具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設計與實現

1 引言

隨著無線通信技術的不斷發展，人們對信息傳輸系統的要求越來越高。而超寬帶（UWB）技術以其成本低、功耗小、安全性好、數據傳輸速率高等優點成為目前國內外通信領域的一個研究熱點。UWB技術出現于20世紀50年代末，一直到20世紀90年代主要應用于軍事上的雷達和低截獲率的通信系統。近年來，隨著微電子器件技術和工藝的發展，UWB技術開始應用在民用領域。2002年2月14日，超寬帶無線技術首次獲得了FCC的批準用于民用通信中，以提高頻譜利用效率。2002年4月，FCC批準將3.1－10.6GHz的頻段分配給UWB使用。這使得UWB系統及其器件的研究越來越受到人們的關注。

作為UWB系統重要的器件，UWB濾波器被廣泛地研究與應用。采用了低通濾波器加高通濾波器的方法來實現UWB帶通濾波器。介紹了一種微帶與共面波導的寬帶耦合結構來實現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用于UWB無線通信系統中。然而，UWB技術的其中一個方案，直接序列超寬帶（DS-UWB）技術建議采用雙頻帶（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的干擾。是在UWB濾波器的不同位置刻蝕分支線來實現的陷波特性的。通過加上多個開口諧振環（SRR）來產生多個陷波。

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，如圖1所示，其中陷波特性是由分支線產生。

圖1 設計的UWB濾波器的俯視圖

2 設計與分析

2.1 低通濾波器的設計

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一個上邊帶為10.6GHz的低通濾波器，階數將會很大。因此，為了設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。采用改變介質的介電常數而保持高、低阻抗微帶的寬度不變的方法來實現阻抗變換。

這里，我們采用不同寬度的微帶組成階梯阻抗來實現寬帶的低通濾波器。采用Ansoft HFSS優化設計了一個6階的階梯阻抗低通濾波器。

2.2 高通濾波器的設計

基片集成波導（SIW）中的場分布與傳統矩形波導中的場分布相似。因此，SIW具有傳統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點。作者基于SIW的高通特性設計并實現了性能良好的具有陷波特性的UWB濾波器。

近年來，半模基片集成波導被廣泛研究與應用，因為其不但繼承了SIW的優點，還比SIW尺寸縮小了接近50%。因此，本文采用HMSIW的高通特性和階梯阻抗低通濾波器實現UWB濾波器，并用支線實現陷波特性。過渡帶的設計是非常重要的，設計不好會在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函數。

我們使用具有過渡帶的HMSIW來實現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 陷波特性的設計與分析

有多種方法產生陷波。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中產生陷波應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中要產生陷波應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構如圖2所示。分支線的長度應該是λ/4以保證分支線的第二諧振點不在UWB頻帶內。例如，我們需要一個在5.8GHz的陷波，那么在介電常數為2.2的介質上，分支線的長度應該在9毫米左右。

圖 2 (a)開路諧振線結構；(b)分支線結構

3 測試結果討論

采用標準PCB工藝，實現了上述在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參數結果，其中，(a)圖是分支線離HMSIW較遠時的結果，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，測得結果優于前者，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)中的陷波深度優于(a)中10dB左右。

圖3 設計濾波器的事物圖

(a) 分支線離HMSIW較遠；

(b) 分支線離HMSIW較近

圖2

4 結論

本文設計并實現的具有陷波特性的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，可以應用在UWB無線通信系統中。