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摘 要：在现代无线通信高速发展的背景下，超宽带无线技术以其优异的性能成为了全世界的研究热点。超宽带滤波器是超宽带通信系统的重要组成部分，其性能将直接对整个系统产生重大影响。本文提出了一种基于微带/共面波导结构的超宽带带通滤波器，并通过嵌入λ/4开路支节实现了在5.8GHz处的陷波特性，可以有效地滤除WLAN信号。实测滤波器的结果与仿真结果基本一致，验证了设计的有效性。
關键词：超宽带 带通滤波器 共面波导 陷波
中图分类号：TN713 .5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（b）-0096-05
Design of Ultra Wideband Filter with Notch Characteristics
LI Yong1 MAO Dongxing2 CHENG Yong2 MAO Jinyan3
（1.Yun Micro Electronics Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230088 China;2.College of Electronic and Optical Engineering & College of Microelectronics，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing， Jiangsu Province， 210003 China ;3. Hangzhou Branch of China Mobile Group Zhejiang Co.，Ltd. ， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China）
Abstract： In the context of the rapid development of modern wireless communications， ultra wideband wireless technology has become a research hotspot in the world due to its excellent performance. The UWB filter is an important part of the UWB communication system， and its performance will directly have a significant impact on the entire system. This paper proposes an UWB filter based on a microstrip/coplanar waveguide structure， and realizes the notch characteristics at 5.8GHz by embedding λ/4 open-circuit branches， which can effectively filter WLAN signals. The results of the measured filter are basically consistent with the simulation results， verifying the effectiveness of the design.
Key Words： Ultra wideband （UWB）; Bandpass filter （BPF）; Coplanar-waveguide （CPW）; Notched band
1 引言
超宽带通信系统与现有无线通信系统的兼容性是整个UWB系统设计的关键[1]。比如，超宽带与WLAN系统在5.8GHz处共用一个窄带范围。理论上，超宽带系统应当可以很好的兼容其他无线通信系统，因为它的发射功率谱密度很低。但在实际通信系统应用中，这种兼容性还需要实验证明。
此外，UWB系统也存在带外干扰问题。当一个区域内有大量超宽带设备时，会产生大量的叠加干扰。来自其他无线通讯系统的信号，也会对超宽频系统造成带内干扰。超宽带设备很低的发射功率谱密度使其极易受到噪声和干扰的影响。其中，窄带无线系统引起的阻塞干扰是不容忽视的关键问题。这些干扰问题极大地限制了民用超宽带技术发展和应用。具有陷波特性的超宽带带通滤波器被设计用来滤除这些重叠频率。
具有陷波特性的滤波器也可用于构造双频带[2]或多频带滤波器[3]。国内外研究人员已经研制了多种带陷波特性的超宽带带通滤波器结构，其中，陷波特性的实现方法主要有：双模谐振器[4-7]、并联谐振器[8]、接λ/4开路支节[9]、双陷波带[10]、E型微带线结构[11]、以及新型材料[12]等，这些滤波器都能很好地在满足超宽带系统要求的基础上实现陷波特性。
2 陷波特性分析
根据微波网络理论，当微波电路连接到开路支节、短路枝节或纯电抗元件时，在特定频率会发生全反射，从而实现陷波特性。在连接多个长度不等的支节线的结构容易实现多陷波特性。
但由于纯电抗元件在实际中难以构造，通常设计λ/4开路支节或λ/2短路支节来实现陷波特性。不过，由于λ/2短路支节尺寸相对较大，需要打接地孔来实现短路，加工复杂，误差较大，所以实际工程中最常用λ/4开路支节。 本文通过设计λ/4开路支节实现陷波特性。陷波特性就是谐振，基本参数是支节的长度和谐振频率。确定需要滤除的频率f0后，波长由公式λ=c/f0求得，确定λ/4开路支节的长度。
3 具有陷波特性的超宽带滤波器设计
本文设计了一个嵌入式λ/4开路支节结构，实现了滤波器的陷波特性。结构如图1所示，其中黑色部分为金属。
图1中各参数值如下：L1=8.5mm，g=0.1mm。仿真结果如图2所示，本结构在5.8GHz处实现了陷波特性。通过改变L1的值得到仿真对比结果图3，可知当L1取值的減小，陷波中心频率增大，可知陷波频段的中心频率与开路支节长度成反比。另外，当w8=8.5mm时，约为0.30λg，略大于0.25λg的理论值。这种误差出现的原因可能是实际电路并非理想状态，存在损耗。因此本设计选择略大于四分之一波长的开路支节。由于陷波中心频率处的衰减只有7.6dB，效果较差。参照级联滤波器设计方法，在此设计中级联两个相同的λ/4开路支节，将此结构与UWB滤波器结合，得到图4所示的电路，L1=5.5mm。
仿真的S参数结果如图5所示。此滤波器在5.8GHz处出现陷波特性，-3dB带宽2.8～10.6GHz，通带内反射损耗大于10dB，插损小于1dB，群时延小于0.7ns。
加工此滤波器后得到实物，如图6所示。使用矢量网络分析仪测试，实测和仿真响应曲线如图7所示。
从图7（a）可以看出，测得与仿真的S参基本相符，陷波特性均出现在5.8GHz。此外，实测的-3dB低频截止频率为2.7GHz，与仿真的2.8GHz相比有轻微频偏。同时，2.7～5.5GHz频段具有良好的带内性能，插损小于1dB，反射损耗大于15dB。然而，在6.1～10.0GHz频段，性能变差，带内极点数与仿真结果相比发生变化，A处的两个极点变为3个，B处的两个极点变成了一个。这些误差可能是介质板材料不均匀，加工精度不够等原因造成的。此外，实测所得高频带外抑制性能优于仿真结果。10～14GHz频段实测带外抑制大于18dB，而仿真结果在12GHz处出现突变。
如图7（b）所示，群时延平坦，除陷波频段外，仿真与测试结果在通带内基本一致，均小于0.7ns，而群时延在陷波频段处，位置相同，符号相反，实测小于零，仿真大于零。
4 结论
综上所述，本文设计的超宽带滤波器在5.8GHz处具有陷波特性，中心频率f0为6.35GHz，通带范围2.7～10.0GHz，相对带宽为115%，实物尺寸为48mm×10mm，约为1.87λg×0.39λg。
本文主要优化了微带/共面波导超宽带滤波器的性能，设计的两款UWB滤波器群时延平坦。此外，通过设计T型缺陷地结构，增强了带外抑制性能，设计λ/4开路支节，使得此滤波器在5.8GHz处具有陷波特性，可有效滤除WLAN频段信号。
参考文献
[1] 郭香华，贾宝富，杨赤如.四分之一波长短截线超宽带滤波器的设计[J].微波学报，2008（S1）：153-156.
[2] P. Wen， Z. Ma， H. Liu， et al.， Dual-band filtering power divider using dual-resonance resonators with ultrawide stopband and good isolation [J].IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.， vol. 29， no. 2， pp. 101-103， Feb. 2019.
[3] J. Xu， H. Wan， J. Ding and Y. Zhu Miniaturised tri-band lowpass–bandpass filter using lumped-element structure [J].Electron. Lett.， vol. 55， no. 5， pp. 272-274， 2019.
[4] D Jhariya，AR Azad，A Mohan.Compact UWB bandpass filter with notched band using multiple-mode resonator.[C].Applied Electromagnetics Conference，2016：1-2.
[5] Wong SW， Deng F， Li ES. Single-/dual-band triple-mode cavity filters with wide tunable frequency range [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 1， Jan. 2019， pp. 96-100.
[6] Mahan A， Pourjafari SM， Tayarani M， Mahani MS. A novel compact dual-mode SIW filter with wide rejection band and selective response [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 3， Mar. 2019， pp. 573-7.
[7] Chu P， Wu K Balanced dual-mode SIW filter [J].Electron Lett， V. 55， No. 4， Feb 21. 2019， pp. 208-9.
[8] XY Zhang，YW Zhang，Q Xue.et al.CompactBand-Notched UWB Filter Using Parallel Resonators With a Dielectric Overlay [J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2013，23 （5）：252-254.
[9] X Li，X Ji.Novel Compact UWB Bandpass Filters Design With Cross-Coupling Between λ/4 Short-Circuited Stubs[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2014，24 （1） ：23-25.
[10] H Liu，Z Xu，B Wu，et al.Compact HMSIW UWB bandpass filter using DGS and EBGtechnology with two notched-band[J].International Workshop on Microwave & Millimeter Wave Circuits & System Technology，2013：225-228.
[11] Hammed R T，Syahkal D M.Multiple band rejection notches in miniaturized UWB fifth order filter using E-shape microstrip structures[C].2013 IEEE Radio and Wireless Symposium，20-23 Jan.2013：271-273.
[12] Ali A， Hu Zhi-Run.Metamaterial resonatorbased wave propagation notch for ultrawideband filteapplications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7： 210-212.
關键词：超宽带 带通滤波器 共面波导 陷波
中图分类号：TN713 .5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（b）-0096-05
Design of Ultra Wideband Filter with Notch Characteristics
LI Yong1 MAO Dongxing2 CHENG Yong2 MAO Jinyan3
（1.Yun Micro Electronics Co.， Ltd.， Hefei， Anhui Province， 230088 China;2.College of Electronic and Optical Engineering & College of Microelectronics，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing， Jiangsu Province， 210003 China ;3. Hangzhou Branch of China Mobile Group Zhejiang Co.，Ltd. ， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China）
Abstract： In the context of the rapid development of modern wireless communications， ultra wideband wireless technology has become a research hotspot in the world due to its excellent performance. The UWB filter is an important part of the UWB communication system， and its performance will directly have a significant impact on the entire system. This paper proposes an UWB filter based on a microstrip/coplanar waveguide structure， and realizes the notch characteristics at 5.8GHz by embedding λ/4 open-circuit branches， which can effectively filter WLAN signals. The results of the measured filter are basically consistent with the simulation results， verifying the effectiveness of the design.
Key Words： Ultra wideband （UWB）; Bandpass filter （BPF）; Coplanar-waveguide （CPW）; Notched band
1 引言
超宽带通信系统与现有无线通信系统的兼容性是整个UWB系统设计的关键[1]。比如，超宽带与WLAN系统在5.8GHz处共用一个窄带范围。理论上，超宽带系统应当可以很好的兼容其他无线通信系统，因为它的发射功率谱密度很低。但在实际通信系统应用中，这种兼容性还需要实验证明。
此外，UWB系统也存在带外干扰问题。当一个区域内有大量超宽带设备时，会产生大量的叠加干扰。来自其他无线通讯系统的信号，也会对超宽频系统造成带内干扰。超宽带设备很低的发射功率谱密度使其极易受到噪声和干扰的影响。其中，窄带无线系统引起的阻塞干扰是不容忽视的关键问题。这些干扰问题极大地限制了民用超宽带技术发展和应用。具有陷波特性的超宽带带通滤波器被设计用来滤除这些重叠频率。
具有陷波特性的滤波器也可用于构造双频带[2]或多频带滤波器[3]。国内外研究人员已经研制了多种带陷波特性的超宽带带通滤波器结构，其中，陷波特性的实现方法主要有：双模谐振器[4-7]、并联谐振器[8]、接λ/4开路支节[9]、双陷波带[10]、E型微带线结构[11]、以及新型材料[12]等，这些滤波器都能很好地在满足超宽带系统要求的基础上实现陷波特性。
2 陷波特性分析
根据微波网络理论，当微波电路连接到开路支节、短路枝节或纯电抗元件时，在特定频率会发生全反射，从而实现陷波特性。在连接多个长度不等的支节线的结构容易实现多陷波特性。
但由于纯电抗元件在实际中难以构造，通常设计λ/4开路支节或λ/2短路支节来实现陷波特性。不过，由于λ/2短路支节尺寸相对较大，需要打接地孔来实现短路，加工复杂，误差较大，所以实际工程中最常用λ/4开路支节。 本文通过设计λ/4开路支节实现陷波特性。陷波特性就是谐振，基本参数是支节的长度和谐振频率。确定需要滤除的频率f0后，波长由公式λ=c/f0求得，确定λ/4开路支节的长度。
3 具有陷波特性的超宽带滤波器设计
本文设计了一个嵌入式λ/4开路支节结构，实现了滤波器的陷波特性。结构如图1所示，其中黑色部分为金属。
图1中各参数值如下：L1=8.5mm，g=0.1mm。仿真结果如图2所示，本结构在5.8GHz处实现了陷波特性。通过改变L1的值得到仿真对比结果图3，可知当L1取值的減小，陷波中心频率增大，可知陷波频段的中心频率与开路支节长度成反比。另外，当w8=8.5mm时，约为0.30λg，略大于0.25λg的理论值。这种误差出现的原因可能是实际电路并非理想状态，存在损耗。因此本设计选择略大于四分之一波长的开路支节。由于陷波中心频率处的衰减只有7.6dB，效果较差。参照级联滤波器设计方法，在此设计中级联两个相同的λ/4开路支节，将此结构与UWB滤波器结合，得到图4所示的电路，L1=5.5mm。
仿真的S参数结果如图5所示。此滤波器在5.8GHz处出现陷波特性，-3dB带宽2.8～10.6GHz，通带内反射损耗大于10dB，插损小于1dB，群时延小于0.7ns。
加工此滤波器后得到实物，如图6所示。使用矢量网络分析仪测试，实测和仿真响应曲线如图7所示。
从图7（a）可以看出，测得与仿真的S参基本相符，陷波特性均出现在5.8GHz。此外，实测的-3dB低频截止频率为2.7GHz，与仿真的2.8GHz相比有轻微频偏。同时，2.7～5.5GHz频段具有良好的带内性能，插损小于1dB，反射损耗大于15dB。然而，在6.1～10.0GHz频段，性能变差，带内极点数与仿真结果相比发生变化，A处的两个极点变为3个，B处的两个极点变成了一个。这些误差可能是介质板材料不均匀，加工精度不够等原因造成的。此外，实测所得高频带外抑制性能优于仿真结果。10～14GHz频段实测带外抑制大于18dB，而仿真结果在12GHz处出现突变。
如图7（b）所示，群时延平坦，除陷波频段外，仿真与测试结果在通带内基本一致，均小于0.7ns，而群时延在陷波频段处，位置相同，符号相反，实测小于零，仿真大于零。
4 结论
综上所述，本文设计的超宽带滤波器在5.8GHz处具有陷波特性，中心频率f0为6.35GHz，通带范围2.7～10.0GHz，相对带宽为115%，实物尺寸为48mm×10mm，约为1.87λg×0.39λg。
本文主要优化了微带/共面波导超宽带滤波器的性能，设计的两款UWB滤波器群时延平坦。此外，通过设计T型缺陷地结构，增强了带外抑制性能，设计λ/4开路支节，使得此滤波器在5.8GHz处具有陷波特性，可有效滤除WLAN频段信号。
参考文献
[1] 郭香华，贾宝富，杨赤如.四分之一波长短截线超宽带滤波器的设计[J].微波学报，2008（S1）：153-156.
[2] P. Wen， Z. Ma， H. Liu， et al.， Dual-band filtering power divider using dual-resonance resonators with ultrawide stopband and good isolation [J].IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.， vol. 29， no. 2， pp. 101-103， Feb. 2019.
[3] J. Xu， H. Wan， J. Ding and Y. Zhu Miniaturised tri-band lowpass–bandpass filter using lumped-element structure [J].Electron. Lett.， vol. 55， no. 5， pp. 272-274， 2019.
[4] D Jhariya，AR Azad，A Mohan.Compact UWB bandpass filter with notched band using multiple-mode resonator.[C].Applied Electromagnetics Conference，2016：1-2.
[5] Wong SW， Deng F， Li ES. Single-/dual-band triple-mode cavity filters with wide tunable frequency range [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 1， Jan. 2019， pp. 96-100.
[6] Mahan A， Pourjafari SM， Tayarani M， Mahani MS. A novel compact dual-mode SIW filter with wide rejection band and selective response [J].Microw Opt Techn Let， V. 61， No. 3， Mar. 2019， pp. 573-7.
[7] Chu P， Wu K Balanced dual-mode SIW filter [J].Electron Lett， V. 55， No. 4， Feb 21. 2019， pp. 208-9.
[8] XY Zhang，YW Zhang，Q Xue.et al.CompactBand-Notched UWB Filter Using Parallel Resonators With a Dielectric Overlay [J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2013，23 （5）：252-254.
[9] X Li，X Ji.Novel Compact UWB Bandpass Filters Design With Cross-Coupling Between λ/4 Short-Circuited Stubs[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters，2014，24 （1） ：23-25.
[10] H Liu，Z Xu，B Wu，et al.Compact HMSIW UWB bandpass filter using DGS and EBGtechnology with two notched-band[J].International Workshop on Microwave & Millimeter Wave Circuits & System Technology，2013：225-228.
[11] Hammed R T，Syahkal D M.Multiple band rejection notches in miniaturized UWB fifth order filter using E-shape microstrip structures[C].2013 IEEE Radio and Wireless Symposium，20-23 Jan.2013：271-273.
[12] Ali A， Hu Zhi-Run.Metamaterial resonatorbased wave propagation notch for ultrawideband filteapplications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7： 210-212.