基于箭头耦合线的紧凑型超宽带带通滤波器的设计和实现

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）36一种基于缺陷地结构的箭形耦合线的紧凑型超宽带带通滤波器蒂娜A.塞勒姆，阿什拉夫。S. Mohraa、黑果草A. 塞巴克湾a埃及电子研究所加拿大康考迪亚大学2014年3月12日在线提供摘要提出了一种新的基于箭头耦合线和U形槽缺陷接地结构的超宽带带通滤波器输入和输出馈电线连接到放置在基板的导体侧上的耦合线，而U形槽DGS从下面的接地侧蚀刻研究了U-DGS缝隙尺寸对滤波器工作带通的影响使用IE3D和HFSS仿真器对滤波器进行了仿真仿真结果与实验结果吻合较好实现过滤。该滤波器的工作通带扩展到UWB频率3.0© 2014制作和主办由Elsevier B.V.电子研究所（ERI）关键词：紧凑型;超宽带;带通滤波器;缺陷接地结构;耦合线;箭头1. 介绍具有工作频带（3.1 - 10.6GHz）的UWB技术对于局域网、定位和跟踪以及雷达系统是有吸引力的技术（联邦通信委员会，2002）。 它具有成本低、重量轻、数据传输速率高和功耗极低的特点。 UWB滤波器是许多RF微波应用中的重要元件，用于分离或组合不同频率（Hong和Lancaster，2001; Kuo和Shih，2002）。射频（RF）微波滤波器可以设计为集总元件或分布元件电路。滤波器可以以各种传输线结构实现，诸如波导、同轴线和微带。近年来材料和制造技术的进步促进了滤光片的快速与此同时，计算机辅助设计（CAD）工具（如全波电磁（EM）模拟器）的进步已经彻底改变了滤波器设计。基于微带结构的平面带通滤波器广泛用于各种RF微波和毫米波系统中，以在通带中传输能量并在一个或多个阻带中衰减能量实现*通讯作者。电子邮件地址：deenasalem3@ieee.org（D.A. Salem），amohra@eri.sci.eg（Ashraf.S. Mohra），tiger 52@yahoo.ca（A.Sebak）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.03.0012314-7172/© 2014由Elsevier B. V.制作和托管电子研究所（ERI）地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）3637−−Fig. 1. (a)具有规则耦合线和U形槽DGS的UWB-BPF。(b)模拟结果对于具有覆盖UWB范围的通带的带通滤波器，滤波器设计需要110%的分数带宽。在2003年，带宽从40%扩展到70%的带通滤波器（Saito等人，2003），这种滤波器被称为宽带通滤波器。覆盖整个UWB频率范围的带通滤波器通过在有损复合基板上制造导体线来实现（Saito等人， 2003年）。2004年，有人提出了一种带有短截线的环形谐振器，其带宽为86.6%（Ishida和Araki，2004）。在2005年，发表了几篇文章来实现UWB-BPF，其由诸如微带多模谐振器（MMR）和平行耦合线的不同结构构造（Zhu等人，2005年），或混合共面波导（CPW）多模谐振器（MMR）的基板材料的一侧和微带输入和输出的另一侧（王和朱，2005年）。此外，在衬底的一侧上的宽边耦合微带线和在另一侧上的开放端CPW（Li等人，2005），或者高通滤波器和低通滤波器的组合（Hsu等人，2005年）。最近，报道了更多讨论使用不同配置实现UWB-BPF的文章（Tang等人，2005; Sun和Zhu，2006; Shaman和Hong，2007; Chu和Tian，2010; Tahanian等人，2010; Hao和Hong，2011; Abbosh等人， 2011年）。本文提出了一种超宽带带通滤波器，它由位于衬底一侧的两个箭头形耦合微带线和位于衬底另一侧的改进的U形缺陷接地结构（DGS）组成。目前的设计是一个与文献中的其他设计相比，尺寸紧凑。该滤波器使用IE3D和HFSS仿真器进行了仿真仿真结果与实现的滤波器吻合较好滤波器工作通带覆盖3.0-9.5 GHz的频率范围2. 超宽带带通滤波器的设计与仿真设 计 开 始 于 基 板 材 料 的 顶 侧 上 的 常 规 耦 合 微 带 线 和 底 侧 中 的 U 形 槽 ， 图 1a 。 使 用 IE3D（http://www.zeland.com/）模拟器，获得的结果产生了通带特性（S 11<8 dB），图。 1 b. 两个抑制带（下和上）表现出良好的性能，下截止频率为2.8 GHz，上截止频率为9.6 GHz。 通过将U形槽DGS的臂向外倾斜，并将耦合线的形状改变为两个箭头，而不是常规形状，上截止频率扩展到11.8 GHz，下截止频率略有偏移，为3.0 GHz，图1。 二、然而，通带性能遭受低回波损耗（S 11<6 dB）。缺陷接地U形槽具有三个自由度;每个自由度对UWB-BPF性能具有不同的影响，并且将在以下部分中进行描述2.1. U形槽宽度图1示出了U形槽宽度（a）变化对滤波器性能的影响。3.第三章。 对分数带宽（FBW）和频率范围（S11<−10 dB）的影响与槽宽的关系见表1。很明显，38地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）36图二.用于箭头耦合线和整形U形槽DGS的UWB-BPF仿真。图三.不同U形槽宽度的滤波器性能（a）。地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）3639表1U形槽宽度的影响（a）。a（毫米）B.W（GHz）FBW极数第一个零点（GHz）第二个零点（GHz）0.15.95-7.3521.0512.8199.030.35.40-7.6534.4812.5689.9130.54.95-7.9546.5112.39210.500.74.55-8.4059.4612.26710.690.94.20-8.7069.7722.13910.801.13.95-8.9577.5222.09610.831.33.70-9.1584.8231.99610.911.53.50-9.3591.0531.92110.911.72.82-10.9117.831.92210.911.92.70-10.1115.631.79610.91见图4。滤波器S-针对不同U形槽间隙（g）的频率的参数。40地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）36−表2相对于U形槽间隙的变化（g）。g（mm）B.W（GHz）FBW极数第一个零点（GHz）第二个零点（GHz）0.13.1-8.997.3521.8210.390.33.2-9.598.5831.83910.800.53.4-9.898.0931.90311.100.73.5-10.399.2731.9911.720.93.5-10.8101.032.09612.571.13.7-10.797.2232.16712.911.33.8-11.198.2632.29913.581.53.9-11.799.6832.3714.451.73.9-11.898.9932.49914.58表3相对于U形槽高度（h）的变化。h（毫米）B.W（GHz）FBW极数第一个零点（GHz）第二个零点（GHz）2.54.6-7.345.3712.1411.502.94.3-7.656.5422.1211.183.33.9-8.067.7822.0210.953.73.8-10.292.4731.9710.784.13.9-9.886.1331.8910.584.53.2-9.296.3631.7910.404.93.0-8.696.5521.6910.155.12.9-8.797.5121.7710.185.32.8-8.297.1521.6710.01随着U形槽宽度的增加，FBW以及滤波器通带的极点数量增加随着槽宽的增加，阻带中的零点2.2. U形槽间隙图4中示出了U形槽的间隙g参数对滤波器性能的影响。FBW几乎是恒定的，但是随着间隙值的增加，通带的高边缘频率移动到更高的值，而低边缘频率几乎是恒定的，极点的数量也几乎是恒定的（3个极点）。随着U形槽间隙的增加，阻带中的零点移向更高的值，因此g的变化使通带从较低的频率移动到较高的频率。相对于时隙间隙（g）变化的分数带宽（FBW）和频率范围（S 11<10 dB）在表2中给出。2.3. U形槽高度U形槽高度（h）对滤波器性能的影响如图5所示。表3显示了（S11−10 dB）与U形槽高度（h）的FBW变化。 对于小高度（h = 2.5 mm），通带带宽较小，回波损耗低于（−10dB），滤波器在通带内只有一个极点。随着U形槽高度的增加，通带中的极点数量也会增加，通带中的回波损耗超过（−10dB）。3. UWB-BPF仿真在修改U缺陷接地结构槽（U-DGS）的尺寸、耦合线耦合长度和间隔、耦合线的馈线之后，带通滤波器的性能改变以覆盖UWB频率范围。所提出的滤波器的最终设计如图所示。 6，对于每个顶侧和底侧。使用IE3D软件包（http://www.zeland.com/）和HFSS软件包（http://www.ansoft.com/products/hf/hfss/）中的每一个的模拟结果在图中示出。7.第一次会议。 IE3D模拟器显示了工作通带地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）3641−图五.不同U形槽高度（h）下的滤波器性能。（其中S11 10 dB），而HFSS模拟器显示了从（3.5-9.1 GHz）延伸两个仿真器在频率的上下沿都显示出良好的抑制带4. UWB-BPF的群时延群延迟被定义为传输相位角相对于频率的变化率。所提出的UWB-BPF群延迟是从IE 3D仿真器中获得的，如图所示。8.第八条。 很明显，对于频带（3.5-9.5 GHz），群延迟的变化约为（1 GHz）。5. 制造和测量所设计的超宽带带通滤波器是在北京电子研究所微带实验室用MEMS工艺制作的实现所设计滤波器的基底为RT/Duriod（εr= 10.2，h= 0.635mm），42地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）36见图6。UWB-BPF尺寸用于上侧和下侧。见图7。给出了该超宽带带通滤波器的S参数仿真结果。(a)IE3D仿真(b)HFSS仿真地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）3643见图8。仿真了该带通滤波器的群时延。见图9。实现的超宽带带通滤波器的照片。见图10。所实现的UWB-BPF的测量S照片见图9。使用VNA Agilent ES 8719测量所实现的UWB-BPF的性能，并且在图1A和1B中示出。10和11号。从图10可以清楚地看出，滤波器的工作通带在UWB频率3.0-9.5 GHz上扩展。而图11表明，通带中的群延迟变化不超过0.5Ω。44地方检察Salem等人/电气系统与信息技术学报1（2014）36见图11。实现的UWB-BPF的测量群延迟。6. 结论提出了一种基于U形槽缺陷接地结构（DGS）和箭形耦合线的紧凑型超宽带通滤波器（UWB-BPF）输入和输出馈电线连接到衬底一侧上的耦合线，而U形槽DGS蚀刻在耦合线下方的衬底的另一侧中。对设计的不同变量进行了参数化分析，得到了优化尺寸。用IE3D和HFSS两种仿真软件对滤波器进行了仿真，仿真结果基本一致。最后，利用FPGA技术实现了所设计的滤波器，实测结果与仿真结果吻合较好。所测得的工作通带覆盖了UWB频段（3.0引用Abbosh，A.，Bialkowski，M.，Ibrahim，S.，2011. 采用宽边耦合微带共面波导的超宽带带通滤波器。 IETMicrowavesEscherichiaPropag.5（7），764-770。Chu，Q.- X.，田某-- K.，2010年9月。基于阶跃阻抗谐振器的超宽带带通滤波器设计。 IEEEMicrowaveWirelessComponentsLett. 20（9），501-503.联邦通信委员会，2002年4月。对委员会《关于超宽带传输系统的规则》第15条的修订，代表：ET-Docket98-153，FCC 02 -48。郝，Z- C.的方法，洪志美国，2011. 具有准椭圆函数响应的高选择性超宽带带通滤波器。IETMicrowavesEscherichiaPropag. 5（9），1103-1108。Hong，J.S.，兰开斯特，M. J.，2001年 用于RF/微波应用的微带滤波器。 约翰·威尔父子公司徐，C.，Hsu，F.，Kuo，J.，2005. 超宽带无线通信用微带带通滤波器。In：InternationalMicrowaveSymposium，LongBeach，CA，USA，June.石田，H.，Araki，K.，2004. 一种可调谐超宽带滤波器的设计。在：国际微波研讨会。美国德克萨斯州福特沃思，6月。郭，J.T.，Shih，E.，2002年10月/12月。三线微带结构宽带带通滤波器设计。 IEE Proc. Microwave pronnasPropag. 149（5/6），243-247。Li，K.，Kurita，D.，松井，T.，2005. 采用宽边耦合微带-共面波导结构的超宽带带通滤波器。In：InternationalMicrowaveSymposium，LongBeach，CA，USA，June.斋藤，A.，Harada，H.，Nishikata，A.，2003. 超宽带通信系统带通滤波器的研制。In：InternationalMicrowaveSymposium，Philadelphia，PA，USA，June.萨满，H.，洪，J.，2007年7月用于超宽带滤波器陷波实现的非对称平行耦合线。IEEE Microwave Wireless ComponentsLett. 17（7），516-518。孙，S.，Zhu，L.，中国科学院，2006年8月 用于超宽带带通滤波器的具有改进带外性能的电容端交指耦合线。IEEEMicrowaveWirelessComponentsLett. 16（8），440-442。Tahanian，E.，Chamaani，S.，Mirtaheri，S.A.，2010年9月。采用EBG的紧凑型超宽带带通滤波器。电子学。Lett. 46（19）.唐角，澳-地Tseng，C.，梁汉，你S2005年超宽带LTCC滤波器的研制在：IEEE国际会议上超宽带，苏黎世，瑞士，九月。王，H.，Zhu，L.，中国科学院，2005年，无v。 采用背靠背微带-共面波导过渡结构的超宽带带通滤波器。电子学。Lett. 41（24）.Zhu，L.，中国科学院，孙，S.，Menzel，W.，2005年，无v。采用多模谐振器的超宽带带通滤波器。 IEEE MicrowaveWirelessComponentsLett. 15（11），796-798。