0 引言

    自美國聯邦通信委員會2002年將3.1～10.6 GHz頻段授權民用之后，超寬帶濾波器作為UWB系統中的關鍵器件，成為了研究熱點。近年來，國內外學者對UWB濾波器進行了大量研究，各種結構的濾波器也相繼提出。例如，多模諧振器就被廣泛用于各類超寬帶濾波器的設計中^[1-3]。文獻[1]提出了一種改進的多模諧振器，其能在帶外產生兩個傳輸零點，以改善濾波器選擇性。文獻[3]中，在微帶中心加載折疊的多模諧振器，使得該濾波器的帶外特性得到極大的改善。同時，由于共面波導(CPW)和微帶線的過渡結構能夠產生超寬帶效應，因此常用于帶通濾波器的設計中^[4-9]。但通常過渡結構在下阻帶沒有零點，因此其選擇性不好，且上阻帶也較窄。缺陷微帶^[10-11]以及缺陷地^[12]結構也常用來設計超寬帶濾波器。然而，缺陷結構由于在微帶或地平面進行刻蝕處理，會使得該種濾波器帶來信號完整性問題。

    本文在傳統CPW到微帶過渡結構的基礎上，將中心位置處的微帶用交指耦合線替換，以在濾波器上下阻帶各帶來一個傳輸零點，從而改善濾波器的選擇性。在濾波器CPW槽下加載8個微帶短路枝節，以拓展濾波器的上阻帶特性。最終，為驗證濾波器性能，對加工的濾波器進行了測試，且測試和仿真結果吻合較好。

1 UWB濾波器設計

    本文所提出的濾波器是設計在厚度為0.508 mm的Rogers RO 4350(介電常數ε_r=3.66)基板上。正面銅箔構成了CPW，反面銅箔充當微帶的帶線。本文提出了一種改進的CPW到微帶的過渡結構（CPW-MS-CPW），其基本結構如圖1所示。其中耦合線和CPW彎折枝節的長度約為中心頻率的λ_g/4。與文獻[5]中傳統的CPW到微帶的過渡結構不同，本文中將中心微帶用交指耦合線（ICL）代替。圖2給出了該過渡結構的低頻集總等效和J變換等效電路。其中，J變換網絡是CPW和微帶的過渡實現的，ICL可等效為非對稱平行耦合線。C₀表示交指耦合線的低頻等效電容，L₀和L₁分別表示CPW的中間導體和接地部分的等效電感。

    改進型和傳統的混合CPW和微帶結構的仿真S參數如圖3所示，加載了交指耦合線的過渡結構在帶外有4個傳輸零點。其中，f_z3是由CPW到微帶過渡產生的，f_z0(0 GHz)和f_z2是由ICL引入的。對于傳輸零點f_z1，其產生機理可由其低頻等效集總電路分析得出。文中提出的CPW-MS-CPW以及文獻[5]中的過渡結構的低頻集總等效電路的簡化電路分別如圖4(a)和圖5(a)所示。

    對于奇模激勵，由其奇模等效電路(如圖4(b))可得，其輸入阻抗如式(1)所示：

    顯然，同圖3中的電磁仿真結果一致，除0 GHz外，該傳統過渡結構在低頻段不會產生任何傳輸零點。

    通過以上的分析可知，通過引入ICL，使得在阻帶的高端和低端分別產生一個傳輸零點。如圖3所示，相對于文獻[5]中沒有加入ICL的過渡結構，文中提出的CPW-MS-CPW的選擇性得到了極大的改善。但是，該濾波器的上阻帶特性仍然不夠理想，比如，其上阻帶衰減達到20 dB的頻率不超過15 GHz。

    為進一步改善濾波器的帶外特性(如圖6所示)，在濾波器的輸入輸出端口的CPW槽下通過耦合方式加載4個短路枝節（CSS），以拓展其上阻帶頻率。此外，通過在CPW彎折槽下引入4個短路枝節，以便在上通帶邊緣產生一個傳輸零點，進而改善濾波器在高頻段的選擇性。如圖6所示，文中提出的CSS可以等效成一個串聯的LC諧振器。圖7給出了CSS在不同參數下仿真得到的S21。顯然，CSS能在高頻段產生傳輸零點用于改善濾波器的帶外特性，而對通帶影響很小。并且其傳輸零點隨著參數l₀、w₀、l₁的減小而往高頻段移動，但當減小參數w₁時，零點向低頻段移動。

    濾波器參數示意圖如圖8，濾波器尺寸：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 濾波器的結果分析

    為驗證文中提出的濾波器的性能，對本文設計的濾波器進行了加工和測試，實物如圖9所示。圖10給出了用矢網測得的濾波器S參數和群時延。顯然，實測和仿真結果具有不錯的一致性。

    測試結果表明，該濾波器的相對帶寬達到了123%(2.75～11.55 GHz)。整個超寬帶內的回波損耗優于15 dB。在通帶大多數頻段(3～10.2 GHz)內的插入損耗不超過0.7 dB，其中在中心頻率附近的最小插損低于0.4 dB。顯然，由于該濾波器在通帶的上下邊緣各有一個傳輸零點，使得其具有陡峭的選擇性，濾波器的選擇因子S.F.(3 dB帶寬/30 dB帶寬)達到了0.86。同時該濾波器具有相對平坦的群時延，在整個超寬帶內的群時延波動不超過0.15 ns。

    本文的濾波器和其他已經報道過的濾波器的性能對比如表1所示。顯然，相較于一些已經出版過的類似CPW和微帶混合結構的濾波器^[4-9]，文中提出的濾波器具有相對緊湊的尺寸(0.49 λ_g×0.47 λ_g，其中λ_g表示對應頻率為6.85 GHz的導波波長)，更寬的帶寬以及更陡峭的選擇性。相較于文獻[5]，由于文中引入了交指耦合線，使得濾波器的選擇性得到極大的改善，其選擇性是表1中最好的。此外，通過在CPW對應槽下加載耦合短路枝節，使得上阻帶抑制超多20 dB的頻率F_c達到了20 GHz，是表1中上阻帶頻率最大的。

3 小結

    本文在CPW-微帶線-CPW過渡結構的基礎上，設計了一個超寬帶濾波器。在微帶的中心位置處引入交指耦合線，使得在通帶下邊緣產生一個傳輸零點，改善了濾波器的選擇性（選擇因子達0.86）。并且在CPW槽下加載耦合短路枝節，進一步改善了濾波器的選擇性，并擴展了濾波器的上阻帶頻率。同時，實測結果表明該濾波器具有插損小(0.7 dB)、回波損耗好（大于15 dB）和阻帶抑制性能好等優點，使得該濾波器能夠很好地應用于超寬帶無線系統中。

參考文獻

[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] 張友俊，秦家峰.一種中心枝節折疊的新型超寬帶濾波器[J].壓電與聲光，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，趙志遠.一種曲折型缺陷地結構超寬帶濾波器的設計[J].西安交通大學學報，2012，46(8)：100-105.