看MMR如何幫助UWB帶通濾波器優(yōu)化性能

在3.1至10.6GHz超寬帶（UWB）頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用需要分?jǐn)?shù)頻率帶寬較大的帶通濾波器。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）取消了中心頻率為6.85GHz、分?jǐn)?shù)帶寬（FBW）約為110%的UWB應(yīng)用，從而為低功耗的商業(yè)UWB應(yīng)用打開(kāi)了3.1到10.6GHz的大門。

　　由于矩形槽可以用來(lái)精確調(diào)諧諧振器頻率，因此在具有矩形槽的多模諧振器（MMR）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的微帶帶通濾波器，可以達(dá)到反射損耗大于10dB、插入損耗小于1.5dB、群延遲變化小于0.3ns的通帶性能。據(jù)最初的報(bào)道，使用帶階躍阻抗結(jié)構(gòu)的MMR時(shí)，會(huì)將前三個(gè)諧振模作為覆蓋整個(gè)UWB頻率范圍的帶通濾波器的一部分。

　　在參考文獻(xiàn)1中描述了一種采用背孔式微帶線MMR的UWB濾波器，這種濾波器具有較低的帶內(nèi)插入損耗，反射損耗為8dB。建議的濾波器設(shè)計(jì)使用MMR技術(shù)后，將帶內(nèi)反射損耗提高到了10dB，帶內(nèi)插入損耗則降低至2dB。帶兩個(gè)短的開(kāi)路分支的小型濾波器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)超寬上截止頻帶性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)3中的描述，這種濾波器測(cè)得的低端3dB截止頻率為3.4GHz，高端為10.3GHz。即使所有上述UWB濾波器在寬UWB通帶上表現(xiàn)出了令人滿意的性能水平，但對(duì)于UWB頻率范圍內(nèi)的反射損耗和插入損耗性能水平的要求總是在不斷提高，而這種性能的提高可以利用改進(jìn)的MMR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　在改進(jìn)的MMR UWB帶通濾波器設(shè)計(jì)中，前三個(gè)諧振模經(jīng)過(guò)構(gòu)建可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)在整個(gè)通帶內(nèi)都具有低反射損耗的5個(gè)傳輸極點(diǎn)。借助早期的MMR濾波器設(shè)計(jì)可以對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)作出修改，將前三個(gè)諧振模進(jìn)行重新分配，使之靠近目標(biāo)UWB通帶的低端、中心和高端。

　　與此同時(shí)，輸入/輸出平行耦合的孤立區(qū)的耦合程度，在目前的MMR設(shè)計(jì)中有了很大的提高，從而顯著提升了通帶性能，這從計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真和對(duì)原型濾波器的測(cè)量結(jié)果可以看出。CAE仿真預(yù)測(cè)的所有參數(shù)（包括插損/反射損耗和群時(shí)延），都在包括UWB通帶在內(nèi)的寬頻范圍內(nèi)得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　建議的UWB濾波器由一個(gè)位于中心區(qū)域的不均勻MMR和分別位于左區(qū)與右區(qū)的兩根相同耦合線組成。地線層上的背孔，不僅用于增強(qiáng)耦合線的耦合程度，而且用于實(shí)現(xiàn)MMR中從側(cè)邊到中心區(qū)域的特定阻抗比。眾所周知，可以通過(guò)修改這三個(gè)區(qū)域的阻抗比或MMR的長(zhǎng)度，來(lái)調(diào)整UWB通帶內(nèi)的頻散特性。

　　圖1顯示了新的MMR微帶帶通濾波器的拓?fù)浼捌潢P(guān)鍵參數(shù)，單位是毫米。與參考文獻(xiàn)1和2中的MMR設(shè)計(jì)相反，這種UWB帶通濾波器使用的是平行耦合的雙線結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)平行耦合線相比，這種耦合結(jié)構(gòu)有望增強(qiáng)輸入/輸出端口與MMR諧振器之間的耦合程度，從而增加UWB濾波器的S21幅度和通帶寬度。此外，像圖1所示那樣在MMR中開(kāi)槽，將形成一種新的結(jié)構(gòu)，并提供了用于精確調(diào)整UWB濾波器中三個(gè)諧振器的新途徑。通過(guò)整合這些結(jié)構(gòu)，就可以完成具有良好通帶性能的UWB濾波器的設(shè)計(jì)和表征。

　　圖1：基于MMR的UWB帶通濾波器的拓?fù)鋱D。

　　MMR中的凹槽用于輕度調(diào)整頻散和改進(jìn)帶通性能。通過(guò)改變凹槽的長(zhǎng)度、寬度和位置，UWB通帶（3.1到10.6GHz）內(nèi)的前三個(gè)諧振頻率將得到重新分配，從而獲得更好的濾波器性能。圖2（c）顯示了圖2（a）和圖2（b）分別在帶凹槽和不帶凹槽的情況下頻散的變化。圖中清楚地表明，通過(guò)在MMR中開(kāi)槽，3.1-10.6GHz中的三個(gè)諧振頻率得到了輕度調(diào)整。頻-散的變化與參數(shù)L、W和d的關(guān)系分別見(jiàn)圖3（a）、3（b）和圖3（c），其中L是凹槽的長(zhǎng)度，W是凹槽的寬度，d是凹槽和MMR中心部分之間的距離，參見(jiàn)圖1。圖3給出了在固定d=0.3mm、W＝1.2mm以及L如圖3（a）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度，在固定d=0.13mm、L=13.6mm以及W如圖3（b）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度，和在固定L=13.6mm、W=1.2mm以及d如圖3（c）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度。

　　圖2：圖（c）比較了采用（a）帶凹槽和（b）不帶凹槽的MMR設(shè)計(jì)時(shí)的頻散變化。

　　對(duì)比圖3中的曲線我們可以明顯地發(fā)現(xiàn)，參數(shù)W在調(diào)整三個(gè)諧振頻率中發(fā)揮的作用要比L和d大。圖3中的三種圖形表明，MMR中的凹槽可以輕度調(diào)整頻散并提高UWB通帶濾波器性能，雖然頻散的變化沒(méi)有參考文獻(xiàn)4中那么大。值得我們注意的是，在MMR中應(yīng)用凹槽這種方式對(duì)其它濾波器設(shè)計(jì)也有用。

　　圖3：這些圖給出了MMR濾波器（a）在固定d=0.3mm、W＝1.2mm和改變L的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度、（b）在固定d=0.13mm、L=13.6mm和改變W的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度、（c）在固定L=13.6mm、W=1.2mm和改變d的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度。

　　在對(duì)某些方面的輕度調(diào)整確定后，就可以開(kāi)始對(duì)UWB MMR帶通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)量。圖4給出了所建議的UWB濾波器的頂部和底部視圖。在設(shè)計(jì)中使用商用HFSS 11.0軟件進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。該UWB濾波器制造所用的基板的介電常數(shù)為2.2，厚度為0.787mm。濾波器性能采用安杰倫公司提供的型號(hào)為N5230A的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）進(jìn)行測(cè)量。

　　圖4：這兩張圖顯示了基于MMR的UWB帶通濾波器的頂部（a）和底部（b）。

　　圖5對(duì)預(yù)測(cè)和測(cè)量的S21（插損）和S11（反射損耗）幅度的頻率響應(yīng)以及群延遲進(jìn)行了比較。預(yù)測(cè)的S參數(shù)證實(shí)，新設(shè)計(jì)的UWB濾波器在包括UWB通帶在內(nèi)的寬范圍頻率內(nèi)（3.9-10.7 GHz）具有較高的反射損耗（≥11dB）和較低的插入損耗（＜0.8dB＝。測(cè)量結(jié)果也表明了良好的反射損耗（≥10dB）和較低的插入損耗（≥1.5dB），其中包括濾波器中使用的SMA連接器損耗。測(cè)量得到的群延遲在0.15ns和0.45nm之間變化，最大變化量是0.3ns，這些數(shù)據(jù)表明建議的UWB濾波器具有良好的線性度。在通過(guò)14GHz的上截止頻帶中的衰耗≥20dB。

　　圖5：這些圖對(duì)UWB帶通濾波器的（a）S21與S11以及（b）群時(shí)延的測(cè)量和仿真性能進(jìn)行了比較。

　　總之，我們成功地采用具有雙平行耦合線和矩形槽的均勻MMR實(shí)現(xiàn)了UWB微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)。通過(guò)正確調(diào)整矩形槽的長(zhǎng)度（L）、寬度（W）和位置（d），可以重新分配三個(gè)諧振頻率，從而使UWB濾波器取得更好的通帶性能，包括＜1.5dB的插入損耗和≥10dB的反射損耗，以及小于0.3ns的群延遲變化。測(cè)量得到的性能指標(biāo)與仿真結(jié)果非常接近。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. H. Wang and L. Zhu， “Aperture-Backed Microstrip Line Multiple-Mode Resonator for Design of a Novel UWB Bandpass Filter，” 2005 Asia-Pacific Microwave Conference， Vol. 4， 2005.

　　2. L. Zhu and S. Sun， “Ultra-Wideband （UWB） Bandpass Filters Using Multiple-Mode Resonator，” IEEE Microwave and Wireless Components Letters， Vol. 15， No. 11， November 2005， pp. 796-798.

　　3. S. W. Wong and L. Zhu， “Miniaturization of Triple-Mode UWB Bandpass Filters with Extended Upper-Stopband，” 2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series （IMWS） on Art of Miniaturizing RF and Microwave Passive Components， December 2008， pp. 102-105.

　　4. S. Sun and L. Zhu， “Multiple-Resonator-Based Bandpass Filters，” IEEE Microwave Magazine， Vol. 10， No.2， April 2009， pp. 88-98.

　　作者：W.CHENG， X.H.WANG， Y.TUO， Y.F.BAI， X.W.SHI