官雪輝，陳 鵬，劉海文，蔡 鵬

（1.華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌330013；2.江西財(cái)經(jīng)大學(xué)軟件與通信工程學(xué)院，江西南昌 330013）

隨著無(wú)線通信技術(shù)及無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，超寬帶（UWB）技術(shù)受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。超寬帶以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景和相當(dāng)巨大的市場(chǎng)價(jià)值。雖然美國(guó)軍方以及航空界對(duì)于開(kāi)放超寬帶頻段民用仍然存在著意見(jiàn)分歧，但是由于超寬帶技術(shù)潛在的誘人的應(yīng)用前景，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）于2002年2月批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用[l]。這為超寬帶技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)，促進(jìn)了超寬帶系統(tǒng)及其器件研究的進(jìn)展。由于超寬帶技術(shù)可適用的領(lǐng)域十分廣泛，為了便于管理，F(xiàn)CC將超產(chǎn)帶系統(tǒng)分為3類(lèi)：1成像系統(tǒng)，包括地面穿透雷達(dá)系統(tǒng)、墻壁成像系統(tǒng)、墻壁穿透成像系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)和醫(yī)療成像系統(tǒng)；2車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)；3室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)。對(duì)于不同的通信系統(tǒng)，F(xiàn)CC都劃分了不同的使用頻帶范圍。當(dāng)前，各大研究機(jī)構(gòu)最為關(guān)注的是室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值。根據(jù)FCC的規(guī)定，室內(nèi)超寬帶通信系統(tǒng)使用的頻帶為3.1 GHz～10.6 GHz。

作為射頻前端的關(guān)鍵器件之一，超寬帶濾波器性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。為了適應(yīng)微波集成電路小型化的要求，濾波器不僅要性能好，而且要體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成與互聯(lián)。超寬帶系統(tǒng)采用的是脈沖方式傳輸信息，由于脈沖信號(hào)產(chǎn)生和消失時(shí)間非常短暫，因此要求整個(gè)系統(tǒng)具有較小并平坦的群時(shí)延特性。作為超寬帶系統(tǒng)的一部分，濾波器也必須滿足此要求。射頻低端大部分已被使用于現(xiàn)代無(wú)線通信中，因此FCC對(duì)低頻端的使用有相當(dāng)嚴(yán)格的要求。這要求超寬帶系統(tǒng)對(duì)帶外，尤其是對(duì)低頻段有很好的抑制。這樣就需要一個(gè)高性能的超寬帶濾波器將帶寬嚴(yán)格限制在FCC規(guī)定的范圍內(nèi)。而多系統(tǒng)，多制式的無(wú)線通信模式也使得超寬帶系統(tǒng)必須面對(duì)更多，更復(fù)雜的問(wèn)題，如WLAN系統(tǒng)5.2 GHz以及5.8 GHz頻段均落在超寬帶頻帶內(nèi)。超寬帶濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮如何降低和避免與現(xiàn)有部分系統(tǒng)間的干擾。

1 超寬帶濾波器的國(guó)內(nèi)外研究概況

超寬帶技術(shù)的發(fā)展，促使新型超寬帶濾波器也必須不斷地誕生和發(fā)展。新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)使得超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)理論也不斷豐富和完善。

目前國(guó)內(nèi)外超寬帶濾波器設(shè)計(jì)的主要方法有：

1.1 微帶多模諧振器法

所謂多模諧振器是指在通帶內(nèi)有多個(gè)諧振模式的諧振器。多模諧振器有很多種形式，其中最早應(yīng)用于超寬帶濾波器的為半波長(zhǎng)階躍阻抗諧振器（SIR）[4]，如圖1所示。其原理是利用SIR阻抗比和電長(zhǎng)度來(lái)控制基頻和諧波位置，使得諧振器的前3個(gè)諧振點(diǎn)分布于整個(gè)超寬帶內(nèi)。然后通過(guò)平行耦合線饋電，實(shí)現(xiàn)平坦的超寬帶帶通特性。為了得到較強(qiáng)的耦合，平行耦合線寬與間距為0.05 mm，普通加工工藝實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。濾波器帶寬達(dá)到了要求，但是其邊帶不夠陡峭，離FCC室外輻射掩蔽的要求還有差距。

圖1 SIR多模諧振器超寬帶濾波器Fig.1 UWB BPF using SIR multiple-mode resonator

為了改善濾波器邊帶特性，有效方法之一就是提高濾波器的級(jí)數(shù)。而采用四模及四模以上的諧振器，使四個(gè)或更多諧振點(diǎn)落在超寬帶內(nèi)，可降低通帶內(nèi)插入損耗。一個(gè)四模諧振器可以用一個(gè)三階SIR實(shí)現(xiàn)。與兩階SIR諧振器相比，這種諧振器具有更多的可控參量使得諧振器的實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，調(diào)整范圍更廣。另一種四模諧振器是在原有的SIR上加載短路枝節(jié)，在通帶內(nèi)增加諧振點(diǎn)。同時(shí)利用短路枝節(jié)的四分之一波長(zhǎng)諧振在濾波器的上下阻帶各產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，改善了阻帶特性[6]。

除了SIR構(gòu)成的多模諧振器外，另一種形式的多模諧振器為開(kāi)路半波長(zhǎng)枝節(jié)加載諧振器。為了增強(qiáng)輸入輸出耦合，以及減小電路體積，文獻(xiàn)[9]采用了短路枝節(jié)加載以及交指耦合結(jié)構(gòu)。該方法實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器通帶內(nèi)波紋小，回波損耗很低[6]。由于利用多模諧振器構(gòu)成超寬帶濾波器的方法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單，而結(jié)構(gòu)又緊湊的方案，因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)這種方法進(jìn)行了研究與探索，并設(shè)計(jì)出了很多形式的濾波器[7-12]，但由于大多采用單個(gè)諧振器，濾波器的邊帶不夠陡峭。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)輸入/輸出與諧振器間的強(qiáng)耦合，需要兩者間的間隙寬度很小，對(duì)加工工藝要求苛刻。

1.2 混合微帶/共面波導(dǎo)法

微帶與共面波導(dǎo)混合結(jié)構(gòu)可充分利用微帶線上下兩層空間，使電路更加緊湊。同時(shí)，微帶與共面波導(dǎo)正對(duì)，兩者間的電磁場(chǎng)耦合非常強(qiáng)，可方便實(shí)現(xiàn)所需要的強(qiáng)耦合。常見(jiàn)的混合結(jié)構(gòu)是微帶饋電共面波導(dǎo)諧振器超寬帶濾波器[13]，如圖2所示。電路采用微帶饋線，同時(shí)引入了源負(fù)耦合，從而在上下阻帶產(chǎn)生了2個(gè)零點(diǎn)。傳輸零點(diǎn)使阻帶更加陡峭，基本滿足了FCC室外輻射掩蔽的要求。寬邊耦合結(jié)構(gòu)在通帶內(nèi)產(chǎn)生了3個(gè)極點(diǎn)，使得濾波器通帶內(nèi)反射損耗降低。濾波器通帶內(nèi)群延時(shí)特性也較為平穩(wěn)。另一種常用的混合結(jié)構(gòu)是共面波導(dǎo)饋電，微帶諧振器產(chǎn)生通帶[14]。共面波導(dǎo)的間隙寬度影響傳輸線特性阻抗，從而可用來(lái)改變耦合線的阻抗，來(lái)控制諧振器各諧振峰的位置。然而共面波導(dǎo)饋電很難實(shí)現(xiàn)源負(fù)耦合，從而阻帶特性不如微帶饋電的濾波器。微帶/共面波導(dǎo)混合結(jié)構(gòu)可以結(jié)合多模濾波器設(shè)計(jì)方法，可以得到結(jié)構(gòu)更緊湊的濾波器[13-17]。這種方法同多模諧振器一樣，都是采用單級(jí)諧振器，因此仍存在著阻帶特性不夠好的問(wèn)題。

1.3 濾波器級(jí)聯(lián)方法

濾波器級(jí)聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超寬帶的較為簡(jiǎn)單和有效的方法。通過(guò)把一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超寬帶特性。這種方法實(shí)現(xiàn)的電路簡(jiǎn)單，方法比較直觀，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的濾波器阻帶比較寬。但是由于電路中有2個(gè)濾波器，因此體積比較大，通帶內(nèi)的插入損耗很大[18-19]。圖3給出了一種高/低通濾波器級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器。2個(gè)濾波器直接串聯(lián)時(shí)，電路體積比較大。為了有效利用電路，文獻(xiàn)[18]把高通濾波器電路參差嵌入到低通濾波器中，使得電路尺寸大大減小。但是兩電路融合后之間的影響還有待進(jìn)一步研究。

圖2 微帶/共面波導(dǎo)混合結(jié)構(gòu)超寬帶濾波器Fig.2 Hybrid microstrip/coplanar waveguide UWB BPF

圖3 高通與低通濾波器串聯(lián)的超寬帶濾波器Fig.3 Cascaded high-/low-pass filters

1.4 超寬帶濾波器綜合理論

由于超寬帶濾波器的相對(duì)帶寬達(dá)到了110%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)濾波器綜合法適用范圍。因此探索新型超寬帶濾波器的綜合技術(shù)顯得尤為重要。單級(jí)耦合式多模超寬帶濾波器雖然方法簡(jiǎn)單易用，但是阻帶衰減遠(yuǎn)難以滿足FCC的規(guī)定。另外，耦合結(jié)構(gòu)式超寬帶濾波器的綜合中的耦合理論和模式理論也不夠成熟。傳輸線級(jí)聯(lián)式電路實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此基于這種結(jié)構(gòu)的Z域變換算法綜合理論應(yīng)運(yùn)而生[2，20-23]?；赯變換技術(shù)的綜合理論主要是利用網(wǎng)絡(luò)分析理論分析濾波器結(jié)構(gòu)，得到Z域的理想傳輸函數(shù)，并推導(dǎo)鏈形散射矩陣，運(yùn)算得到實(shí)際傳輸函數(shù)T（z），最后利用優(yōu)化算法得到各連接線以及短路線的特性阻抗[2]。如圖4（a）是一種三級(jí)超寬帶濾波器電路模型。圖4（b）為零點(diǎn)優(yōu)化后的濾波器頻率響應(yīng)。這種綜合方法設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器雖然阻帶特性很好，但是體積偏大，且只適用于開(kāi)路枝節(jié)并聯(lián)微帶電路。

圖4 三級(jí)超寬帶濾波器Fig.4 Three-poles UWB BPF

1.5 低溫共燒陶瓷（LTCC）以及液晶聚合物（LCP）技術(shù)

作為微波新興材料的代表，LTCC和LCP兩種材料無(wú)論是導(dǎo)熱性、Q值等物理特性，還是便于制作高密度的多層電路的結(jié)構(gòu)特性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的PCB板材[24-29]。LTCC電路可以充分利用立體空間，其設(shè)計(jì)思路與微帶線等平面結(jié)構(gòu)截然不同。圖5（a）為一個(gè)LTCC超寬帶濾波器3-D結(jié)構(gòu)圖。它由3層、4部分容性耦合帶線結(jié)構(gòu)組成，其中包擴(kuò)兩個(gè)四分之一波長(zhǎng)開(kāi)路T形諧振器以及一個(gè)四分之一波長(zhǎng)短路線和輸入輸出饋線[25]。利用半波長(zhǎng)短路輸入/輸出饋線在上下阻帶產(chǎn)生了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得阻帶滾降特性良好。圖5（b）為其仿真以及測(cè)試結(jié)果比較圖。整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)非常緊湊，且?guī)獾亩鄠€(gè)傳輸零點(diǎn)使得濾波器阻帶滾降特性非常好。

圖5LTCC超寬帶濾波器Fig.5LTCC UWB BPF

液晶高分子聚合物（Liquid Crystal Polymer，LCP）是80年代初期發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能工程塑料。由于其非常良好的物理學(xué)特性，奠定了工程塑料的代表地位，也是超越現(xiàn)有塑料材料界限的工程材料。由于其具有類(lèi)似于陶瓷片的高介電常數(shù)、高Q、良好的熱傳導(dǎo)性等優(yōu)良特性，基于這種材料的多層結(jié)構(gòu)電路是超寬帶濾波器最新研究熱點(diǎn)之一。多層微波電路設(shè)計(jì)通常采用分布參數(shù)法和集總參數(shù)法。文獻(xiàn)[25]中用分布參數(shù)法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新型橢圓函數(shù)特性超寬帶濾波器。集總參數(shù)法是通過(guò)集總參數(shù)電路模型來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)際的電路。圖6所示為一基于集總參數(shù)的超寬帶濾波器[26]。在微帶電路共有3層，2層基板。第1層基板為L(zhǎng)CP，第2層為PCB板。利用容性耦合貼片等效集總電路中的電容，高阻抗短截線實(shí)現(xiàn)集總參數(shù)電感。電路對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的接地電感由通孔接地實(shí)現(xiàn)。由于多層電路不僅體積小，而且具有高性能、便于集成等諸多優(yōu)勢(shì)，因此是未來(lái)無(wú)源電路的發(fā)展趨勢(shì)。

圖6 LCP超寬帶濾波器Fig.6LCP UWB PBF

2 具有陷波特性的超寬帶濾波器研究現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，隨著超寬帶通信的發(fā)展，其與現(xiàn)有通信系統(tǒng)特別是無(wú)線局域網(wǎng)間的干擾問(wèn)題越來(lái)越受到重視。因此，設(shè)計(jì)具有帶阻特性的超寬帶濾波器成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的最新研究熱點(diǎn)之一。

2.1 嵌入開(kāi)路短截線法

嵌入式開(kāi)路短截線由于其結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于各種微帶電路中。這種嵌入式開(kāi)路短截線電長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)[30-32]，該結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)在在饋線或者諧振器內(nèi)，充分利用了電路空間。圖7是一個(gè)混合微帶線基片集成波導(dǎo)（SIW）的超寬帶濾波器[30]。該濾波器采用的是高通濾波器與低通濾波器級(jí)聯(lián)的方法構(gòu)成的。電路的左邊部分是微帶低通濾波器，右邊是SIW高通濾波器部分。嵌入式短截線位于連接微帶和SIW的過(guò)渡線上。然而與其他方法相比，嵌入式開(kāi)路短截線產(chǎn)生的阻帶仍舊不夠陡峭。

圖7 嵌入式短截線產(chǎn)生阻帶超寬帶濾波器Fig.7 Notch-band UWB BPF using embed stud

2.2 非對(duì)稱(chēng)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)法

非對(duì)稱(chēng)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)一般在交指結(jié)構(gòu)中較為常用。這種結(jié)構(gòu)不但能增強(qiáng)諧振器與饋線間的耦合強(qiáng)度，還能產(chǎn)生可控的阻帶[33-35]。阻帶位置由交指線的電長(zhǎng)度差決定。圖8為基于圓片諧振器和非對(duì)稱(chēng)輸入輸出耦合饋線的超寬帶濾波器。非對(duì)稱(chēng)耦合線的長(zhǎng)度差控制阻帶位置分別為4.3 GHz和8 GHz分別為阻帶的基波和諧波。這種方法實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器阻帶不夠陡峭，且非對(duì)稱(chēng)輸入輸出耦合饋線結(jié)構(gòu)的諧波多，并且諧波難以控制，容易對(duì)其余通帶產(chǎn)生影響。因此適用范圍不廣。

2.3 耦合諧振器加載法

耦合加載諧振器的形式非常多，包括微帶諧振器和缺陷地結(jié)構(gòu)諧振器等。加載的諧振器形狀多樣，有環(huán)形，發(fā)夾形和螺旋形等[36-37]。圖9所示為SIR加載式具有帶阻特性的超寬帶濾波器[36]。這種加載方式可以實(shí)現(xiàn)較為陡峭的阻帶特性。但是由于諧振器處于電路外，會(huì)額外增加電路的體積。只有當(dāng)加載的諧振器與原濾波器電路諧振器最好是在不同層中，才可以有效利用電路空間，達(dá)到小型化的要求。

圖8 非對(duì)稱(chēng)輸入輸出耦合產(chǎn)生阻帶超寬帶濾波器Fig.8 Notch-band UWB BPF using asymmentrical input/output coupling

圖9 SIR加載產(chǎn)生阻帶超寬帶濾波器Fig.9 Nothc-band UWB BPF using extemal SIR

圖10所示是一個(gè)單裂環(huán)諧振器加載式超寬帶濾波器。該電路在微帶濾波器的接地面上加載缺陷地結(jié)構(gòu)諧振器，在超寬帶中產(chǎn)生一個(gè)阻帶。電路充分利用了微帶上下兩層結(jié)構(gòu)，外加諧振器并沒(méi)有增加原有電路的體積[37]。這種方法可以應(yīng)用于微帶以及SIW等很多種傳輸結(jié)構(gòu)中，加載形式和級(jí)數(shù)也靈活多變，因此是目前最受關(guān)注的新方法。

圖10 CSRR加載產(chǎn)生阻帶超寬帶濾波器Fig.10 Notch-band UWB BPF using CSRR

3 超寬帶濾波器的發(fā)展趨勢(shì)

目前對(duì)于單諧振器構(gòu)成的超寬帶濾波器的研究已經(jīng)趨于成熟。多個(gè)濾波器串聯(lián)構(gòu)成超寬帶濾波器的方法，由于其體積大，限制了其應(yīng)用范圍。采用參差電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可以大大降低濾波器體積，但是電路融合后的相互影響問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。多模諧振器構(gòu)成的超寬帶濾波器，由于結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉和實(shí)現(xiàn)方法多樣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的研究與使用。以Z變換技術(shù)為代表的超寬帶濾波器綜合技術(shù)為超寬帶濾波器的綜合理論發(fā)展提供了新思路，并將推動(dòng)超寬帶濾波器綜合理論的發(fā)展。多層結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器仍舊是有待探索的領(lǐng)域，特別是LTCC超寬帶濾波器，由于其體積小、Q值高和便于集成等優(yōu)異性能，越來(lái)越受到關(guān)注。有阻帶特性的超寬帶濾波器也將是超寬帶濾波器發(fā)展的主要方向。本文總結(jié)的3種方法中，嵌入式短截線由于其很容易嵌入到電路中，所以是一種最為常用的方法。而非對(duì)稱(chēng)輸入輸出饋線由于其只能適用于交指耦合結(jié)構(gòu)，而且諧波難以控制，所以其應(yīng)用受到了限制。而諧振器加載方法形式多樣，阻帶特性十分陡峭，并且可應(yīng)用于多層電路中，因此是帶阻特性超寬帶濾波器發(fā)展的新趨勢(shì)。隨著LTCC，LCP等新技術(shù)，新材料的不斷誕生，以及新方法，新需求的不斷出現(xiàn)，超寬帶濾波器的研究將更加廣泛和深入。而超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)也將是未來(lái)數(shù)字化家庭以及探地雷達(dá)等領(lǐng)域的主流系統(tǒng)，必將進(jìn)一步推動(dòng)超寬帶濾波器的理論和應(yīng)用研究。

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