具有四陷波特性的小型化超宽带滤波器_南敬昌.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 45 具有四陷波特性的小型化超宽带滤波器南敬昌，刘曼，刘超(辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛 125105)摘要：为了解决传统具有陷波特性的超宽带滤波器陷波深度不足和陷波较少的问题，提出了一种小型化四陷波超宽带滤波器。通过采用非对称耦合技术、在两端馈线处嵌入开路枝节以及在超宽带滤波器上加载新型双开环谐振器、C型谐振器的方式，实现通带内的四陷波特性。该超宽带(Ultra-Wideband,UWB)滤波器通带为2.7711.1 GHz，相对带宽为120%，在3.54 GHz、5.62 GHz、6.84 GHz和8.24 GHz处产生四个陷波，能够避免全球微波互联接入(WiMAX)、无线局域网(WLAN)、印度国家卫星通信C频段和X卫星通信上行频段对超宽带系统的干扰，适用于超宽带无线通信系统。最后，对设计制作的实物进行测试，测试结果与仿真结果基本一致。关键词：超宽带滤波器；四陷波；谐振器；小型化中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)03-0045-06DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.008著录格式：南敬昌,刘曼,刘超.具有四陷波特性的小型化超宽带滤波器J.磁性材料及器件,2023,54(3):45-50./NAN Jing-chang,LIU Man,LIU Chao.A miniaturized UWB filter with four-notch characteristics J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):45-50.A miniaturized UWB filter with four-notch characteristicsNAN Jing-chang,LIU Man,LIU ChaoSchool of Electrics and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,ChinaAbstract:In order to solve the problem of insufficient notch depth and less notch in traditional ultra-wideband filters with notch characteristics,this paper proposes a miniaturized four-notch ultra-wideband filter.By adopting asymmetric coupling technology,embedding open stubs at both ends of the feeder,and loading new double open-loop resonator and C-type resonator on the ultra-wideband filter,the four-notch characteristics in the passband are realized.The UWB filter features a passband of 2.77 to 11.1 dB and a relative bandwidth of 120%.Four notches are generated at 3.54 GHz,5.62 GHz,6.84 GHz and 8.24 GHz,which can avoid WiMAX and wireless local area networks(WLAN),Indian national satellite communication C-band and X satellite communication uplink frequency band interfere with ultra-wideband systems,which are suitable for ultra-wideband wireless communication systems.Finally,the filter was prepared and tested,and the test results are basically consistent with the simulation results.Key words:ultra-wideband filter;four-notch;resonator;miniaturization1 引言自从美国联邦通信委员会(Federal Communi-cations Commission,FCC)在2002年将超宽带频段用于商业1，超宽带(Ultra-Wideband,UWB)无线产品在军事、物联网等各个领域都有了广泛的应用2-4。文献5提出了一种具有缺陷地结构的小型化超宽带带通滤波器，该滤波器采用矩形结构作为缺陷接地，实现了滤波器的通带性能，但其带外抑制特性有待进一步提高。文献6报告了一款利用多模谐振器(Multiple-mode Resonator,MMR)技术来实现结构紧凑、高抑制的超宽带微带带通滤波器，所提出的MMR结构由三个开路枝节负载、两个短路枝节和高阻抗微带线实现，通过调整枝节的尺寸，MMR结构的谐振模式具有更宽的带通，其通带选择性显收稿日期：2022-06-05 修回日期：2022-07-15基金项目：国家自然科学基金项目(61971210);辽宁省特聘教授项目(551710007004)通讯作者：刘 曼 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 46 著提高，但滤波器尺寸偏大。超宽带通信系统广泛应用于信息产业，如室内定位系统、雷达系统等。但因超宽带系统具有很宽的通带，导致其他发射机的工作频率与超宽带接收机的工作频率有所重合，从而影响系统的解调能力，因此设计具有超宽带、高抑制特性和多陷波性能的滤波器具有现实意义。文献7报告的基于不对称输入/输出结构的多陷波UWB带通滤波器有较强的耦合度，并且在所需频段产生了理想的陷波，但阻带抑制性较差。文献8提出了采用非对称三阶梯阻抗谐振器来实现双陷波高选择性超宽带滤波器，其中短截线产生的两个传输零点使得通带选择性有了很大的提高，但陷波频率处衰减较低。文献9提出了一款由一条均匀传输线和四个阶梯阻抗开路短截线组成的三陷波超宽带滤波器，其尺寸偏大。文献10-11报告在顶面加载微带线共面波导结构，使其垂直耦合于位于接地面缝隙中多个谐振器，从而在通带内实现双频陷波特性，其陷波数量较少。为了使得通带内具有更多的陷波个数，尽可能避免其他频段信号对超宽带频段信号产生影响，并且保持良好的通带性能，本文在多模谐振器的基础上采取加载两种不同类型的多模谐振器、两端馈线加载内嵌枝节和非对称耦合线技术来设计小型化的四陷波超宽带滤波器。与其他陷波超宽带滤波器相比，其具备更优秀的陷波特性和更好的通带性能，且保持尺寸小的优势。因由电感、电容、电阻等电路元件设计的集总参数滤波器12-13工艺比较复杂，质量不易保证，并且如果电路元件的精度难以提高，则会使整个电路特性的一致性差。所以本设计采用微带线结构，其只要保证精确的印制工艺，就可得到较高的电路质量。2 超宽带滤波器结构与分析在设计超宽带滤波器时，谐振器可以通过对谐振频率的选择来形成滤波器所需宽带。超宽带滤波器通过多模谐振器(MMR)与I/O馈线交叉耦合来实现。图1展示了超宽带滤波器整体结构。图2为多模谐振器在弱耦合情况下的S参数曲线，由HFSS15.0仿真得到谐振频率f1、f2和f3。由图2a可以看出，谐振频率f1、f2和f3随L1的增大略向低频移动。由图2b可以看出，谐振频率f2和f3随着L2的增大略向低频移动，而f1不受L2的影响。通过以上分析，可以通过改变L1和L2来对谐振频率进行控制，从而调整谐振频率的分布来进一步改变MMR的通带范围，获得设计所需的超宽带性能。多模谐振器(MMR)与I/O馈线交叉耦合实现超宽带滤波器，通过仿真软件HFSS15.0进行仿真优化，S参数仿真结果如图3所示。由图3可以看出，UWB滤波器的3 dB带宽为2.911 GHz，相对带宽为116.5%，通带平坦，插入损耗在0.3 dB以内，整个频带的回波损耗在15 dB以下，整体性能良好。3 具有陷波特性的超宽带滤波器3.1 双开环谐振器原理与结构在上述超宽带滤波器的设计基础上，设计了双开环谐振器结构，其整体结构及奇偶模等效电路如图4所示。整体电路由两个中间通过微带线连接的 L1W1g1W4L4L2L3W2W3图1 超宽带滤波器结构图2 弱耦合情况下对应不同(a)L1和(b)L2的S参数的频率曲线南敬昌等：具有四陷波特性的小型化超宽带滤波器 47 方形开环谐振器组成(图4a)，两个环同心且互相耦合。其中L1、L2和S1、S2分别是两个方形开环谐振器的边长和开口尺寸，L3是连接两个方形开环谐振器的微带线长度，对应微带线的特征导纳分别为Y1、Y2、Y3。对谐振器奇模等效电路(图4b)，令电长度1=(3L1-S1)/2，得奇模输入导纳：Yin odd=Y1jtan1(1)对谐振器的偶模等效电路(图4c)，令电长度2=L2、3=L3，得偶模输入导纳：Yin,even=jY12Y1Y2tan1+Y32tan3+2Y2Y3tan2-4Y1Y2tan1tan2tan3Y1Y3-4Y1Y2tan2tan3-2Y2Y3tan1tan2(2)为了便于分析，取Y1=Y2=Y32，可得：Yin,even=jY11+2+32(3)令Yin,odd=0、Yin,even=0分别求得奇模和偶模的谐振频率：fodd=(2n-1)c2(3L1-S1)eff(4)feven=nc(3L1+2L2-S1)eff(5)其 中eff为 有 效 介 电 常 数，n=1,2,3,；令n=1，得：fodd=c2()3L1-S1eff(6)feven=c()3L1+2L2-S1eff(7)可知，当L1发生变化时，fodd和feven都会随之变化，L2变化时影响的仅有feven。图5为L1改变、L2不变时，该谐振器在弱耦合下的S参数曲线。当L1增大，传输零点明显左移，利用这一特性，可以设计出具有可调陷波特性的滤波器。3.2 陷波特性为了避免WiMAX频段(3.33.7 GHz)、WLAN频段(5.155.825 GHz)、印度国家卫星通信C频段(6.77.1 GHz)和 X 卫星通信上行波段(7.98.4 GHz)对超宽带系统的干扰，可以通过在UWB滤波器的通带内引入陷波频带来实现。图6展示了本文提出的具有陷波特性的超宽带滤波器在电路板上的结构布局。L1,Y1L2,Y2L3,Y3S1S2(a)L1/2-S1/2L1(b)L1/2-S1/2L1L2L3(c)图4 奇偶模分析：(a)双开环谐振器结构，(b)奇模电路，(c)偶模电路图5 弱耦合情况下L1对谐振器谐振频率的影响图3 超宽带滤波器S参数仿真结果磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 48 图7显示了不同枝节尺寸对陷波频率的影响。在超宽带滤波器上方耦合 C 型谐振器是为了避免WiMAX 频段信号对超宽带信号的干扰。图 7a 中UWB滤波器上方耦合C型谐振器导致通带内引入传输零点，当陷波中心频率为3.54 GHz时，由电流分布图可以看到电流集中分布在C型谐振器处，能量封闭在陷波结构中，无法正常向滤波器外辐射，从而产生陷波。随着L6的增大，该陷波的中心频率向低频移动，因此可以通过改变L6来实现陷波频率的可调。图7b是在图7a的基础上采用非对称耦合线能够引入传输零点的原理来产生第二陷波。该陷波中心频率为5.62 GHz，陷波深度达到了40 dB，有效地避免了无线局域网(WLAN)频段的干扰