具有陷波特性的HMSIW超宽带滤波器的设计与实现

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                1  引言

                         随着无线通信技术的不断发展，人们对信息传输系统的要求越来越高。而超宽带（UWB）技术以其成本低、功耗小、安全性好、数据传输速率高等优点成为目前国内外通信领域的一个研究热点。UWB技术出现于20世纪50年代末，一直到20世纪90年代主要应用于军事上的雷达和低截获率的通信系统。近年来，随着微电子器件技术和工艺的发展，UWB技术开始应用在民用领域。2002年2月14日，超宽带无线技术首次获得了FCC的批准用于民用通信中，以提高频谱利用效率。2002年4月，FCC批准将3.1－10.6GHz的频段分配给UWB使用。这使得UWB系统及其器件的研究越来越受到人们的关注。
                          
                         作为UWB系统重要的器件，UWB滤波器被广泛地研究与应用。采用了低通滤波器加高通滤波器的方法来实现UWB带通滤波器。介绍了一种微带与共面波导的宽带耦合结构来实现UWB滤波器。提出了一种新颖的基于多模谐振器的UWB滤波器。这些UWB滤波器可以很有效地应用于UWB无线通信系统中。然而，UWB技术的其中一个方案，直接序列超宽带（DS-UWB）技术建议采用双频带（3.1-5.15GHz和5.825-10.6GHz）。这就需要在5.8GHz左右形成一个陷波，以抑制其它窄带系统的干扰。是在UWB滤波器的不同位置刻蚀分支线来实现的陷波特性的。通过加上多个开口谐振环（SRR）来产生多个陷波。
                          
                         本文提出一种新的具有陷波特性的UWB带通滤波器，由阶梯阻抗低通滤波器、HMSIW高通滤波器以及集成在微带与HMSIW过度段上的分支线实现，如图1所示，其中陷波特性是由分支线产生。
                          
       

               

       

                图1  设计的UWB滤波器的俯视图

                          
                        2  设计与分析

                        2.1  低通滤波器的设计

                         微带线阶梯阻抗滤波器是一种基本的低通滤波器。一般地，在实现一个滤波器的过程中，高、低阻抗的微带宽度分别保持不变。然而，如果用这种方法来实现一个上边带为10.6GHz的低通滤波器，阶数将会很大。因此，为了设计宽带且相对小尺寸的低通滤波器，人们提出了一些改进方法。采用改变介质的介电常数而保持高、低阻抗微带的宽度不变的方法来实现阻抗变换。
                          
                         这里，我们采用不同宽度的微带组成阶梯阻抗来实现宽带的低通滤波器。采用Ansoft HFSS优化设计了一个6阶的阶梯阻抗低通滤波器。
                          
                        2.2  高通滤波器的设计

                         基片集成波导（SIW）中的场分布与传统矩形波导中的场分布相似。因此，SIW具有传统矩形波导的高通特性。同时SIW器件还继承了矩形波导的高Q值、低插损、低辐射和较高的功率容量等优点。此外，SIW器件具有矩形波导不具备的易与平面电路集成的优点。作者基于SIW的高通特性设计并实现了性能良好的具有陷波特性的UWB滤波器。
                          
                         近年来，半模基片集成波导被广泛研究与应用，因为其不但继承了SIW的优点，还比SIW尺寸缩小了接近50%。因此，本文采用HMSIW的高通特性和阶梯阻抗低通滤波器实现UWB滤波器，并用支线实现陷波特性。过渡带的设计是非常重要的，设计不好会在HMSIW中引入高阶模，从而降低有效信道带宽。这里，我们设计了一个四阶的梯形过渡，这个过渡的渐变边缘近似满足指数函数。
                          
                         我们使用具有过渡带的HMSIW来实现高通滤波器的另一个重要原因就是分支线可以集成在过渡带上，下面将会详细叙述。
                 
                        2.3  陷波特性的设计与分析

                         有多种方法产生陷波。文献中采用的是开路谐振线，性能良好。SIW 过渡带的大部分电流分布于过渡带的边缘，所以在SIW中产生陷波应该在过渡带的中心线加上开路谐振线。而HMSIW的场分布与SIW的一半的场分布十分接近，所以HMSIW过渡带的电流也大部分在渐变线的一边，那么HMSIW中要产生陷波应该在过渡带的直线边缘引入分支线。开路谐振线和分支线的结构如图2所示。分支线的长度应该是λ/4以保证分支线的第二谐振点不在UWB频带内。例如，我们需要一个在5.8GHz的陷波，那么在介电常数为2.2的介质上，分支线的长度应该在9毫米左右。
                          
       

               

       

                图 2 (a)开路谐振线结构；(b)分支线结构

                          
                        3  测试结果讨论

                         采用标准PCB工艺，实现了上述在5.8GHz具有处陷波特性的UWB滤波器。此滤波器的尺寸为20mm×60mm。图3给出了滤波器的实物图。图4给出了分支线在不同位置的仿真与测试S参数结果，其中，(a)图是分支线离HMSIW较远时的结果，此时7.5GHz左右的回波损耗高于-10dB；(b) 中对分支线的位置做了改进，更靠近HMSIW，测得结果优于前者，7.5GHz处回波损耗低于-9.2dB，其余频段回波损耗都小于-10dB。更重要的是(b)中的陷波深度优于(a)中10dB左右。
       
       

               

       

                图3  设计滤波器的事物图

       

               

       

                (a) 分支线离HMSIW较远；

       

               

       

                (b) 分支线离HMSIW较近

       

                图2  

                        4  结论

                         本文设计并实现的具有陷波特性的UWB滤波器是由一个阶梯阻抗低通滤波器、一个HMSIW高通滤波器以及微带与HMSIW过渡带上的分支线组成。实现的超宽带滤波器的频带范围为3.1－10.6GHz，陷波频率在5.8GHz左右，陷波深度达到了-50dB。同时，此滤波器具有低插损、好选择性的特点，可以应用在UWB无线通信系统中。