基于多模谐振器的超宽带滤波器研究
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摘 要 随着4G无线通信技术发展，频谱资源日益变得重要，我们应该进行分析研究，力求可以提升它的有效利用。超宽带通信系统可缓解上述问题，超宽带滤波器作为通信系统的重要组成部分，担当着信号选择的重任，具有极宽的带宽、抑制谐波、结构小型化、性能稳定等优点，可实现高速数据传输，具有广阔的应用和发展前景。本文基于多模谐振器结构，对性能优异的高阻带超宽带滤波器进行了研究与设计。
【关键词】多模谐振结构 超宽带滤波器 通信系统
1 超宽带滤波器设计方法简介
目前国内外超宽带滤波器设计方法有多种，如滤波器级联方法、多模谐振器法、混合微带/共面波导法等。滤波器级联法是将高通滤波器和低通滤波器串联的设计，以此来实现超宽带特性，该方法的优势为简单的电路，直观方法，比较宽的阻带，但是它的尺寸较大，不利于小型化；基于微带/共面波导结构的超宽带滤波器制作工艺相对复杂，但其阻带特性也在一步一步进行优化；相比于其他超宽带滤波器技术，多模谐振器构成的超宽带滤波器，拥有紧凑的结构、低廉的价格、方便实现、可操作性强，国内外学者进行了广泛研究与使用。
2 基于多模谐振器的超宽带滤波器探析
近年来，Zhu Lei等人进行了有关超宽带滤波器的研究，并提出了基于多模谐振器的带阻超宽带滤波器的设计方法，任何一个谐振腔或者谐振器都有无穷多个极点。多模谐振器通带内极点的个数多于两个，它的设计主要是对谐振腔极点的位置进行了合理的设置。为了实现宽阻带滤波器的设计，让适当数目的极点位于滤波器的通带范围内，其它极点选择尽量的远离滤波器的通带。
2.1 SIR多模谐振器
多模谐振超宽带滤波器是由步进阻抗谐振器和耦合传输线，以及输入输出端口组成。根据FCC的规定，室内超宽带通信系统使用的频带为3.1GHz-10.6GHz。基于此，Zhu Lei等人考虑使用三模谐振器的超宽带滤波器。然后通过增强输入、输出和谐振器之间的耦合程度，可以得到具有五个传输极点的滤波器，并且它的通带可以覆盖3.1GHz-10.6GHz的频带范围。滤波器带宽达到了要求，但是其边带不够陡峭，离FCC室外辐射掩蔽的要求还有差距。为了改善滤波器边带特性，有效方法之一就是提高滤波器的级数。因此，Zhu Lei等人随后采用四模及四模以上的谐振器，为了降低通带内插入损耗，该方法选择让四个或更多谐振点落在超宽带内，这样做使频带内外性能均有较大改善。多模谐振结构既减小滤波器的尺寸，又增大了超宽带滤波器的相对带宽。根据观察特性仿真结果，发现FB大概可以增大到110%，从而使滤波器的性能变得更加优良。
多模谐振器通带内有多个谐振模式，半波长阶跃阻抗谐振器是最早应用于超宽带滤波器的。其原理是通过改变SIR阻抗比和电长度来控制基频和谐波位置，这样做的目的是让谐振器的前3个谐振点分布于整个超宽带内。然后又通过平行耦合线馈电，从而让超宽带带通特性变得平坦。SIR多模谐振器超宽带滤波器一般采用提高滤波器的级数来改善滤波器边带特性。研究表明，四个或更多谐振点落在超宽带内，这种方法不仅可以改善滤波器边带特性，也可以降低通带内的插入损耗。一个四模谐振器可以用一个三阶SIR实现。与两阶SIR谐振器相比，这种谐振器具有更多的可控参量使得谐振器的实现更为简单，调整范围更广。另一种四模谐振器是在原有的SIR上加载短路枝节，在通带内增加谐振点。同时利用短路枝节的四分之一波长谐振在滤波器的上下阻带各产生一个传输零点，改善了阻带特性。
2.2 开路半波长枝节加载谐振器
除了前文由SIR构成的多模谐振器外，另一种形式的多模谐振器为开路半波长枝节加载谐振器。为了使滤波器的输入输出耦合程度增强，电路体积小型化、可操作性得以改善，本文采用了短路枝节加载和交指耦合结构相结合的构成形式。第一、交指谐振结构有利于让滤波器具有极宽的带宽，方环形多模谐振结构使滤波器表面电流的流向可以改变，并且使滤波器具有抑制谐波、结构小型化、性能稳定等优点，可实现高速数据传输；第二、这种构成方式增加了输入输出端间的耦合程度，既减小高阻带滤波器插入损耗差，又使滤波器的通带特性得到改善，这种构成方式具有广阔的应用和发展前景。
2.3 带阻超宽带滤波器探析
目前，科研工作者研究带阻超宽带滤波器方法有嵌入开路及短路短截线法、非对称输入输出耦合结构法、耦合谐振器加载法等。首先，嵌入式开路及短路短截线法是一种最为常用的方法，它具有可操作性强、紧凑的结构、易嵌入电路等优点，使超宽带滤波器的带外特性得到了很好的改善，工程应用价值极高；其次，非对称输入输出耦合结构虽然具有耦合强度增强、体积小型化以及可改善滤波器的频率选择特性等方面的优点，但是由于难以控制谐波，所以它的发展与应用研究受到了限制；最后，耦合谐振器加载法是目前受关注较多的新方法，加载的耦合谐振器加载形式和形状多样，它具有良好的阻带特性，并且可应用于多层电路中，成为科研工作者研究带阻特性超宽带滤波器发展的新趋势。
3 总结
超宽带滤波器作为一种新型的微波器件，具有极宽的带宽，可实现高速数据传输，具有广阔的应用和发展前景.其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。基于多模谐振器构成的超宽带滤波器具有简单的结构、优良的带内带外特性，被国内外学者所热衷，目前为止已经广泛的研究与使用，是最适合实现超UWB特性的滤波器结构。
参考文献
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作者单位
河南理工大学 河南省焦作市 454000
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