英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
一种采用微带阶跃阻抗四模谐振器的新型紧凑型超宽带带通滤波器
Peng Cai1, Zhewang Ma2，Xuehui Guan1, Yoshio Kobayashi2，Tetsuo Anada3 和Gen Hagiwara4
,
1上海大学通信与信息工程学院，上海200072
2埼玉大学电子电气系，埼玉县338-8570，电子邮件：ma@ees.saitama-u.ac.jp
3日本神奈川大学高科技研究中心 4Link Circuit Inc.，日本埼玉县。
摘要：本文开发了一种采用微带阶跃阻抗四模谐振器的新型紧凑型超宽带（UWB）带通滤波器（BPF）。通过控制谐振器的前四个模式的谐振频率，我们在滤波器的通带内得到四个传输极点。此外，通过增强谐振器和输入输出馈线之间的耦合，我们获得了两个额外的传输极点。因此，我们实现了一种超宽带带通滤波器，其通带中有六个传输极点，尽管只使用了一个谐振器。建立了基于z域中的网络分析和优化的设计方法，以确定滤波器的电路和几何参数。测量的滤波器滤波特性与理论预测吻合良好，满足联邦通信委员会的室内限制。
索引术语 - 超宽带，带通滤波器，多模谐振器，传输极点，z变换。
Ⅰ.介绍
具有宽通带，平坦群延迟和阻带中的尖锐衰减的微波滤波器是构建超宽带（UWB）通信系统的关键部件。自从联邦通信委员会（FCC）授权UWB应用的免许可频段为3.1-10.6GHz [7]后，已经报道了许多宽带带通滤波器（BPF）[1]-[6] 。在[1]-[3]中，提出了使用微带双模环或三角形路径谐振器的宽带滤波器，并且获得的通带宽度在20％和50％之间。然而，发现这些双模谐振器难以实现超过100％的带宽。在[4]-[6]中，提出了两模和三模谐振器，并且实现了具有3dB分数带宽约60％和100％的宽带滤波器。[4]-[6]的作者提供了对两模和三模谐振器的操作机制的物理解释。然而，他们未能开发出这种类型滤波器的系统设计方法。在[8]中，我们提出了一种使用多模谐振器的UWB滤波器的精确有效的综合理论，并通过开发基于微带3/4波长双模谐振器的三模超宽带带通滤波器进行了验证。
在本文中，我们提出了一种新型的紧凑型UWB带通滤波器，它采用微带阶跃阻抗四模谐振器。在推导出滤波器的传递函数并在z域中实现优化之后，我们开发了滤波器的设计方法，以有效地确定其电路和几何参数。为了避免滤波器制造中的严格精度要求，我们采用孔径增强耦合线来代替具有非常小的耦合间隙的并联耦合线。所制造的滤波器的测量频率响应与理论预测具有良好的一致性，并且很好地满足FCC的室内限制。
Ⅱ.超宽带滤波器的设计方法
图1显示了使用微带阶跃阻抗四模谐振器的UWB滤波器的配置。谐振器由五个四分之一波长微带线组成，具有高和低特性阻抗。它通过并联耦合线与外部馈线耦合。在以下设计中，使用相对介电常数为9.8且厚度为1.27mm的基板。
通过使用电磁（EM）模拟器，Sonnet em [9]，我们计算了图1所示谐振器的频率响应。我们发现通过适当选择三个低阻抗四分之一波长的阻抗微带线中，我们可以在3.l-10.6GHz的通带内分配谐振器的前四种谐振模式。
图1.使用微带阶跃阻抗四模谐振器配置UWB滤波器
频率（GHz）
图2.在谐振器和馈线之间具有不同耦合间隙S的四模式谐振器的模拟散射参数S21。
W0=1.24mm，W1= 0.24mm，W2= 3.0mm，W3= 5.82mm，L1= 4.35mm，L2 = 3.55mm，L3= 3.55mm。
图2展示出了这种谐振器的模拟散射参数S21 ，其在谐振器和输入/输出线之间具有三个不同的耦合间隙（S1= 1.2mm,0.5mm和0.06mm）。可以看出，在3.1-10.6GHz内，当谐振器和馈线之间的耦合较弱时（例如，当S1= 1.2,0.5时），存在由四个谐振模式产生的四个传输极点。然而，当通过将S1 减小到0.06mm来强制执行强耦合时，通带显着地变宽。实际上，在通带中实现了两个额外的传输极点，从本节末尾的滤波器的频率响应可以清楚地看出。
我们通过以下三个步骤[8]实现UWB滤波器的设计。首先，我们通过使用具有不同特性阻抗的理想传输线的级联部分来模拟图1中的滤波器，包括表示谐振器和输入/输出线之间的耦合部分的并联耦合传输线。经过一些繁琐的网络分析，我们发现滤波器可以实现切比雪夫滤波特性，其理想传递函数推导如下[8]
这里是通带纹波常数，theta;是级联传输线的电气长度，F（theta;）是由下式给出的特征函数
其中theta;c是滤波器的下截止频率处的电长度Tn（x）=cos（ncos-1x）是第一种度数n的切比雪夫函数。通过使用（1）进行z变换
我们得到了z域中滤波器的理想传递函数S（z）[8] [10] [11]。
接下来，我们推导出的并联耦合传输线波传输矩阵和z域中的单位元素（即电长度为0的传输线），并依次乘以这些矩阵，得到图1所示滤波器的每个传输线部分特征阻抗的传递函数T（z），包括并联耦合线的偶模和奇模特征阻抗[8] [10] [11]。
最后，通过使用优化算法[8] [10] [11]最小化理想传递函数S（z）和传递函数T（z）之间的差异，我们得到如图1所示滤波器的每个传输线部分的特征阻抗。
例如，我们设计了一个中心频率为6.85GHz的滤波器。等波纹分数带宽为 100%。这意味着在较低的截止频率下，滤波器的每个传输线部分的电长度为theta;c= 45°。（1）中的通带纹波常数ε选择为0.15。按照上述设计过程，我们得到图1中谐振器的三条低阻抗传输线的特征阻抗分别为30.9,19.5和30.9Ohm。并联耦合线的偶模和奇模特征阻抗分别为37.0和141.5欧姆。然后通过使用Sonnet em获得滤波器的几何尺寸，并在表1中给出，其中W0, W1，W2，W3表示图1中所示的每条传输线的宽度，L1，L2，L 3是它们的长度，S1 是谐振器和输入/输出馈线之间的间隙。
图3提供了所设计的超宽带滤波器的频率响应的比较。实线是根据滤波器的理想传递函数（1）计算的理论结果，虚线是滤波器在Sonnet em中微带形式的模拟响应。发现匹配效果非常好。
表1.图1所提出的UWB滤波器的尺寸
频率（GHz）
图3.比较UWB滤波器的频率响应。实线是根据滤波器的理想传递函数（I）计算的理论结果，虚线是通过使用电磁仿真模拟图1所示滤波器的响应。
在通带中，观察到六个传输极点，其中四个是由谐振器的前四个谐振模式产生的，其他的是由谐振器和输入/输出并联耦合线之间的强耦合控制的。
Ⅲ.优化和实验验证
如表1所示，图1中谐振器和输入/输出馈线之间的间隙S1 仅为0.06mm。这样小的尺寸对于滤波器的加工提出了更加严格的精度要求。为了减轻精度要求并降低制造成本，我们在上述滤波器设计中使用如图4（a）所示的孔径增强耦合来代替简单的平行耦合线。在一个很宽的频带中，孔径增强耦合线被设计成具有与平行耦合线几乎相同的频率，如图4（b）所示。这种设计是通过使用Sonnet em完成的，并且获得了图4（a）中孔径增强耦合线的尺寸：W1e= 0.29，S1e= 0.1，L1e= 4.4，W1a = 1.59，全部以毫米为单位。在图5中给出了并联耦合线和孔径增强耦合线的EM模拟频率响应的比较，并且在1-12GHz上发现了非常好的一致性。
在使用孔径增强耦合线替换滤波器中的平行耦合线后，修改后的UWB滤波器的尺寸如图6所示。将尺寸W2e，W3e，L2e和L3e, 分别调节为2.9mm，5.6mm，3.6mm和3.55mm。加工的UWB滤波器的照片在图7中给出，并且看到这个滤波器非常小。
使用Sonnet em模拟滤波器的频率响应，并使用网络分析仪HP85 10C进行测量。图8提供了滤波器的模拟（实线）和测量（虚线）特性的比较，并且在宽带测量上观察到了一致性。在通带内的大多数频率下，测得的滤波器插入损耗优于1dB，回波损耗大于12dB。
在图9中，绘制了FCC的室内限制，用于与上述UWB滤波器的模拟和测量频率响应进行比较。比较表明，在1-12 GHz频率范围内，FCC的室内限制在大多数频率下都得到满足。
图10显示了使用Sonnet em的滤波器的模拟群延迟。可以看出，在通带内，模拟群延迟小于0.7ns。
图4.（a）孔径增强耦合线。在基板的背面上形成Letimes;Wa的孔径。（b）平行耦合线。
频率（GHz）
图5.EM模拟并联耦合线及其等效孔径增强耦合线的频率响应
图6.使用微带阶跃阻抗四模谐振器和孔径增强耦合线的超宽带滤波器的配置。
L1etimes;W1a的两个孔形成在基板的背侧接地上。
图7.使用微带阶跃阻抗四模谐振器和孔径增强耦合线的超宽带滤波器的照片。
在基板的背侧接地上形成两个孔。
频率（GHz）
图8.图6中所示的UWB滤波器的模拟和测量频率响应的比较。
频率（GHz）
图9.将FCC的室内限制与图6的UWB滤波器的模拟和测量频率响应进行比较。
频率（GHz）
图10.如图6所示UWB滤波器的模拟群延迟。
Ⅳ.结论
本文提出了一种采用微带步进阻抗四模谐振器的新型超宽带带通滤波器，并实现了其设计方法。由于仅使用一个多模谐振器，因此滤波器尺寸紧凑且通带中的损耗低。在通带中获得六个传输极点，并且实现具有平坦群延迟的宽通带。通过用孔径增强耦合线替换滤波器中的平行耦合线，允许适当的制造精度来实现滤波器。在滤波器的理论响应和测量响应之间找到了一个很好的一致性。FCC的室内限制在很宽的频段内得到满足。
感谢
这项工作部分得到了日本教育，文化，体育，科学和技术部的高级研究中心项目的支持，部分得到了卡西欧科学促进基金会的支持。
引用
[1]J.C .Liu，P.C. Lu，C.H .Shie，C.S .Cheng和L. Yao，“用于微带带通滤波器应用的双模双环谐振器”，IEE Proc.Microwaves Antennas and propagaiion，vol.151，no.5，pp.430-434,2004。
[2]J.C. Liu，C.Y .Wu，M.H .Chiang和D. Soong，“改进的双模双环谐振器，带有用于UWB滤波器设计的径向短截线，”Mircow.Opt.Technol.Lett，vol.44，no.3，pp.219-221,2005。
[3]H.J. Chen，M.H. Weng，J.H. Homg，M.P. Houng和Y.H. Wang，“宽带和低损耗三角形贴片双模带通滤波器，采用准叉形凹头1/0，”Mircow.Opt.Technol.Lett，vol.43，no.2，pp.99-101,2004。
[4]L. Zhu，H.Bu和K. Wu，“用于创新设计超宽带微带带通滤波的孔径补偿技术”，IEEE MIT-S Int
.Microw.Symp.Dig，2000，pp.315-318。
[5]L. Zhu和H. Wang，“孔径背带微带线上的超宽带带通滤波器”，电子快报，vol.41，no.18，pp.1015-1016,2005。
[6]L. Zhu，S.Sun和W. Menzel，“使用多模谐振器的超宽带（UWB）带通滤波器”，IEEE 微波无线组件.Lett，vol.15，no.II，pp.796-798，2005年11月。
[7]美国联邦通信委员会，修订委员会关于超宽带传输系统的规则的第15部分，Tech.Rep，ET-Docket 98-153，FCC02-48，2002年4月。
[8]P. Cai，Z.Ma，X.Guan，Y.Kobayashi，T. Anada和G. Hagiwara，“使用3/4波长并联线路谐振器的新型超宽带带通滤波器的合成与实现”，2006年亚洲太平洋微波会议记录，vol.I，pp.159-162，WE3B-3，Dec.2006。
[
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[20158]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
