基于枝节加载的超宽带滤波器的设计方案

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1.引言
          自2002年美国联邦通讯委员会(FCC)批准把3.1GHz到10.6GHz之间的频段分配给超宽带通信系统使用以来，小型化，高性能已经成为了超宽带无线通信系统的必然趋势。
           
          本文提出了一种具有新的枝节加载谐振器结构超宽带滤波器的设计方案。该方案的结构为使用圆形开路阶跃短截线为中心枝节，通过圆形谐振器控制奇偶模式的分布; 达到短路和开路枝节控制带外抑制。该方案中所设计的滤波器具有小尺寸，良好选择性等优点， 通过仿真的结果证实了该方案的可行性。
           
          2.超宽带滤波器的总体结构
          由于之前的文章中有涉及到首次使用圆形开路阶跃短截线单元进行超宽带滤波器的设计方案。在文章中可以知道这种单元具有低通特性，并且其截止频率会随着半径R的增大而减小，边缘响应也随之变得都陡峭。这样，我们可以使用加载其他枝节引入传输零点的方法得到好的阻带特性。
           
          如下图所示，图1为所设计超宽带滤波器的整体结构图。

       

         

          整体电路左右对称，使用介电常数为10.2,厚度为1.27mm的Roger RT/duroid6010介质基板，端口阻抗为50Ohm.考虑的制作工艺的难易度和可行性，所有微带间缝隙宽度不小于0.1mm,且金属化过孔的半径不小于0.1mm.
           
          超宽带滤波器整体结构(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,单位：mm)
           

       

         

          图2则为圆形阶跃短截线两边开路及短路枝节的等效电路。两种枝节的输入阻抗可以表示为：
           

       

           
          这里和θ 为枝节的特性阻抗以及电长度。当θ 分别等于0o,90o,180o的时候， 分别等于0, ∞ ,0, 分别等于∞ ,0, ∞ .
           
          由 此可以得到，当超宽带滤波器的中心频率的的时候，由短路枝节可以得到两个传输零点，并且能提高滤波器的选择性。而又由于开路枝节的存在，当开路枝节的电长 度等于带外频率抑制点的1/4波长的时候，能够提高带外阻带的性能。在这篇文章里，我们设置带外抑制频率点为15GHz.
           
          通过以上的分析，一个新型的枝节加载超宽带滤波器就可以得到，电路的初始尺寸也可以由上述分析得到，最后使用HFSS进行仿真和优化。
           
          3.仿真结果与分析
          通过HFSS仿真得到的仿真曲线波形图如下图3所示。

       

         

          从图中可以看出，滤波器测试带宽为3.18GHz到10.46GHz,且通带两端具有较好选择性，插入损耗小于0.25dB,带内时延平坦，其20dB阻带抑制范围可以达到15GHz,从而验证了设计的有效性。此外该滤波器结构紧凑，物理尺寸为16.6mm×13mm.
           
          4.结论
          本文提出了一种新型枝节加载谐振结构的超宽带滤波器的设计方案，该方案中所设计的滤波器具有良好的超宽带特性，其3dB带宽为2.65GHz- 10.95GHz,并且通带内3.18GHz-10.46GHz的范围内S11>20dB.经过仿真验证，本方案中所采用的枝节加载形式，可以实现 滤波器良好的的选择性以及阻带特性，进而表明了该方案的可行性。