《电子技术应用》

基于混合CPW和微带结构的超宽带滤波器

2018年电子技术应用第1期
王 琼1,夏鑫淋2,史春辉3,黄 宇1
(1.成都理工大学 工程技术学院,四川 乐山614000; 2.中国工程物理研究院 微系统与太赫兹研究中心,四川 成都610000; 3.国网吉林省电力有限公司信息通信公司,吉林 长春130021)
摘要: 提出了一种新型的混合共面波导和微带结构的超宽带带通滤波器。通过将中间微带替换成交指耦合线,在下通带边缘产生一个传输零点,使得滤波器的选择性得到极大提升。此外,引入了耦合短路枝节以进一步提升其选择性和带外特性。实测结果表明,提出的滤波器具有不错的带内和带外性能。其具有陡峭的选择性,尺寸紧凑(0.49 λg×0.47 λg),插入损耗低,且上阻带宽。该滤波器的相对带宽达123%(2.75~11.55 GHz),回波损耗优于15 dB。并且,最终的加工实测结果和仿真结果基本一致。

Ultra-wideband bandpass filter using hybrid structure of CPW and microstrip

Wang Qiong1,Xia Xinlin2,Shi Chunhui3,Huang Yu1
(1.The Engineering Technical College,Chengdu University of Technology,Leshan 614000,China; 2.Microsystem and Terahertz Research Center,China Academy of Engineering Physics,Chengdu 610000,China; 3.Jilin Information and Telecommunication Company of Jilin Electric Power Company,Changchun 130021,China)
Abstract: A novel ultra-wideband BPF using hybrid CPW and microstrip structure is proposed in this paper. The middle microstrip is replaced by an interdigital coupled-line to generate a transmission zero at low frequency. As a result, the selectivity is significantly improved. Moreover, the coupling short stubs(CSS) are used to further improve its selectivity and out-of-band performances. The measured results show that the proposed filter possesses satisfactory out-of-band and in-band performances such as sharp roll-off, compact size(0.49 λg×0.47 λg), low insertion loss, and wide upper stopband. The proposed filter has wide fractional bandwidth of 123%(2.75~11.55 GHz), and a return loss of better than 15 dB is achieved. Besides, the measured results of fabricated filter agree well with the simulation.

王  琼1,夏鑫淋2,史春辉3,黄  宇1

(1.成都理工大学 工程技术学院,四川 乐山614000;

2.中国工程物理研究院 微系统与太赫兹研究中心,四川 成都610000;

3.国网吉林省电力有限公司信息通信公司,吉林 长春130021)




    中图分类号: TN713

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172107


    中文引用格式: 王琼,夏鑫淋,史春辉,等. 基于混合CPW和微带结构的超宽带滤波器[J].电子技术应用,2018,44(1):96-99.

    英文引用格式: Wang Qiong,Xia Xinlin,Shi Chunhui,et al. Ultra-wideband bandpass filter using hybrid structure of CPW and microstrip[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):96-99.

0 引言

    自美国联邦通信委员会2002年将3.1~10.6 GHz频段授权民用之后,超宽带滤波器作为UWB系统中的关键器件,成为了研究热点。近年来,国内外学者对UWB滤波器进行了大量研究,各种结构的滤波器也相继提出。例如,多模谐振器就被广泛用于各类超宽带滤波器的设计中[1-3]。文献[1]提出了一种改进的多模谐振器,其能在带外产生两个传输零点,以改善滤波器选择性。文献[3]中,在微带中心加载折叠的多模谐振器,使得该滤波器的带外特性得到极大的改善。同时,由于共面波导(CPW)和微带线的过渡结构能够产生超宽带效应,因此常用于带通滤波器的设计中[4-9]。但通常过渡结构在下阻带没有零点,因此其选择性不好,且上阻带也较窄。缺陷微带[10-11]以及缺陷地[12]结构也常用来设计超宽带滤波器。然而,缺陷结构由于在微带或地平面进行刻蚀处理,会使得该种滤波器带来信号完整性问题。

    本文在传统CPW到微带过渡结构的基础上,将中心位置处的微带用交指耦合线替换,以在滤波器上下阻带各带来一个传输零点,从而改善滤波器的选择性。在滤波器CPW槽下加载8个微带短路枝节,以拓展滤波器的上阻带特性。最终,为验证滤波器性能,对加工的滤波器进行了测试,且测试和仿真结果吻合较好。

1 UWB滤波器设计

    本文所提出的滤波器是设计在厚度为0.508 mm的Rogers RO 4350(介电常数εr=3.66)基板上。正面铜箔构成了CPW,反面铜箔充当微带的带线。本文提出了一种改进的CPW到微带的过渡结构(CPW-MS-CPW),其基本结构如图1所示。其中耦合线和CPW弯折枝节的长度约为中心频率的λg/4。与文献[5]中传统的CPW到微带的过渡结构不同,本文中将中心微带用交指耦合线(ICL)代替。图2给出了该过渡结构的低频集总等效和J变换等效电路。其中,J变换网络是CPW和微带的过渡实现的,ICL可等效为非对称平行耦合线。C0表示交指耦合线的低频等效电容,L0和L1分别表示CPW的中间导体和接地部分的等效电感。

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    改进型和传统的混合CPW和微带结构的仿真S参数如图3所示,加载了交指耦合线的过渡结构在带外有4个传输零点。其中,fz3是由CPW到微带过渡产生的,fz0(0 GHz)和fz2是由ICL引入的。对于传输零点fz1,其产生机理可由其低频等效集总电路分析得出。文中提出的CPW-MS-CPW以及文献[5]中的过渡结构的低频集总等效电路的简化电路分别如图4(a)和图5(a)所示。

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    对于奇模激励,由其奇模等效电路(如图4(b))可得,其输入阻抗如式(1)所示:

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    显然,同图3中的电磁仿真结果一致,除0 GHz外,该传统过渡结构在低频段不会产生任何传输零点。

    通过以上的分析可知,通过引入ICL,使得在阻带的高端和低端分别产生一个传输零点。如图3所示,相对于文献[5]中没有加入ICL的过渡结构,文中提出的CPW-MS-CPW的选择性得到了极大的改善。但是,该滤波器的上阻带特性仍然不够理想,比如,其上阻带衰减达到20 dB的频率不超过15 GHz。

    为进一步改善滤波器的带外特性(如图6所示),在滤波器的输入输出端口的CPW槽下通过耦合方式加载4个短路枝节(CSS),以拓展其上阻带频率。此外,通过在CPW弯折槽下引入4个短路枝节,以便在上通带边缘产生一个传输零点,进而改善滤波器在高频段的选择性。如图6所示,文中提出的CSS可以等效成一个串联的LC谐振器。图7给出了CSS在不同参数下仿真得到的S21。显然,CSS能在高频段产生传输零点用于改善滤波器的带外特性,而对通带影响很小。并且其传输零点随着参数l0、w0、l1的减小而往高频段移动,但当减小参数w1时,零点向低频段移动。

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    滤波器参数示意图如图8,滤波器尺寸:w0=0.24 mm,s0=3.5 mm,lx0=0.8 mm,wx0=0.8 mm,d0=1.54 mm,ws0=0.8 mm,ls0=2.88 mm,wc1=0.43 mm,ws1=0.36,w3=0.2 mm,l3=0.96 mm,lc1=1.78 mm,d1=1.04 mm,ls1=2.57 mm,lc0=0.95 mm,lx1=0.8 mm,wx1=0.8 mm,wc0=0.96 mm,w1=0.25 mm,w2=0.1 mm,g=0.15 mm,l1=6.01 mm。

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2 滤波器的结果分析

    为验证文中提出的滤波器的性能,对本文设计的滤波器进行了加工和测试,实物如图9所示。图10给出了用矢网测得的滤波器S参数和群时延。显然,实测和仿真结果具有不错的一致性。

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    测试结果表明,该滤波器的相对带宽达到了123%(2.75~11.55 GHz)。整个超宽带内的回波损耗优于15 dB。在通带大多数频段(3~10.2 GHz)内的插入损耗不超过0.7 dB,其中在中心频率附近的最小插损低于0.4 dB。显然,由于该滤波器在通带的上下边缘各有一个传输零点,使得其具有陡峭的选择性,滤波器的选择因子S.F.(3 dB带宽/30 dB带宽)达到了0.86。同时该滤波器具有相对平坦的群时延,在整个超宽带内的群时延波动不超过0.15 ns。

    本文的滤波器和其他已经报道过的滤波器的性能对比如表1所示。显然,相较于一些已经出版过的类似CPW和微带混合结构的滤波器[4-9],文中提出的滤波器具有相对紧凑的尺寸(0.49 λg×0.47 λg,其中λg表示对应频率为6.85 GHz的导波波长),更宽的带宽以及更陡峭的选择性。相较于文献[5],由于文中引入了交指耦合线,使得滤波器的选择性得到极大的改善,其选择性是表1中最好的。此外,通过在CPW对应槽下加载耦合短路枝节,使得上阻带抑制超多20 dB的频率Fc达到了20 GHz,是表1中上阻带频率最大的。

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3 小结

    本文在CPW-微带线-CPW过渡结构的基础上,设计了一个超宽带滤波器。在微带的中心位置处引入交指耦合线,使得在通带下边缘产生一个传输零点,改善了滤波器的选择性(选择因子达0.86)。并且在CPW槽下加载耦合短路枝节,进一步改善了滤波器的选择性,并扩展了滤波器的上阻带频率。同时,实测结果表明该滤波器具有插损小(0.7 dB)、回波损耗好(大于15 dB)和阻带抑制性能好等优点,使得该滤波器能够很好地应用于超宽带无线系统中。

参考文献

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