新型超宽带带通滤波器_图文

1、山西电子技术2009年第2期软件技术 收稿日期:2008-12-30作者简介:刘洁(19842,女,湖北孝感人,硕士研究生,研究方向:移动通信与射频技术。文章编号:167424578(2009022*新型超宽带带通滤波器刘洁(南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003摘要:提出了一种新型的短接环形多模谐振器,适合于构成超宽带带通滤波器。利用该多模谐振器的前三个谐振模式构成滤波器的整个通带,并提出通过改变多模谐振器阻抗比来控制该带通滤波器的相对带宽的方法。该结构具有易于级联的特性,通过级联可明显改善阻带特性。给出了一个单元以及三个单元级联后的滤波器结构以及通过仿真和实验获得的性能参数,

2、验证了所设计的新型超宽带带通滤波器的有效性。关键词:微带;超宽带;多模谐振器;级联中图分类号:TN713文献标识码:A0引言近年来,随着短距离无线接入、无线局域网技术的发展,基于3.110.6GHz 频谱范围的超宽带(UWB 无线通信系统,已经引起越来越多的重视1。超宽带带通滤波器的小型化、宽阻带、带外抑制好、插入损耗小的实验研究成为一大热点,并出现了大量不同的平面结构滤波器。其一是由L.H.Hsieh 提出在环形谐振器上连接两个可调短截线构成宽带滤波器,它能够实现49%的相对带宽,并具有体积小,低插入损耗,良好的带外衰减,等一系列优点2。不久,这种环形谐振器结构多次被用于制作超宽带滤波器件3

3、,4。另外一种结构是由低通滤波器和高通滤波器的级联5,需要分别设计两个滤波器,增加了设计复杂度。随着集成度的提高,在文献6中多模谐振器这一概念被首次提出,并广泛应用于超宽带器件中。由于这种滤波器具有结构简单及一系列好的性能,因此在文献7中基于多模谐振器的各种超宽带带通滤波器被设计出来。本文通过在微带线型环形谐振器上引入短路点的方式,构成短接环形多模谐振器。这种多模谐振器的前三个谐振频率构成了超宽带滤波器的通带,实现了3.110.6GHz 内良好的通带性能。通过调节上下支节阻抗比使得单个单元相对带宽能在83%130%范围内变化。本文还提出通过级联改进带外衰减的方法。经过实测,单个单元和三个单元测

4、量值与仿真值一致,显示出良好的特性,包括体积小,易于调节,低的插入损耗,良好的带外衰减特性等。1短接环形滤波器的研究和设计文献8中所提出的UWB 带通滤波器结构利用平行耦合线设计了一种短路岔线型滤波器,并实现了较宽的通带。文献中提出由于平行耦合特性所具有的局限性,单个单元能达到的最大带宽为111%,若要实现更大的带宽则需使用更大的介电常数和减小耦合线缝隙,这增大了工艺上的难度。因此如何进一步增加带通滤波器的相对带宽,减小通带内插入损耗,改善带外抑制度,成为本文的研究重点。本文所设计基于微带平面结构的短接环形超宽带滤波器结构如图1(a 所示,输入输出馈线处于同一直线上直接接于短接环形多模谐振器两

5、侧,两馈线所形成的分界线将多模谐振器分为上下两半环,阻抗分别为Z 1和Z 2,用R Z =Z 1/Z 2表示其阻抗比,将其中一个半环的中点处通过一个通孔接地。采用介电常数为r ,厚度为h 的介质基板,短接环形多模谐振器单元结构尺寸由L 1,L 2和L c 表示。图1短接环形超宽带滤波器为了便于数值理论分析,微带型短接环形多模谐振器单元结构可等效为图1(b 的微带结构模形,该模型由三段微带短截线级联组成。在一段阻抗为Z 1电长度为1的开路微带线两端分别级联一段相同阻抗(Z 2和电长度(2的短路微带线。根据转移矩阵级联公式,其转移矩阵可表示如下:VA I A =ABC D V B I B.(1A

6、BC D=11j Z 2tan 21cos 1j Z 1sin 1j sin 1Z 1cos 1101j Z 2tan 21.(2A =cos 1+Z 1sin 1Z 2tan 2.(3B =j Z 1sin 1.(4C =cos 1j Z 2tan 2+j sin 1Z 1+Z 1sin 1j Z 22tan 22+cos 1j Z 2tan 2.(5D =Z 1sin 1Z 2tan 2+cos 1.(6该短接环形多模谐振器的前三个谐振模式构成了超宽带滤波器的通带。在前三个谐振频率下,展开的短接环形谐振器的电长度L 分别为180°,360°,和270°。据文献

7、9的研究发现,这种短接环形谐振器相当于一个半波长阶跃阻抗谐振器。当保持1=22时,第一个和第三个谐振频率主要由R z 来决定,而第二个谐振频率即中心频率保持不变。因此选定带通滤波器的中心频率,通过调节R z 控制频带宽度,可实现符合不同要求的滤波器 。图2基于表1不同R z 下的S 参数响应仿真值表1不同R z 下滤波器3dB 相对带宽的变化,f z =5.3GHz ,Z 1=61.8Z 1(Z 2(R z3dB FBW Filter 161.894.30.66124.5%Filter 261.860.7 1.02117.0%Filter 361.830.52.0383.0%根据转移矩阵与散射

8、矩阵的转换公式,由公式(3-6即可得到滤波器的散射矩阵。我们选定滤波器中心频率为5.3GHz ,根据理论公式在图2中绘出不同R z 下的S 参数响应,基本参数如表1所示。可以看到仅通过调节R z ,3dB 相对带宽能够在83%124.5%的范围内变化,与此同时,第二个谐振频率几乎没有改变。2滤波器的制作和测量依据上述理论分析,我们制作了单个单元的超宽带带通滤波器对分析结果进行验证。该超宽带带通滤波器在相对介电常数r =2.2,厚度h =0.5mm 的介质基板上进行仿真实验,仿真软件为IE3D 。按图1所示微带结构滤波器,输入输出微带馈线带宽为1.5mm ,从而使输入/输出端口的特性阻抗为50,

9、L 1=4.6mm ,L 2=4.5mm ,L c =9.2mm ,Z 1=61.8,Z 2=94.3。图3左图为单级单元短接环形超宽带带通滤波器的实物照片。图4给出了单级滤波器S 参数测量值,为了便于比较,图中同时显示了S 参数的IE3D 仿真结果,可以看出,仿真结果和测量结果吻合较好。由图可以看出,该滤波器的3dB 带宽为2.32GHz 11.03GHz ,相对带宽为130%。在通带内最大插入损耗为0.54dB ,回波损耗均在-15.54dB 以下,带通滤波器在12.8GHz 13. 5GHz 范围内带外抑制度在-20dB 以下。由于本文提出的这种新型超宽带带通滤波器单元具有较好的级联效果

10、,我们将单元结构通过微带短截线直接串接级联。图3右图为三级短接环形多模谐振器级联所形成的滤波器实物照片。所采用的介质基板参数,短接环结构单元尺寸和输入输出馈线均与图3左图相同。级联三个单元的两段短微带线尺寸为:长为0.5mm ,宽为0.9mm 。图5给出三单元级联的超宽带滤波器S 参数的仿真值与测量值。由图可见3dB 的带宽为3.1GHz 10.3GHz ,中心频率为6.7GHz ,百分比带宽为107%。在整个通带内,回波损耗优于-16dB ,最大插入损耗为0.67dB 。在低频和高频的截止频率处带外抑制变得更加陡峭。带外抑制度在-20dB 以下的频带范围加宽为11.1GHz 15.6GHz

11、。3结束语本文采用短接环形谐振器结构设计出新型超宽带带通滤波器单元,调节方便,能实现大于130%的相对带宽,制作简单,尺寸小,并且通过直接级联形式显著改善带外衰减情况。实测结果表明该滤波器单元能获得优于-15.54dB 的回波损耗,小于0.54dB 的插入损耗,三级级联滤波器能明显提高带外抑制,具有极为广阔的应用前景。参考文献1Revision of Part 15of the commission s rules regard 2ing ultra 2wideband transmission systemsC.First note and Order ,Federal Communicat

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14、(UWBWireless Communi2 cationsJ.IEEE M T T2S Int Microw Symp Dig,2005: 679-682.6Zhu L,Menzel W.Compact Microstrip Bandpass Fil2ter with two Transmission Zeros Using Stub2tappedHalf2wavelength Line ResonatorJ.IEEE MicrowWireless Compon Lett,2003,13(1:16-18.7Zhu L,Sun S,Menzel W.Ultra2wideband(UWBBandp

15、ass Filters Using Multiple2mode ResonatorJ.IEEE Microw Wireless Compon Lett,2005,15(11: 796-798.8宫勋,王俊,王卫东.微带短路岔线型超宽带滤波器单元的分析与设计J.微滤学报,2008,24(3:71-73. 9Makimoto M,Yamashita S.Bandpass Filters UsingParallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resona2 torsJ.IEEE Trans.On Microwave Theory andTechnique

16、s,1980,28(12:1413-1417.A Novel U ltra2wideband(UWBB andpass FilterLiu Jie(College of Telecomm unication and I nf ormation,N anj ing Universit yof Posts&Telecomm unications,N anj ing J iangsu210003,ChinaAbstract:A bandpass filter(BPFis presented in the article based on a microstrip shorted ring m

17、ultiple2mode resonator (MMR,which is suitable for UWB filter designing.The first three resonant modes of the MMR could be used to achieve the whole UWB passband.And a method of f ractional bandwidth(FBWcontrolling by altering the impedance ratio is proposed. Moreover,this structure can be cascaded e

18、asily;therefore,sharp rejection and high rejection level could be easily obtained by the cascading of two or more MMRs without enlarging the circuit area significantly.The configuration and performance of the two filters with one and three cascaded MMRs are presented.Both of the results verify the v

19、alidity of the proposed BPF.K ey w ords:microstrip;ultra2wide band;multimode resonator;cascade(上接第48页回波信号的相关运算,从而得到目标距离信息。通过控制多路数字混沌序列产生器产生不同时延间隔的切比雪夫映射序列的数字信号,即可实现不同的距离分辨力。相关器组的输出经过滤波器可以得到目标的距离等信息,并送数据处理机进行数据处理。由于多路数字混沌序列产生器可以产生不同初始值x0的切比雪夫映射数字混沌序列,因此可以随时改变发射的混沌信号波形。3结论混沌信号因其随机性和良好的相关特性,是通讯或雷达应用的一种

20、理想的信号。采用文中所论述的方案能较好的解决了信号延迟、复现的问题。采用切比雪夫混沌序列调制的高斯脉冲序列超宽带信号具有优异的测距和ECCM性能。参考文献1Xiaoxiang Liu.Through the Wall Imaging Using Cha2otic Modulated Ultra Wideband Synthetic Aperture Ra2darJ.2007IEEE International Conference on Acous2 tics,Speech,and Signal Processing,2007:1257-1260.2Venkatasubramanian V.C

21、haos Based UWB ImagingRa2dar for Homeland SecurityJ.2004IEEE Conferenceon Cybernetics and Intelligent Systems(IEEE Cat.04EX912,2005,1:351-355.3朱丽莉,张永顺,王冲.混沌理论与雷达技术发展J.现代雷达,2007,29(1:16-19.4岳莉,王毓东,杨旭东.UWB系统中高斯脉冲信号特性的研究J.长春大学学报,2007,17(4:41-45.5王树平.超宽带系统的调制技术J.有线电视技术,2007,14(3:96-99.6雷国伟,舒强,游荣义.基于DSP的UWB信号混沌调制实现J.国外电子测量技术,2006,25(6:29-31.Application to G auss Pulse Sequence Signal of Ch aos Amplitude Modulation in R ad arJiang Liu2bing,Che Li(School of I nf ormation and Comm unication Engi neering,Gui