【学术论文】基于混合CPW和微带结构的超宽带滤波器
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。
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εr=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λg/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，fz3是由CPW到微带过渡产生的，fz0(0 GHz)和fz2是由ICL引入的。对于传输零点fz1，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，lx0=0.8 mm，wx0=0.8 mm，d0=1.54 mm，ws0=0.8 mm，ls0=2.88 mm，wc1=0.43 mm，ws1=0.36，w3=0.2 mm，l3=0.96 mm，lc1=1.78 mm，d1=1.04 mm，ls1=2.57 mm，lc0=0.95 mm，lx1=0.8 mm，wx1=0.8 mm，wc0=0.96 mm，w1=0.25 mm，w2=0.1 mm，g=0.15 mm，l1=6.01 mm。
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 λg×0.47 λg，其中λg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Fc达到了20 GHz，是表1中上阻带频率最大的。
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。