基于三线耦合结构的超宽带带通滤波器的设计

1、引言

随着通信技术的不断发展，人们对信息系统的通讯速率和通信质量的要求越来越高。在此背景下，超宽带技术(UWB)成为目前通信领域的一个研究热点。2002年2月，美国联邦委员会授权了3.1GHz~10.6 GHz之间的频带范围应用于UWB通信。由此，作为通信系统重要组成部分的UWB带通滤波器的研究也取得了很大的发展。文献提出了一类基于高损耗材料的宽带滤波器，拥有平整的宽带特性，但是插入损耗太大。谐振环和开路枝节的结构被用来实现超宽带滤波器，但是回波损耗只有10dB用高通和低通滤波器组合结构实现带通特性。并联短路枝节用来控制带外特性。 为获得低损耗和易于加工的结构，多模带通滤波器被广泛研究。近年来，随着新材料和新结构的发展，EBG结构被引入超宽带带通滤波器的研究当中。

本文提出了一类应用微带三线耦合结构和并联短路枝节的平面超宽带滤波器。利用耦合传输线实现宽带特性，短路枝节获得良好带外抑制。该滤波器设计简单，结构紧凑，有良好的带内带外特性。插入损耗低于1.5dB,回波损耗高于15dB，带内时延小于0.3ns,达到了通信要求，可以广泛应用与微波超宽带通信中。

2、理论分析

这类超宽带带通滤波器由两部分组成。平行耦合线和并联短路枝节。我们知道，λg/4耦合传输线可以实现带通特性。两个传输零点分别位于f0和2f0处。为了获得更大的带宽，我们用三线耦合代替双线耦合来增加耦合强度。如图1所示，3-dB带宽由95%提高至105%。图2给出了3-dB带宽随着耦合线宽(W1，W2)和带隙宽度(S)变化情况。

(a) 示意图

(b) 传输特性S21变化图

图1、双线和三线耦合结构

(a)

图2、3-dB带宽随着(a) 带隙宽度(b)耦合线宽(c) 耦合线宽变化情况

为了获得良好的带外特性，我们引入两节并联短路枝节，分别位于耦合线的两侧。图3给出了并联短路枝节的传输特性。我们发现，随着长度增加，带隙向低频移动;随着宽度增加，带隙略向高频移动。由此，我们可以通过改变短路枝节的长度、宽度来影响滤波器的带宽。

图3、并联短路枝节(a) 示意图。 传输特性随(b)线宽，(c) 长度变化情况

3、滤波器的设计和实现

设计滤波器时，我们首先通过改变耦合传输线的宽度和缝隙宽度来选择合适的奇偶模阻抗;然后选择合适的短路枝节的长宽，保证带隙位于12GHz左右。我们用电磁仿真软件Microwave office进行原理电路分析，用电磁仿真软件CST进行三维仿真。采用介电常数为2.65,高度为1.0 mm的聚四氟乙烯电路板进行加工。

图4、所设计超宽带滤波器(a)示意图(b)等效电路

图4(a)给出了所设计超宽带带通滤波器的结构尺寸图，相应的电路等效图在图4(b)给出。耦合传输线的作用类似一个导纳变换器。

图5、所设计超宽带滤波器(a)照片(b)结果比较

图5(a)为所设计超宽带带通滤波器的实物照片，相应的测量结果在图5(b)给出。可以看出测试结果和仿真结果吻合良好，覆盖了3.1~10.6GHz整个通信范围。带内插入损耗低于1.5dB，回波损耗高于15dB，带内群时延小于0.3ns，带外特性好于15 dB。

4、结束语

本文提出了一类应用三线耦合结构和并联短路枝节的超宽带带通滤波器。该类滤波器利用耦合传输线实现宽带特性，用短路枝节来获得良好的带外抑制。因为设计简单，结构紧凑，尺寸小，便于加工，并且拥有良好的带内带外特性，该类滤波器适合在超宽带通信中广泛应用。