm的聚四氟乙烯電路板進行加工。

　　圖4 所設計超寬帶濾波器(a)示意圖 (b)等效電路

　　圖4(a)給出了所設計超寬帶帶通濾波器的結構尺寸圖，相應的電路等效圖在圖4(b)給出。耦合傳輸線的作用類似一個導納變換器。

　　圖5 所設計超寬帶濾波器(a)照片 (b)結果比較

　　圖5(a)為所設計超寬帶帶通濾波器的實物照片，相應的測量結果在圖5(b)給出。可以看出測試結果和仿真結果吻合良好，覆蓋了3.1~10.6GHz整個通信范圍。帶內插入損耗低于1.5dB，回波損耗高于15dB，帶內群時延小于0.3ns，帶外特性好于15 dB。

　　4 結束語

　　本文提出了一類應用三線耦合結構和并聯短路枝節的超寬帶帶通濾波器。該類濾波器利用耦合傳輸線實現寬帶特性，用短路枝節來獲得良好的帶外抑制。因為設計簡單，結構緊湊，尺寸小，便于加工，并且擁有良好的帶內帶外特性，該類濾波器適合在超寬帶通信中廣泛應用。