具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設(shè)計

　1 引言
　　隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信息傳輸系統(tǒng)的要求越來越高。而超寬帶（UWB）技術(shù)以其成本低、功耗小、安全性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點成為目前國內(nèi)外通信領(lǐng)域的一個研究熱點。UWB技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末，一直到20世紀(jì)90年代主要應(yīng)用于軍事上的雷達(dá)和低截獲率的通信系統(tǒng)。近年來，隨著微電子器件技術(shù)和工藝的發(fā)展，UWB技術(shù)開始應(yīng)用在民用領(lǐng)域。2002年2月14日，超寬帶無線技術(shù)首次獲得了FCC的批準(zhǔn)用于民用通信中，以提高頻譜利用效率。2002年4月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)將3.1－10.6GHz的頻段分配給UWB使用。這使得UWB系統(tǒng)及其器件的研究越來越受到人們的關(guān)注。
　　作為UWB系統(tǒng)重要的器件，UWB濾波器被廣泛地研究與應(yīng)用。采用了低通濾波器加高通濾波器的方法來實現(xiàn)UWB帶通濾波器。介紹了一種微帶與共面波導(dǎo)的寬帶耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)UWB濾波器。提出了一種新穎的基于多模諧振器的UWB濾波器。這些UWB濾波器可以很有效地應(yīng)用于UWB無線通信系統(tǒng)中。然而，UWB技術(shù)的其中一個方案，直接序列超寬帶（DS-UWB）技術(shù)建議采用雙頻帶（3.1-5.15GHz和5.825-10.6GHz）。這就需要在5.8GHz左右形成一個陷波，以抑制其它窄帶系統(tǒng)的干擾。是在UWB濾波器的不同位置刻蝕分支線來實現(xiàn)的陷波特性的。通過加上多個開口諧振環(huán)（SRR）來產(chǎn)生多個陷波。
　　本文提出一種新的具有陷波特性的UWB帶通濾波器，由階梯阻抗低通濾波器、HMSIW高通濾波器以及集成在微帶與HMSIW過度段上的分支線實現(xiàn)，如圖1所示，其中陷波特性是由分支線產(chǎn)生。
　　
　　圖1 設(shè)計的UWB濾波器的俯視圖
　　2 設(shè)計與分析
　　2.1 低通濾波器的設(shè)計
　　微帶線階梯阻抗濾波器是一種基本的低通濾波器。一般地，在實現(xiàn)一個濾波器的過程中，高、低阻抗的微帶寬度分別保持不變。然而，如果用這種方法來實現(xiàn)一個上邊帶為10.6GHz的低通濾波器，階數(shù)將會很大。因此，為了設(shè)計寬帶且相對小尺寸的低通濾波器，人們提出了一些改進(jìn)方法。采用改變介質(zhì)的介電常數(shù)而保持高、低阻抗微帶的寬度不變的方法來實現(xiàn)阻抗變換。
　　這里，我們采用不同寬度的微帶組成階梯阻抗來實現(xiàn)寬帶的低通濾波器。采用Ansoft HFSS優(yōu)化設(shè)計了一個6階的階梯阻抗低通濾波器。
　　2.2 高通濾波器的設(shè)計
　　基片集成波導(dǎo)（SIW）中的場分布與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)中的場分布相似。因此，SIW具有傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的高通特性。同時SIW器件還繼承了矩形波導(dǎo)的高Q值、低插損、低輻射和較高的功率容量等優(yōu)點。此外，SIW器件具有矩形波導(dǎo)不具備的易與平面電路集成的優(yōu)點。作者基于SIW的高通特性設(shè)計并實現(xiàn)了性能良好的具有陷波特性的UWB濾波器。
　　近年來，半?；刹▽?dǎo)被廣泛研究與應(yīng)用，因為其不但繼承了SIW的優(yōu)點，還比SIW尺寸縮小了接近50%。因此，本文采用HMSIW的高通特性和階梯阻抗低通濾波器實現(xiàn)UWB濾波器，并用支線實現(xiàn)陷波特性。過渡帶的設(shè)計是非常重要的，設(shè)計不好會在HMSIW中引入高階模，從而降低有效信道帶寬。這里，我們設(shè)計了一個四階的梯形過渡，這個過渡的漸變邊緣近似滿足指數(shù)函數(shù)。
　　我們使用具有過渡帶的HMSIW來實現(xiàn)高通濾波器的另一個重要原因就是分支線可以集成在過渡帶上，下面將會詳細(xì)敘述。