MMR幫助UWB帶通濾波器優(yōu)化性能

　　由于矩形槽可以用來精確調(diào)諧諧振器頻率，因此在具有矩形槽的多模諧振器(MMR)基礎(chǔ)上實現(xiàn)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(jù)最初的報道，使用帶階躍阻抗結(jié)構(gòu)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。

　　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(nèi)插入損耗，反射損耗為8dB。建議的濾波器設(shè)計使用MMR技術(shù)后，將帶內(nèi)反射損耗提高到了10dB，帶內(nèi)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(shè)計，可實現(xiàn)超寬上截止頻帶性能。根據(jù)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(xiàn)出了令人滿意的性能水平，但對于UWB頻率范圍內(nèi)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(shù)來實現(xiàn)。

　　在改進的MMR UWB帶通濾波器設(shè)計中，前三個諧振模經(jīng)過構(gòu)建可以用來實現(xiàn)在整個通帶內(nèi)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(shè)計可以對當前設(shè)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(shè)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(jié)果可以看出。CAE仿真預測的所有參數(shù)(包括插損/反射損耗和群時延)，都在包括UWB通帶在內(nèi)的寬頻范圍內(nèi)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(xiàn)MMR中從側(cè)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(diào)整UWB通帶內(nèi)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(guān)鍵參數(shù)，單位是毫米。與參考文獻1和2中的MMR設(shè)計相反，這種UWB帶通濾波器使用的是平行耦合的雙線結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)平行耦合線相比，這種耦合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并提供了用于精確調(diào)整UWB濾波器中三個諧振器的新途徑。通過整合這些結(jié)構(gòu)，就可以完成具有良好通帶性能的UWB濾波器的設(shè)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(diào)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(nèi)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(diào)整。頻-散的變化與參數(shù)L、W和d的關(guān)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(shè)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(xiàn)，參數(shù)W在調(diào)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(diào)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(shè)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(diào)整確定后，就可以開始對UWB MMR帶通濾波器進行設(shè)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(shè)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(shù)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(wǎng)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(shù)證實，新設(shè)計的UWB濾波器在包括UWB通帶在內(nèi)的寬范圍頻率內(nèi)(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(jié)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(shù)據(jù)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(xiàn)了UWB微帶帶通濾波器設(shè)計。通過正確調(diào)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(jié)果非常接近。