UWB超宽带滤波器背景及设计方法

微波仿真论坛_现代滤波器设计讲座-超宽带

超带宽（UWB ：ultra wild band）的定义：（浅谈超宽带技术在未来的应用——谢晓峰）

超宽带滤波器主要是针对相对带宽，其主要方式利用冲击脉冲的频谱特性来实现宽带信息的传播。从定义上讲，FCC对超宽带系统的最新定义是：相对带宽（在-10dB点处）（fh-fl）/fc>20%(fh，fl，fc分别为带宽的高端频率传，低端频率和中心频率)或者总带宽BW>500Mhz。

(摘自百度文库ppt)

超宽带微波滤波器研究现状

——戚楠，李胜先

1989年，美国国防部首先提出了超宽带（UWB）技术并对它做了定义：发射信号的相对带宽为0.2，或者传输信号的绝对带宽至少为500 MHz，则该信号为超宽带信号。自2002年美国联邦通信委员会（FCC）批准无需许可证便可以使用3.1~10.6 GHz的超宽带通信频谱后，超宽带技术受到了学术界和工业界的极大关注。超宽带技术具有低功耗、高速率、保密性强等特点，早期主要应用于军事通信、军事脉冲雷达等方面[1]，近年来在民用雷达、成像、室内短距离通信、监视系统等领域也有广泛应用，欧盟、日本、新加坡等国也制定了各自的超宽带技术标准。在宇航方向，NASA约翰逊空间中心开展了超宽带综合通信、月球/火星漫游者系列超宽带定位系统、UWB?RFID等技术的研究，取得了很多成果[2]。目前对星载微波与激光链路混合通信系统的研究使微波光子技术在未来卫星通信中呈现出很大的优势与潜力，而光波段广阔的频谱几乎没有带

宽限制，不仅可提供THz大容量通信，而且电磁干扰小，重量轻，是超宽带概念的扩展，有着良好的发展前景[3]。

1 超宽带微波滤波器关键问题

和传统滤波器一样，超宽带滤波器用来去除带外信号及噪声，在某些UWB 系统接收端承担着天线与放大器之间的匹配作用。由于UWB系统的脉冲信号产生和消失时间非常短暂，一个符合FCC规范的超宽带滤波器必须要在110%的带宽内具有较小并平坦的群时延特性和较远的寄生通带。因为频带低端大部分已被其他通信系统占用，所以滤波器同时要对频带低端有良好的抑制。有一些超宽带滤波器还要考虑通带内其他通信系统，如GPS，3G，4G，X波段卫星通信的干扰。另外为了适应微波集成电路小型化的要求，滤波器要体积小，

结构紧凑，便于集成与互联。这些都对超宽带滤波器的设计与实现提出了很大的挑战。

超宽带(UWB)无线电技术在 2002 年以后得到了广泛的关注和深入的研究，其中 UWB 带通滤波器是 UWB 系统中关键的无源器件。UWB 带通滤波器的通带必须覆盖 3.1~10.6GHz，这是美国联邦通信委员会认定的商用 UWB 频率范围[1]。在整个UWB 频段范围内，由于已经存在各种窄带无线通信信号，而这些无线通信信号会严重干扰UWB 系统，例如，无限局域网系统(5.8GHz)。因此，为了保证 UWB 系统正常工作，迫切需要具有陷波特性的 UWB 带通滤波器。

2 超宽带滤波器设计方法（略）

统窄带滤波器带宽一般都在1%左右，其综合方法将滤波器参数都确定在中心频率附近，而且频率变换过程中进行了一些窄带近似，因而综合中所用到的计算公式只适合于精确设计窄带或者中等带宽的滤波器。如果用这些窄带滤波器的设计公式来设计超宽带滤波器将会造成很大的误差[4]。以往超宽带滤波器的设计多基于优化算法，设计结构主要采用微带线或耦合线，结构单一，计算量大，时间成本高，这就要求用新的思路来综合超宽带滤波器的设计。

2.1多模谐振器法

多模谐振器是指在通带内有多个谐振模式的谐振器。多模谐振器有很多种形式，如环型、阶梯型等，其中广泛应用于超宽带滤波器的是阶梯阻抗谐振器（Stepped Impedance Resonators，SIR）[8]。多模谐振器法的核心是将谐振器的前几个模式合理分布在通带内，以达到宽带响应。图3是最简单的单级对称结构SIR滤波器，采用奇偶模分析法构造滤波器传输函数，通过给定通带内反射零点的数目与位置后，确定各部分的阻抗参数[9]。

为克服单级结构的滤波器边带抑制不好的问题，级联形式的SIR超宽带滤波器也有很大的发展。级联形式的SIR滤波器将耦合线，各阻抗线的阻抗特性参数表示为滤波器的响应函数，优化出所需要的响应曲线[10]，得到各阻抗参数。带开路/短路枝节加载的SIR滤波器，通过调整加载枝节的长度来控制多模及传输零点的位置产生较宽的阻带[11]。为增强输入输出耦合，可以采用交指结构，有些加载结构还利用空气桥来抑制其他模式。由于SIR具有小型化，高次模式可控的优点，而且SIR的加载形式非常灵活，给设计带来极大的自由度，这使利用SIR结构逐渐成为设计超宽带滤波器的主流形式。（超宽带滤波器研究现状——戚楠）

（多模谐振器超宽带微带滤波器小型化研究与设计——刘严）

多模谐振方法是通过产生多个模式的谐振点，并在通带频率内均匀分布，通过平行耦合或交指耦合等不同的耦合方式形成波纹平坦的通带，从而实现超宽带带通滤波器。利用多模谐振的方法设计的超宽带滤波器可以产生多个谐振模式，不再需要多个谐振器级联，减少了谐振器的个数，从而减小滤波器的尺寸。这种方法有利于改善滤波器通带内外特性，还具有结构紧凑、容易加工的优点，可以轻松的满足超宽带全频带的要求。因此，是目前为止最适合设计小型化超宽带滤波器的设计方法。

利用多模谐振器设计超宽带滤波器有以下设计步骤：

(1)、根据设计指标要求，选定多模谐振器结构及各谐振频点。要设计一款3.1 GHz~10.6 GHz 的超宽带滤波器， FB=110%，多模谐振器的选取应满足以上要求，同时设定各个谐振频率，使各个谐振频点要均匀分布在整个通带内。为

满足带宽的需求，在此选择阶梯阻抗谐振器，接着要根据谐振器理论计算每个谐振频率，得到谐振器的初始尺寸。

(2)、选定耦合方式。耦合方式的选择也是十分重要的，若耦合结构选定的合适恰当，那么会大幅减小通带内插入损耗，同时会使通带内波纹更平坦。通常要想增强耦合强度可以通过缩小谐振器与耦合结构间的间距、增大耦合结构与谐振器之间的接触面积满足要求。考虑到制作工艺难以让谐振器与输入输出端无限接近，因此选用交指结构来减小带内插损，降低带内波动。根据经验，交指结构的尺寸通常选取为λ/4 (为波导波长)。

(3)、建模仿真。根据选定的多模谐振器和耦合结构，设定大概的尺寸，利用电磁仿真软件进行建模仿真，并根据性能指标进行优化，得到超宽带滤波器最终结构参数。需要注意的是，最初的设计参数一般不太符合设计要求，需要通过不断地调整尺寸，合理的设置参数变化范围，应用多种优化方式不断优化各个参数来满足设计目标，最终得出满足设计要求的滤波器。

以下一段摘自(多模谐振器超宽带微带滤波器小型化研究与设计__刘严) 本文实现超宽带滤波器实现小型化通过以下方法：(1)使用微带线作为原材料，相比同轴线、波导等材料，微带线具有重量轻、体积小等优点，是实现小型化的最佳的选择。(2)采用多模谐振器方法实现UWB 滤波器，这种方法可以产生多个谐振模式，可以有效地减少谐振器的个数，从而减小滤波器的尺寸。

(3)引入缺陷接地结构DGS。DGS 具有慢波效应及高阻带抑制特性，通过引入DGS 不仅可以增大耦合间距，满足制作工艺的需求，而且可以减小滤波器的尺寸，实现滤波器的小型化。(4)使用高介电常数介质基片。高介电常数所对应的波长较短，将超宽带滤波器建立在高介电常数介质基片上，不仅使得滤波器的尺寸大幅减小，有利于滤波器小型化，而且可以减少电磁向外界耗散，优化滤波器的设计。

以下摘自(无线通信领域超宽带滤波器的现状和发展趋势 _郑艺媛)

1)微带多模谐振器法，指在通带内运用有多个谐振模式谐振器的方法。多模谐振器有很多种形式，其中最早应用于超宽带滤波器的为半波长阶跃阻抗谐振器（SIR）[1]，如图 1 所示。其原理是利用 SIR 阻抗比和电长度来控制基频和谐波位置，使得谐振器的前3 个谐振点分布于整个超宽带内。再通过平行耦合线馈电，实现平坦的超宽带带通特性。此方法滤波器带宽达到了要求，但是边带不够陡峭，带外抑制比较低。

为了改善滤波器边带特性，有效方法之一是提高滤波器的级数。而采用四模及四模以上的谐振器[2]，使四个或更多谐振点落在超宽带内，可降低通带内插入损耗。总体而言，多模谐振器构成超宽带滤波器的方法相对简单，结构紧凑，但阻带内存在大量未被有效克服的无用谐波。

2）混合微带/共面波导法，微带与共面波导混合结构充分利用微带线上下两层空间，使电路更加紧凑。同时，微带与共面波导正对，两者间的电磁场耦合非常强，可方便实现所需要的强耦合。常见的混合结构是微带馈电共面波导谐振器超宽带滤波器[3]，结合多模滤波器设计方法，得到结构更紧凑的滤波器。而面对无用谐波，可通过在共面波导的中心导带上对称引入低通结构[4]（如图2 所示），滤除掉高频段无用谐波形成的寄生通带，既保证了3.1~10.6GHz 频段内良好的通带性能，同时又能有效实现展宽阻带的作用。

3）滤波器级联法，是实现超宽带的较为简单和有效的方法。通过把一个高通滤波器和一个低通滤波器串联，实现超宽带特性。这种方法实现的电路简单，方法比较直观，同时实现的滤波器阻带比较宽，但总体尺寸较大。

3 超宽带滤波器的实现方法（见滤波器研究现状—超宽带滤波器）