在3.1至10.6GHz超寬帶（UWB）頻率范圍內的應用需要分數頻率帶寬較大的帶通濾波器。美國聯邦通信委員會（FCC）取消了中心頻率為6.85GHz、分數帶寬（FBW）約為110%的UWB應用，從而為低功耗的商業(yè)UWB應用打開了3.1到10.6GHz的大門。
由于矩形槽可以用來精確調諧諧振器頻率，因此在具有矩形槽的多模諧振器（MMR）基礎上實現的微帶帶通濾波器，可以達到反射損耗大于10dB、插入損耗小于1.5dB、群延遲變化小于0.3ns的通帶性能。據最初的報道，使用帶階躍阻抗結構的MMR時，會將前三個諧振模作為覆蓋整個UWB頻率范圍的帶通濾波器的一部分。
在參考文獻1中描述了一種采用背孔式微帶線MMR的UWB濾波器，這種濾波器具有較低的帶內插入損耗，反射損耗為8dB。建議的濾波器設計使用MMR技術后，將帶內反射損耗提高到了10dB，帶內插入損耗則降低至2dB。帶兩個短的開路分支的小型濾波器設計，可實現超寬上截止頻帶性能。根據參考文獻3中的描述，這種濾波器測得的低端3dB截止頻率為3.4GHz，高端為10.3GHz。即使所有上述UWB濾波器在寬UWB通帶上表現出了令人滿意的性能水平，但對于UWB頻率范圍內的反射損耗和插入損耗性能水平的要求總是在不斷提高，而這種性能的提高可以利用改進的MMR技術來實現。
在改進的MMR UWB帶通濾波器設計中，前三個諧振模經過構建可以用來實現在整個通帶內都具有低反射損耗的5個傳輸極點。借助早期的MMR濾波器設計可以對當前設計作出修改，將前三個諧振模進行重新分配，使之靠近目標UWB通帶的低端、中心和高端。
與此同時，輸入/輸出平行耦合的孤立區(qū)的耦合程度，在目前的MMR設計中有了很大的提高，從而顯著提升了通帶性能，這從計算機輔助工程（CAE）仿真和對原型濾波器的測量結果可以看出。CAE仿真預測的所有參數（包括插損/反射損耗和群時延），都在包括UWB通帶在內的寬頻范圍內得到了實驗證實。
建議的UWB濾波器由一個位于中心區(qū)域的不均勻MMR和分別位于左區(qū)與右區(qū)的兩根相同耦合線組成。地線層上的背孔，不僅用于增強耦合線的耦合程度，而且用于實現MMR中從側邊到中心區(qū)域的特定阻抗比。眾所周知，可以通過修改這三個區(qū)域的阻抗比或MMR的長度，來調整UWB通帶內的頻散特性。
圖1顯示了新的MMR微帶帶通濾波器的拓撲及其關鍵參數，單位是毫米。與參考文獻1和2中的MMR設計相反，這種UWB帶通濾波器使用的是平行耦合的雙線結構。與傳統(tǒng)平行耦合線相比，這種耦合結構有望增強輸入/輸出端口與MMR諧振器之間的耦合程度，從而增加UWB濾波器的S21幅度和通帶寬度。此外，像圖1所示那樣在MMR中開槽，將形成一種新的結構，并提供了用于精確調整UWB濾波器中三個諧振器的新途徑。通過整合這些結構，就可以完成具有良好通帶性能的UWB濾波器的設計和表征。
圖1：基于MMR的UWB帶通濾波器的拓撲圖。
MMR中的凹槽用于輕度調整頻散和改進帶通性能。通過改變凹槽的長度、寬度和位置，UWB通帶（3.1到10.6GHz）內的前三個諧振頻率將得到重新分配，從而獲得更好的濾波器性能。圖2（c）顯示了圖2（a）和圖2（b）分別在帶凹槽和不帶凹槽的情況下頻散的變化。圖中清楚地表明，通過在MMR中開槽，3.1-10.6GHz中的三個諧振頻率得到了輕度調整。頻-散的變化與參數L、W和d的關系分別見圖3（a）、3（b）和圖3（c），其中L是凹槽的長度，W是凹槽的寬度，d是凹槽和MMR中心部分之間的距離，參見圖1。圖3給出了在固定d=0.3mm、W＝1.2mm以及L如圖3（a）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度，在固定d=0.13mm、L=13.6mm以及W如圖3（b）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度，和在固定L=13.6mm、W=1.2mm以及d如圖3（c）所示變化的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度。
圖2：圖（c）比較了采用（a）帶凹槽和（b）不帶凹槽的MMR設計時的頻散變化。
對比圖3中的曲線我們可以明顯地發(fā)現，參數W在調整三個諧振頻率中發(fā)揮的作用要比L和d大。圖3中的三種圖形表明，MMR中的凹槽可以輕度調整頻散并提高UWB通帶濾波器性能，雖然頻散的變化沒有參考文獻4中那么大。值得我們注意的是，在MMR中應用凹槽這種方式對其它濾波器設計也有用。
圖3：這些圖給出了MMR濾波器（a）在固定d=0.3mm、W＝1.2mm和改變L的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度、（b）在固定d=0.13mm、L=13.6mm和改變W的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度、（c）在固定L=13.6mm、W=1.2mm和改變d的弱耦合條件下仿真得到的S21幅度。
在對某些方面的輕度調整確定后，就可以開始對UWB MMR帶通濾波器進行設計、仿真和測量。圖4給出了所建議的UWB濾波器的頂部和底部視圖。在設計中使用商用HFSS 11.0軟件進行了仿真和優(yōu)化。該UWB濾波器制造所用的基板的介電常數為2.2，厚度為0.787mm。濾波器性能采用安杰倫公司提供的型號為N5230A的矢量網絡分析儀（VNA）進行測量。
圖4：這兩張圖顯示了基于MMR的UWB帶通濾波器的頂部（a）和底部（b）。
圖5對預測和測量的S21（插損）和S11（反射損耗）幅度的頻率響應以及群延遲進行了比較。預測的S參數證實，新設計的UWB濾波器在包括UWB通帶在內的寬范圍頻率內（3.9-10.7 GHz）具有較高的反射損耗（≥11dB）和較低的插入損耗（＜0.8dB＝。測量結果也表明了良好的反射損耗（≥10dB）和較低的插入損耗（≥1.5dB），其中包括濾波器中使用的SMA連接器損耗。測量得到的群延遲在0.15ns和0.45nm之間變化，最大變化量是0.3ns，這些數據表明建議的UWB濾波器具有良好的線性度。在通過14GHz的上截止頻帶中的衰耗≥20dB。
圖5：這些圖對UWB帶通濾波器的（a）S21與S11以及（b）群時延的測量和仿真性能進行了比較。
總之，我們成功地采用具有雙平行耦合線和矩形槽的均勻MMR實現了UWB微帶帶通濾波器設計。通過正確調整矩形槽的長度（L）、寬度（W）和位置（d），可以重新分配三個諧振頻率，從而使UWB濾波器取得更好的通帶性能，包括＜1.5dB的插入損耗和≥10dB的反射損耗，以及小于0.3ns的群延遲變化。測量得到的性能指標與仿真結果非常接近。
參考文獻：
1. H. Wang and L. Zhu， “Aperture-Backed Microstrip Line Multiple-Mode Resonator for Design of a Novel UWB Bandpass Filter，” 2005 Asia-Pacific Microwave Conference， Vol. 4， 2005.
2. L. Zhu and S. Sun， “Ultra-Wideband （UWB） Bandpass Filters Using Multiple-Mode Resonator，” IEEE Microwave and Wireless Components Letters， Vol. 15， No. 11， November 2005， pp. 796-798.
3. S. W. Wong and L. Zhu， “Miniaturization of Triple-Mode UWB Bandpass Filters with Extended Upper-Stopband，” 2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series （IMWS） on Art of Miniaturizing RF and Microwave Passive Components， December 2008， pp. 102-105.
4. S. Sun and L. Zhu， “Multiple-Resonator-Based Bandpass Filters，” IEEE Microwave Magazine， Vol. 10， No.2， April 2009， pp. 88-98.
作者：W.CHENG， X.H.WANG， Y.TUO， Y.F.BAI， X.W.SHI
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