一種微帶-槽線型寬邊耦合結構超寬帶濾波器設計

姬曉春，姬五勝，張志悅，童滎贇，戴 薇

（1.天津職業技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222；2.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

隨著無線通信的發展，人們的通信需求已經從最初的文件、語音及圖像的數據傳輸步入到網絡多媒體的高速數據流傳輸，與此同時，窄帶系統已經無法滿足現代無線通信發展的需求，寬帶及超寬帶（ultra wide band，UWB）發展已經成為了一種必然趨勢[1]。對于一個寬帶濾波器的設計而言，大的帶寬必然需要電路的緊耦合來實現。傳統的單層平面微帶電路中，大部分耦合形式屬于微帶線之間的弱耦合，對于寬帶電路的實現存在著一定的困難，同時還會帶來電路尺寸過大等問題[2]。文獻[3-4]提出了一款具有超寬帶特性的多模諧振器，雖然實現了電路的寬帶特性，但為了獲取電路緊耦合，使得2 條耦合微帶之間的距離只有0.05 mm，在電路制作工藝上存在著一定的困難。

相對而言，微帶-槽線型寬邊耦合傳輸線[5]由于其多層的電路結構和上下層微帶間較大的耦合面積，在設計寬帶微波器件時具有較大的優勢?；诖私Y構，文獻[6]提出了一種微帶-槽線型寬邊耦合結構相移器，電路的上下層面上敷有一種橢圓貼片，中間層為橢圓形耦合槽；該相移器在3～11 GHz 的帶寬內性能優良。利用該微帶-槽線型寬邊耦合結構分別設計了具有超寬帶特性的耦合器[7]、濾波器[8-10]及功率分配器[11-12]等。文獻[5]通過串聯多個橢圓微帶-槽線型耦合諧振器，增強電路耦合，提高電路分數帶寬，實現了電路的寬帶特性?；谖墨I[5]的設計思想，文獻[13]改進了文獻[6-12]中的諧振器結構，用一種彎曲T 型微帶貼片替換了[8]中的橢圓微帶貼片，并設計了一種具有陷波特性的UWB濾波器，該濾波器能夠實現在整個5～6 GHz 內對WLAN 信號的屏蔽功能，體現出彎曲T型結構獨特的器件性能。與橢圓微帶貼片相比，彎曲T 型微帶貼片構成的微帶-槽線型寬邊耦合諧振器不僅可以實現陷波特性的UWB濾波器設計，而且帶內傳輸極點帶來的緊耦合使得電路寬帶性能更加優越[13]。

本文基于文獻[13]，分析了單個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器的電路性能，并通過多個諧振器的串聯實現了一款UWB濾波器，同時分析了單個諧振器和多個諧振器級聯后帶內傳輸極點的分布情況。傳輸極點的分布規律表現出了彎曲T 型優良的緊耦合特性和寬帶特性。通過二端口級聯網絡分析了諧振器單元之間的級聯特性、傳輸特性和寬帶性能，對影響濾波器性能的重要參數進行了仿真和分析。

1 彎曲T 結構微帶-槽線型諧振器設計

彎曲T 型微帶貼片是由一個大的半圓形微帶貼片除去2 個小的半圓形后形成2 個凹槽，然后與微帶線直接相連形成，其結構如圖1所示。圖中：w1為微帶線的寬度，O 和Dm分別為大半圓形微帶貼片的圓心和直徑，Dm1為凹槽的直徑，且與Dm的關系為Dm1=（Dm-w1）/2。

圖1 彎曲T 型微帶貼片結構

彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結構如圖2所示。圖中Ds為中間層圓形耦合槽的直徑，上下2層介質面上的彎曲T 型結構尺寸一致且與耦合槽共同形成微帶-槽線型寬邊耦合結構。h 為每一層介質的厚度，L 為長度，W 為寬度，彎曲T 型微帶貼片和中間層耦合槽的圓心O 處在同一垂直方向上。電路分別以彎曲T 型微帶貼片作為諧振器的輸入端和輸出端，通過中間層耦合槽相互耦合。

圖2 彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結構

對于一個諧振器單元而言，假設上下層微帶貼片之間的耦合系數為K，而彎曲T 型微帶貼片的邊緣是一個開路端，每個諧振器中輸入端反射系數S11與輸出端傳輸系數S21的計算公式為[5，8]：

式中：K 為上下層彎曲T 型微帶貼片之間的耦合系數；βef為耦合區電長度且βefl1=π/2；耦合區長度l1為中心頻率f0所對應的λg/4 波長。

彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結構的仿真S 參數如圖3所示。

圖3 彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器結構的仿真S 參數

參照圖1 和圖2 所對應的參數關系且保證輸入端和輸出端微帶線為標準的50 Ω，取w1= 1.15 mm，Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，h1=h2=0.508 mm，電介質層采用Rogers4003C 材料，介電常數εr=3.55，損耗角正切為δ=0.002 7。

圖3 中，單個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器的通帶中心頻率f0為5.2 GHz，通帶的上、下頻點分別為3.3 GHz 和7.1 GHz，可算得3 dB 分數帶寬為73%；帶內回波損耗S11優于-12 dB，同時存在的2 個傳輸極點加強了電路耦合。

2 UWB濾波器設計及傳輸極點分析

2.1 多個彎曲T型諧振器級聯特性分析

當多個耦合單元級聯時，電路結構有一個特點：對于偶數個諧振器單元的組合，輸入和輸出端位于同一層，而對于奇數個諧振器單元，2 個端口位于不同層。本文以3 個諧振器單元的級聯結構為例設計UWB濾波器。

3 個耦合單元UWB濾波器電路整體結構如圖4所示，上、下層彎曲T 型微帶結構如圖5所示，中間層耦合槽結構如圖6所示。在圖4-6 中，O1、O2和O3分別為諧振器耦合區圓心，相鄰耦合區圓心之間距離為d，Ds為耦合槽直徑。

2 個諧振器單元級聯時的信號流程如圖7所示，該流程圖可視為由3 個二端口網絡級聯而成。

圖4 3 個耦合單元UWB濾波器電路整體結構

圖5 上、下層彎曲T 型微帶結構

圖6 中間層耦合槽結構

圖7 2 個諧振器單元級聯時的信號流程

設連接2 個諧振器單元之間的微帶線長度為la，它與耦合區圓心之間的距離d 之間的關系為la=d-Ds。假設第j 個諧振單元和第i 個端口處的入射信號和反射信號分別為對于中間連接區域的微帶線而言，假設當作為該區域入射信號傳輸時，引入相移常數其中，相位常數為中心頻率在介質中對應的波長。由微波網絡分析可知，網絡輸入端和輸出端的回波損耗插入損耗則諧振單元之間S 參數表示為[8，13-15]：

假設諧振單元之間為理想匹配狀態，由于諧振器與級聯區域接相連，對于同一個直連端口而言

在2 個諧振單元之間的傳輸特性分析之上，可把式（3）和（4）推廣到n 個諧振器級聯的情況。第n 個諧振單元與前n-1 個耦合單元之間的S 參數可通過前n-1 個諧振單元級聯后的有效S 參數和第n 個諧振單元的輸出端有效S 參數來獲取，可得：

由以上分析可知，連接2 個諧振單元之間的微帶線長度la對于電路傳輸特性有著重要的影響，為了最佳的電路匹配，la的選擇非常關鍵，同時，為了使電路損耗最小和一些不必要的耦合出現，級聯區域的微帶線需保持50 Ω。根據d 值與la的關系，3 個諧振單元級聯后，la對電路S 參數的影響如圖8所示。參數分別取Dm=4.5 mm，Ds=6.1 mm，w1=w2=1.15 mm。當la分別為1.3 mm 和2.5 mm 時，通帶內回波損耗S11和插入損耗S21非常差，而當la值為3.7 mm 時，通帶內插入損耗S21均在-2 dB 之內，并且帶外的抑制能力也得到了改善。

圖8 la 對電路S 參數的影響

2.2 UWB濾波器的實現

基于以上分析，利用圖4 中3 個彎曲T 型微帶-槽線型寬邊耦合諧振器級聯后實現UWB濾波器?？紤]到帶內插入損耗的平穩和群時延等因素，取w1=1.15 mm，Dm= 4.5 mm，Ds= 6.1 mm，la= 3.3 mm，h1= h2=0.508 mm。UWB濾波器S 參數及群時延如圖9所示。

圖9 UWB濾波器S 參數及群時延

通帶中心頻率f0為7.1 GHz，通帶的上、下頻點分別為3.7 GHz 和10.5 GHz，可算得3 dB 分數帶寬為96%；帶內回波損耗S11小于-10 dB，其他頻段均優于-15 dB，帶內群時延變化范圍為0.22 ns。同時，帶內存在6 個傳輸極點，加強了電路耦合。

2.3 帶內傳輸極點分析

由式（5）、（6）可知，同一個電路中，不同數量的彎曲T 型諧振器級聯時，諧振器之間的最佳匹配由la決定。2 個諧振器單元級聯后S 參數及傳輸極點的分布情況如圖10所示。

圖10 2 個諧振器單元級聯后S 參數及傳輸極點的分布情況

保持其他參數與圖3 一致，考慮到諧振器之間的最佳匹配，la的取值在圖8 中為4.9 mm，帶內存在4 個傳輸極點，其3 dB 分數帶寬為87%。結合圖3 中單個諧振器與圖9 中3 個諧振器級聯后傳輸極點的分布情況與分數帶寬，在電路滿足最佳匹配的條件下，可以總結如下規律：

（1）一個彎曲T 型諧振器可以在帶內產生2 個傳輸極點，多個諧振器級聯后，當la取值滿足最佳匹配的情況下，通帶內傳輸極點個數與諧振器個數呈2倍關系。

（2）級聯的諧振器個數越多，傳輸極點越多，電路耦合越強，產生的電路帶寬越大。

3 結 語

本文通過一種彎曲T 型微帶貼片設計了一種微帶-槽線型寬邊耦合結構諧振器，并通過多個諧振器串聯實現UWB濾波器的設計。通過級聯網絡分析可知，微帶線長度la是多個諧振器級聯后電路性能的重要參數；在la滿足諧振器之間最佳匹配條件的時候，通帶內傳輸極點呈現規律性分布，這有利于控制電路耦合程度與分數帶寬。同時電路存在著對帶外信號的抑制能力不夠理想的問題，如單個諧振器和2 個諧振器串聯時，上阻帶帶外抑制還未達到-15 dB；3 個諧振器串聯后帶外抑制雖然得到了改善，但是同時帶來了電路尺寸過大等問題。對于多個彎曲T 型諧振器串聯后的電路，今后嘗試通過改變電路結構來實現電路小型化，并實現更好的帶外抑制特性。