2010年1月第34卷第1期安徽大学学报(自然科学版)
Journal of Anhui University Natural Science Edition
新型超宽带带通滤波器的综合与设计王道平，吴先良*况晓静(安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥230039)
JanuaIγ2010 Vol. 34 No. 1
摘要:在无线通信高速发展的今天，超宽带系统的研究具有广阔的应用前景和巨大的市场价值.论文主要对超宽带系统中的超宽带滤波器进行了深入的综合研究与设计，通过一种新型超宽带滤波器的综合方法来设计超宽带带通滤波器，并进行了实例仿真.设计的滤波器相对带宽超过110%，频带宽度在3.1 -10. 6 GHz之间.软件仿真和理论计算结果一致，并且实例仿真结果显示所设计的滤波器具有低插入损耗和较高的抑制度等优点.关键词:超宽带;阶跃阻抗谐振器(SIRs);带通滤波器中图分类号:0451文献标识码:A文章编号:1000-2162(2010)01 -0058 -05
Synthesis and design of a novel type of ultra斗再ridebandfilter WANG Dao-ping, WU Xian-1iang * , KUANG Xiao-jing (School of Electronic Science and Technology , Anhui University, Hefei 230039, China)
Abstract: Today, with the rapid development of wire1ess communications, the ultra-wideband system has wide app1ication prospect and huge market value. Here, a ultra-wideband filter of ultra-wideband system in an
in-depth comprehensive was studied and designed. A novel ultra-wideband bandpass filter was composed by multistage of stepped impedance resonators (SIRs). Its fractiona1 bandwidth was up to 110%. And the
passband was from 3.1 to 10.6 GHz. There was a good agreement between the new1y synthesis techniques and
the software simu1ation. The results of simu1ation exhibited good characteristics of 10w insertion 10ss, good
stopband as well. Key words: ultra-wideband; stepped impedance resonators( SIRs) ; bandpass filter
超宽带滤波器一直以来都倍受科学家们的青睐[1-4]文[5，6J采用基于传输线理论的平行调合阶跃阻抗线(SIRs)谐振器结构.论文利用简单的分步参数等效电路模型、传输级联T函数以及较为简单的切比雪夫原型来综合设计新型超宽带滤波器.由传输函数容易得到文章所设计的滤波器通带传输极点的个数N和滤波器阶数n的关系是N=3n +2.由Matlab软件仿真得出了理想的传输曲线，并通过方程组数值求解未知参数来确定滤波器各个部分的尺寸.采用阶跃阻抗谐振单元结构使得设计方法增加了额外的自由度及平行捐合线之间搞合槽的宽带，有利于降低滤波器尺寸加工难度.
收稿日期:2009-07 -06 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60671051);安徽省高校博士点基金资助项目(20060357004);安徽省教育厅重点基金资助项目(KJ2008A100)
作者简介:王道平(1983一)，男，安徽淮南人，安徽大学硕士研究生川吴先良(通讯作者)，安徽大学教授，博士生导师，E-mail: xlwu@ahu.edu.cn
引文格式:王道平，吴先良，况晓静.新型超宽带带通滤波器的综合与设计[JJ.安徽大学学报:自然科学版，2010，34(1) :58 -62. 第34卷H，，(θ) 安徽大学学报(自然科学版)G . T3"+1 (COS ß/cosθc) -T3" (cos ß/ cos. ß
c
)
sin ß 其中，G = cos ß/ cos ß c ( sin ß c + 1 ) ,ß c是在低端截止频率所对应的电长度.由此，得到SIR级数n和传输极点N之间的关系为N= 3n +2.由切比雪夫函数得出的滤波器传输特性曲线通过Matlab仿真，结果如图3所示.
(6 ) 60
切比雪夫转换函数g\
同
时的，口的豁然
切比雪夫转换函数11=1 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 0
白白之间同的，口的帮你
60 80 100 120 140 160 180 。角度/(0)图3n = 1 ，2的滤波器传输特性曲线The filter transßÚssion characteristic curve of n = 1.2 40 20 60 80 100 120 140 160 180 。角度/(0)40 20
Fig. 3
(7) (8) (9) (10)
-1 5~lt
1 •
-1 5~lt
1 •
UWB滤波器综合设计当SIRs级数n为奇数时，有|乓lFn|~jin+ISh+l+jin-IShml+…+jiJ+ji=s·(g3n+lsh+l+g3n-lshl+…+ g2i + gO)
当n为偶数时，有|S;lm|~jindh+2+jin产+…+fzi +!o = 8 • (g品3叫5t3r川+g川由等式两边系数对应相等，可以得到下面的方程nOdd:/; (Zllo ,Zlle ,ZII ,Z12 ,ZI3'…) =ε• gJßJ 1ι=1，3/2.(，，+1) , 凡en:}仅Zllo,ZlIe ,ZII ,Z12 ，Z凹，…)= 8. gi(ßJ 1 i=I，3J2'(川).基于上述理论，以n= 1为例，由等式(9)、(10)可得fO(Zllo,ZlIe,ZI2) = 8 • gO(θJ，
f2(ZlIo,Zlle.ZI2) =ε. g2
(ßJ ,
f4(Zllo,ZlIe.ZI2) = 8. g4(ßJ,
2
A =-ZlloZlle[Zllo(1+2ZllfZl2)+ZI2+Zll]
ZOZI2Z~1 f A+B +C
!-zoZJil,
Zo (ZI2 + ZII + Zllo) ZII + ZlIo Z71 一二----A-ziI ZOZoZl2'
上式中的函数为
A = zî认2Z71+ 3Z11 ZI2 + ZIIoZI2 + Z72 -Z~) , B = Z71 (3ZlloZ, + Z72 + ZIIZI2 + 4ZIIZIIJ ,
C = ZII (2ZlIoZ72 -Z~ZI2 -2z~ZII。一Z~ZII), (Zlle -Zllo) 2
其中的参数值为ZII go = 85~ + 85~ + 5c + 45; (1 + 2写)fiτ苔，g4 = 5
c
+4~， 61 5^ = tan8^. 且Zllo,ZII, ，Z12如图1所示，8c，8如(5)-(6)式定义.如果选择8= O. 33 ,!O =6.8 GHz，通带频率低端J，=3.2 GHz，可以推出θ=430，相应的电路参数和物理尺寸为Zllo=47.3 n,Zlle = 174. 9 n,zl2 =50.2.。由微带线计算公式可以算出平行相合SIRs相应尺寸.
王道平，等:新型超宽带带通滤波器的综合与设计第1期
滤波器的设计指标为通带范围3.1-10.6 GHz;通带波纹Ltt，=0.25 dB;截止频率J，=3.6 GHz，θc二450;5211 < = -30 dB@0.96-2 GHz.由上述滤波器综合理论，选取n=2，由准对称和非对称两种结构
进行实现.采用由8，= 10. 8 , tan ç = O. 002 ，厚度为1.499mm的Rogers板材，使用Ansoft公司的HFSS仿真软件进行仿真.(1)准对称结构超宽带滤波器尺寸为Wo= 1. 58 mm, W1 =0.16 mm, W2 = 1. 91 mm, W3 =0. 11 mm;
II =4.11 mm,l2 =7.3 mm,l3 =4.07 mm;dl =0.1 mm,d2
=0. 15 mm.
实例仿真3 。-10
-40 -50
-20 -30
号\目町，同时同恕的恻
12 10 4 6 8 频率/GHz2 -60 0
图4准对称结构UWB滤波器模型Fig. 4 UWB filter with the model of 图5HFSS仿真S参数曲线
Fig. 5 HFSS simulation of S parameter curves (2同阳才称结构设计的滤波器尺寸为Wo
= 1. 57 mm, W1 =0.16 mm, W2 =2.25 mm, W3 =3.02 mm,
W4 =0.5 mm;ll =4.11 mm,l2 =3.8 mm,l3 =3.31 mm,l4 =3.86 mm;dl =0.09 mm,d2 =0.15 mm;gl =
quasi-symmetric structures
。-10
-40 -20 -30
号\目町，同时间帮你
g2 =0. 1 mm. 12 图7HFSS仿真S参数曲线HFSS simulation of parameter curves 10 4 6 8 频率/GHz2
-50 0
图6非对称结构UWB滤波器模型图Fig. 6 UWB filter with the model of
Fig. 7 non-symmetrical structures
1吾论文研究了一种新颖的超宽带滤波器的综合方法，并且给出两个具体实例，理论计算和软件仿真结果一致，从而证明了这种综合方法的可行性.并且所设计的滤波器具有结构紧凑、具有较小的插入损耗和较高抑制度等特点.
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4