基于枝節(jié)加載的超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方案

1.引言

自2002年美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)把3.1GHz到10.6GHz之間的頻段分配給超寬帶通信系統(tǒng)使用以來，小型化，高性能已經(jīng)成為了超寬帶無線通信系統(tǒng)的必然趨勢。

本文提出了一種具有新的枝節(jié)加載諧振器結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方案。該方案的結(jié)構(gòu)為使用圓形開路階躍短截線為中心枝節(jié)，通過圓形諧振器控制奇偶模式的分布;達(dá)到短路和開路枝節(jié)控制帶外抑制。該方案中所設(shè)計(jì)的濾波器具有小尺寸，良好選擇性等優(yōu)點(diǎn)， 通過仿真的結(jié)果證實(shí)了該方案的可行性。

2.超寬帶濾波器的總體結(jié)構(gòu)

由于之前的文章中有涉及到首次使用圓形開路階躍短截線單元進(jìn)行超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方案。在文章中可以知道這種單元具有低通特性，并且其截止頻率會(huì)隨著半徑R的增大而減小，邊緣響應(yīng)也隨之變得都陡峭。這樣，我們可以使用加載其他枝節(jié)引入傳輸零點(diǎn)的方法得到好的阻帶特性。

如下圖所示，圖1為所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器的整體結(jié)構(gòu)圖。

整體電路左右對稱，使用介電常數(shù)為10.2,厚度為1.27mm的Roger RT/duroid6010介質(zhì)基板，端口阻抗為50Ohm.考慮的制作工藝的難易度和可行性，所有微帶間縫隙寬度不小于0.1mm,且金屬化過孔的半徑不小于0.1mm.

超寬帶濾波器整體結(jié)構(gòu)(r1=0.5,w1=1.3,w2=0.2,w3=0.1,w4=.01,w5=0.2,w6=0.3,r2=0.1,s=0.1,單位：mm)

圖2則為圓形階躍短截線兩邊開路及短路枝節(jié)的等效電路。兩種枝節(jié)的輸入阻抗可以表示為：

這里和θ 為枝節(jié)的特性阻抗以及電長度。當(dāng)θ 分別等于0o,90o,180o的時(shí)候， 分別等于0, ∞ ,0, 分別等于∞ ,0, ∞ .

由此可以得到，當(dāng)超寬帶濾波器的中心頻率的的時(shí)候，由短路枝節(jié)可以得到兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，并且能提高濾波器的選擇性。而又由于開路枝節(jié)的存在，當(dāng)開路枝節(jié)的電長度等于帶外頻率抑制點(diǎn)的1/4波長的時(shí)候，能夠提高帶外阻帶的性能。在這篇文章里，我們設(shè)置帶外抑制頻率點(diǎn)為15GHz.

通過以上的分析，一個(gè)新型的枝節(jié)加載超寬帶濾波器就可以得到，電路的初始尺寸也可以由上述分析得到，最后使用HFSS進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

3.仿真結(jié)果與分析

通過HFSS仿真得到的仿真曲線波形圖如下圖3所示。

從圖中可以看出，濾波器測試帶寬為3.18GHz到10.46GHz,且通帶兩端具有較好選擇性，插入損耗小于0.25dB,帶內(nèi)時(shí)延平坦，其20dB阻帶抑制范圍可以達(dá)到15GHz,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。此外該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，物理尺寸為16.6mm×13mm.

4.結(jié)論

本文提出了一種新型枝節(jié)加載諧振結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方案，該方案中所設(shè)計(jì)的濾波器具有良好的超寬帶特性，其3dB帶寬為2.65GHz-10.95GHz,并且通帶內(nèi)3.18GHz-10.46GHz的范圍內(nèi)S11>20dB.經(jīng)過仿真驗(yàn)證，本方案中所采用的枝節(jié)加載形式，可以實(shí)現(xiàn)濾波器良好的的選擇性以及阻帶特性，進(jìn)而表明了該方案的可行性。