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。在C型谐振器尺寸固定的情况下，改变L13的取值，相应的第二陷波中心频率发生改变，而第一陷波中心频率基本不变，电流集中分布在非对称耦合线处。在前两个陷波的基础上由多模谐振器下方耦合新型双开环谐振器来实现第三陷波(图7c)，已对其进行了理论分析。该陷波的引入消除了印度国家卫星通信C频段(6.77.1 GHz)的影响，其中心频率为6.84 GHz，适应对这一频段产生陷波需求的超宽带 L1W1g1L2L3W2W3L5W4L6L14L7L9L16L18L11L13L20L10L8W2W2W2L15L19L17L12g2g3g4g5g6L21图6 陷波超宽带滤波器几何结构图7 不同枝节尺寸对陷波频率的影响：(a)L6，(b)L13，(c)L16，(d)L20南敬昌等：具有四陷波特性的小型化超宽带滤波器 49 应用领域，如雷达追踪、精确定位、保密通信等。由图7c可知，当L16增大时，传输零点左移，并且可以看出电流集中分布在双开环谐振器处，从而引起陷波。通过在输入输出馈线处加载开路枝节引入传输零点实现第四陷波，相对应的电流集中分布在加载的开路枝节处，此处陷波的中心频率为8.24 GHz，可抑制X卫星通信上行波段对超宽带系统的干扰。由图7d可知，可以通过改变L20的取值来调整第四陷波的频率。经过以上陷波特性的分析可知，通过改变产生相应陷波处的枝节尺寸可以实现陷波个数及中心频率的可调。但是随着陷波个数的增多，应注意结合基板尺寸进行合理分布，使结构尽可能紧凑。4 器件性能经过上述分析，利用HFSS15.0电磁仿真软件对滤波器进行设计、仿真与优化，实现四陷波超宽带滤波器。表1给出了陷波超宽带滤波器的最终尺寸，并根据表中尺寸制作滤波器，实物照片如图8所示，其中采用的介质基板材料为Arlon AD1000，相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.0023，基板厚度为1 mm，尺寸为28 mm7 mm。通过利用矢量网络分析仪Agilent N5247A对滤波器进行性能参数测试。图9展示了滤波器实测与仿真的S参数结果对比，实测滤波器通带在2.7711.1 GHz之间，相对带宽达到了120%，通带中心频率插入损耗控制在0.8 dB以内。滤波器的四个陷波中心频率分别为3.5 GHz、5.5 GHz、6.84 GHz和8.24 GHz，相对应的陷波衰减分别达到 18.5 dB、48.3 dB、16.2 dB和33.7 dB。由图9观察到实测性能与仿真结果存在一定的差异，实测频率较仿真结果有稍许的频偏，这一般是由于电磁仿真软件的精度以及实际介质基片的介电常数偏移所引起的。同样可以看到插入损耗和回波损耗相比较于仿真结果有一定的偏差，这主要是SMA接头连接处所出现的损耗和制作加工的误差所造成的，但整体符合性良好。图8 超宽带滤波器实物照片图9 滤波器S参数实测与仿真结果对比 表1 四陷波超宽带滤波器结构参数 mm L1L2L3L4L5L674.64.70.65.68L7L8L9L10L11L123.50.70.61.455.20.5L13L14L15L16L17L182.33.81.71.50.80.9L19L20L21W1W2W30.840.91.50.20.15W4g1g2g3g4g51.40.150.350.450.60.5表2 本文滤波器与其他滤波器参数对比带宽/GHz3.110.63.1510.622.910.53.310.72.5611.154.069.483.6011.552.210.62.7711.1插入损耗/dB1.51.50.20.90.420.580.421.1151615.515 15.76 16.2尺寸/mm2320403021.216301521.9516.46 2320287文献89111415161718本设计磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 50 表2列出了本设计器件与近几年的超宽带滤波器参数对比，可看出所设计的陷波超宽带滤波器具有更宽的带宽和更好的通带特性，而且相较于其他陷波超宽带滤波器有着更多的陷波和更好的陷波特性，同时尺寸更小。设计的滤波器采用微带线结构，可以直接布设在印刷电路板(PCB)上，易与平面有源电路如RFIC、MMIC相集成。适用于对干扰频段产生陷波需求的超宽带应用领域，如雷达追踪、精确定位、保密通信等。5 结论设计了一款四陷波超宽带小型化滤波器，该滤波器在实现了从2.77 GHz到11.1 GHz的超宽带通带的基础上引入中心频率为3.52 GHz、5.5 GHz、6.84 GHz 和 8.24 GHz 的四陷波特性，可以有效地避免WiMAX频段、WLAN频段、印度国家卫星通信C频段和X卫星通信上行波段对超宽带系统的干扰，同时陷波中心频率衰减分别达到18.5 dB、48.3 dB、16.2 dB和33.7 dB。可以通过调节加载枝节和谐振器相应的尺寸来实现陷波频率的可调。同时，该滤波器通带中心频率插入损耗为 0.8 dB，尺寸为 28 mm7 mm，具有良好的通带性能和尺寸小的优势。整体设计紧凑，且实测结果与仿真结果具有良好的一致性，进而证实了设计的可行性，无论在民用的通信领域还是军用的通信、定位、抗干扰领域，都有很大的应用价值。参考文献：1Wang B,Lin J,Wen H,et al.Ultra-wideband filter with dual notch bands based on ring resonator J.Electromagnetics,2017,37(4):12.2李国金,秦元龙,南敬昌.具有三陷波特性的新型超宽带天线设计与研究J.传感器与微系统,2022,41(11):89-92+96.3刘文进,许馨水,南敬昌,等.基于改进QPSO算法的双陷波超宽带天线建模J.传感器与微系统,2022,41(10):13-17.4黄梦雅,丁召,胡明哲.UWB天线的宽带化技术及其发展J.电讯技术,2014,54(2):236-244.5Ansal K A,Jose D S,Kumar A S,et al.A band pass coupled line filter with DGS for ultra-wide band application J.Procedia Comput 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