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ε_r=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λ_g/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。

    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，f_z3是由CPW到微带过渡产生的，f_z0(0 GHz)和f_z2是由ICL引入的。对于传输零点f_z1，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。

    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：

    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。

    滤波器参数示意图如图8，滤波器尺寸：w₀=0.24 mm，s₀=3.5 mm，l_x0=0.8 mm，w_x0=0.8 mm，d₀=1.54 mm，w_s0=0.8 mm，l_s0=2.88 mm，w_c1=0.43 mm，w_s1=0.36，w₃=0.2 mm，l₃=0.96 mm，l_c1=1.78 mm，d₁=1.04 mm，l_s1=2.57 mm，l_c0=0.95 mm，l_x1=0.8 mm，w_x1=0.8 mm，w_c0=0.96 mm，w₁=0.25 mm，w₂=0.1 mm，g=0.15 mm，l₁=6.01 mm。

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。

    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 λ_g×0.47 λ_g，其中λ_g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F_c达到了20 GHz，是表1中上阻带频率最大的。

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

[1] LIN L，YANG S，SUN S J，et al.Ultra-wideband bandpass filter using multistub-loaded ring resonator[J].Electron Lett.，2014，50(17)：1218-1220.

[2] LU X，WEI B，XU Z，et al.Superconducting ultra-wideband(UWB) bandpass filter design based on quintuple/quadruple/triple-Mode resonator[J].IEEE Trans.Microw.Theory.Tech.，2015，63(4)：1281-1293.

[3] 张友俊，秦家峰.一种中心枝节折叠的新型超宽带滤波器[J].压电与声光，2014，36(5)：720-726.

[4] HU H L，HUANG X D，CHENG C H.Ultra-wideband bandpass filter using CPW-to-microstrip coupling structure[J].Electron Lett.，2006，42(10)：586-587.

[5] WANG K，WONG S M，CHU Q X.A compact UWB CPW bandpass filter with short-ended H-shaped resonator and controllable notched band[J].Microw.Opt.Technol.Lett.，2013，55(7)：1577-1581.

[6] WANG H，ZHU L，MENZEL W.Ultra-wideband bandpass filter with hybrid microstrip/CPW structure[J].IEEE Microw.Wirel.Compon.Lett.，2005，15(12)：844-846.

[7] BAIK J W，LEE T H，KIM Y S.UWB bandpass filter using microstrip-to-CPW transition with broadband balun[J].IEEE Microw.Wirel.Compon.Lett.，2007，17(12)：846-848.

[8] GHAZALI A N，SAZID M，PAL S.Compact broadband balun-based UWB-BPF with minimum insertion loss and sharp selectivity [J].Electron Lett.，2015，51(15)：1174-1175.

[9] GHAZALI A N，SAZID M，PAL S.A miniaturized  microstrip-to-CPW transition based UWB-BPF with sharp roll-off and minimum insertion loss[J].Microw.Opt.Technol.Lett.，2016，58(2)：289-293.

[10] FALLAHZADEH S，TAYARANI M.A new microstrip UWB bandpass filter using defected microstrip structures[J].J.of Electromagn.Waves and Appl.，2010，24(7)：893-902.

[11] LIN H D，PENG H，XIA X L.A novel ultra-wideband bandpass filter using defected microstrip structures[J].IEICE Electronics Express，2016，13(7)：1-6. 

[12] 朱永忠，赵志远.一种曲折型缺陷地结构超宽带滤波器的设计[J].西安交通大学学报，2012，46(8)：100-105.