基于三線耦合結(jié)構(gòu)的超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信息系統(tǒng)的通訊速率和通信質(zhì)量的要求越來越高。在此背景下，超寬帶技術(shù)(UWB)成為目前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。2002年2月，美國聯(lián)邦委員會授權(quán)了3.1GHz~10.6 GHz之間的頻帶范圍應(yīng)用于UWB通信。由此，作為通信系統(tǒng)重要組成部分的UWB帶通濾波器的研究也取得了很大的發(fā)展。文獻(xiàn)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(huán)和開路枝節(jié)的結(jié)構(gòu)被用來實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶通特性。并聯(lián)短路枝節(jié)用來控制帶外特性。 為獲得低損耗和易于加工的結(jié)構(gòu)，多模帶通濾波器被廣泛研究。近年來，隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的發(fā)展，EBG結(jié)構(gòu)被引入超寬帶帶通濾波器的研究當(dāng)中。

　　本文提出了一類應(yīng)用微帶三線耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)短路枝節(jié)的平面超寬帶濾波器。利用耦合傳輸線實(shí)現(xiàn)寬帶特性，短路枝節(jié)獲得良好帶外抑制。該濾波器設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有良好的帶內(nèi)帶外特性。插入損耗低于1.5dB,回波損耗高于15dB，帶內(nèi)時(shí)延小于0.3ns,達(dá)到了通信要求，可以廣泛應(yīng)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(lián)短路枝節(jié)。我們知道，λg/4耦合傳輸線可以實(shí)現(xiàn)帶通特性。兩個(gè)傳輸零點(diǎn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)

　　(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(jié)并聯(lián)短路枝節(jié)，分別位于耦合線的兩側(cè)。圖3給出了并聯(lián)短路枝節(jié)的傳輸特性。我們發(fā)現(xiàn)，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(jié)的長度、寬度來影響濾波器的帶寬。

　　圖3 并聯(lián)短路枝節(jié)(a) 示意圖。 傳輸特性隨(b)線寬，(c) 長度變化情況[!--empirenews.page--]

　　3 濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，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(jié)的長寬，保證帶隙位于12GHz左右。我們用電磁仿真軟件Microwave office進(jìn)行原理電路分析，用電磁仿真軟件CST進(jìn)行三維仿真。采用介電常數(shù)為2.65,高度為1.0 mm的聚四氟乙烯電路板進(jìn)行加工。

　　圖4 所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器(a)示意圖 (b)等效電路

　　圖4(a)給出了所設(shè)計(jì)超寬帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸圖，相應(yīng)的電路等效圖在圖4(b)給出。耦合傳輸線的作用類似一個(gè)導(dǎo)納變換器。

　　圖5 所設(shè)計(jì)超寬帶濾波器(a)照片 (b)結(jié)果比較

　　圖5(a)為所設(shè)計(jì)超寬帶帶通濾波器的實(shí)物照片，相應(yīng)的測量結(jié)果在圖5(b)給出?？梢钥闯鰷y試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，覆蓋了3.1~10.6GHz整個(gè)通信范圍。帶內(nèi)插入損耗低于1.5dB，回波損耗高于15dB，帶內(nèi)群時(shí)延小于0.3ns，帶外特性好于15 dB。

　　4 結(jié)束語

　　本文提出了一類應(yīng)用三線耦合結(jié)構(gòu)和并聯(lián)短路枝節(jié)的超寬帶帶通濾波器。該類濾波器利用耦合傳輸線實(shí)現(xiàn)寬帶特性，用短路枝節(jié)來獲得良好的帶外抑制。因?yàn)樵O(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，便于加工，并且擁有良好的帶內(nèi)帶外特性，該類濾波器適合在超寬帶通信中廣泛應(yīng)用。