看MMR如何帮助UWB带通滤波器优化性能

在3.1至10.6GHz超宽带（UWB）频率范围内的应用需要分数频率带宽较大的带通滤波器。美国联邦通信委员会（FCC）取消了中心频率为6.85GHz、分数带宽（FBW）约为110%的UWB应用，从而为低功耗的商业UWB应用打开了3.1到10.6GHz的大门。

由于矩形槽可以用来精确调谐谐振器频率，因此在具有矩形槽的多模谐振器（MMR）基础上实现的微带带通滤波器，可以达到反射损耗大于10dB、插入损耗小于1.5dB、群延迟变化小于0.3ns的通带性能。据最初的报道，使用带阶跃阻抗结构的MMR时，会将前三个谐振模作为覆盖整个UWB频率范围的带通滤波器的一部分。

在参考文献1中描述了一种采用背孔式微带线MMR的UWB滤波器，这种滤波器具有较低的带内插入损耗，反射损耗为8dB。建议的滤波器设计使用MMR技术后，将带内反射损耗提高到了10dB，带内插入损耗则降低至2dB。带两个短的开路分支的小型滤波器设计，可实现超宽上截止频带性能。根据参考文献3中的描述，这种滤波器测得的低端3dB截止频率为3.4GHz，高端为10.3GHz。即使所有上述UWB滤波器在宽UWB通带上表现出了令人满意的性能水平，但对于UWB频率范围内的反射损耗和插入损耗性能水平的要求总是在不断提高，而这种性能的提高可以利用改进的MMR技术来实现。

在改进的MMR UWB带通滤波器设计中，前三个谐振模经过构建可以用来实现在整个通带内都具有低反射损耗的5个传输极点。借助早期的MMR滤波器设计可以对当前设计作出修改，将前三个谐振模进行重新分配，使之靠近目标UWB通带的低端、中心和高端。

与此同时，输入/输出平行耦合的孤立区的耦合程度，在目前的MMR设计中有了很大的提高，从而显著提升了通带性能，这从计算机辅助工程（CAE）仿真和对原型滤波器的测量结果可以看出。CAE仿真预测的所有参数（包括插损/反射损耗和群时延），都在包括UWB通带在内的宽频范围内得到了实验证实。

建议的UWB滤波器由一个位于中心区域的不均匀MMR和分别位于左区与右区的两根相同耦合线组成。地线层上的背孔，不仅用于增强耦合线的耦合程度，而且用于实现MMR中从侧边到中心区域的特定阻抗比。众所周知，可以通过修改这三个区域的阻抗比或MMR的长度，来调整UWB通带内的频散特性。

图1显示了新的MMR微带带通滤波器的拓扑及其关键参数，单位是毫米。与参考文献1和2中的MMR设计相反，这种UWB带通滤波器使用的是平行耦合的双线结构。与传统平行耦合线相比，这种耦合结构有望增强输入/输出端口与MMR谐振器之间的耦合程度，从而增加UWB滤波器的S21幅度和通带宽度。此外，像图1所示那样在MMR中开槽，将形成一种新的结构，并提供了用于精确调整UWB滤波器中三个谐振器的新途径。通过整合这些结构，就可以完成具有良好通带性能的UWB滤波器的设计和表征。

图1：基于MMR的UWB带通滤波器的拓扑图。

MMR中的凹槽用于轻度调整频散和改进带通性能。通过改变凹槽的长度、宽度和位置，UWB通带（3.1到10.6GHz）内的前三个谐振频率将得到重新分配，从而获得更好的滤波器性能。图2（c）显示了图2（a）和图2（b）分别在带凹槽和不带凹槽的情况下频散的变化。图中清楚地表明，通过在MMR中开槽，3.1-10.6GHz中的三个谐振频率得到了轻度调整。频-散的变化与参数L、W和d的关系分别见图3（a）、3（b）和图3（c），其中L是凹槽的长度，W是凹槽的宽度，d是凹槽和MMR中心部分之间的距离，参见图1。图3给出了在固定d=0.3mm、W＝1.2mm以及L如图3（a）所示变化的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度，在固定d=0.13mm、L=13.6mm以及W如图3（b）所示变化的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度，和在固定L=13.6mm、W=1.2mm以及d如图3（c）所示变化的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度。

图2：图（c）比较了采用（a）带凹槽和（b）不带凹槽的MMR设计时的频散变化。

对比图3中的曲线我们可以明显地发现，参数W在调整三个谐振频率中发挥的作用要比L和d大。图3中的三种图形表明，MMR中的凹槽可以轻度调整频散并提高UWB通带滤波器性能，虽然频散的变化没有参考文献4中那么大。值得我们注意的是，在MMR中应用凹槽这种方式对其它滤波器设计也有用。

图3：这些图给出了MMR滤波器（a）在固定d=0.3mm、W＝1.2mm和改变L的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度、（b）在固定d=0.13mm、L=13.6mm和改变W的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度、（c）在固定L=13.6mm、W=1.2mm和改变d的弱耦合条件下仿真得到的S21幅度。

在对某些方面的轻度调整确定后，就可以开始对UWB MMR带通滤波器进行设计、仿真和测量。图4给出了所建议的UWB滤波器的顶部和底部视图。在设计中使用商用HFSS 11.0软件进行了仿真和优化。该UWB滤波器制造所用的基板的介电常数为2.2，厚度为0.787mm。滤波器性能采用安杰伦公司提供的型号为N5230A的矢量网络分析仪（VNA）进行测量。

图4：这两张图显示了基于MMR的UWB带通滤波器的顶部（a）和底部（b）。

图5对预测和测量的S21（插损）和S11（反射损耗）幅度的频率响应以及群延迟进行了比较。预测的S参数证实，新设计的UWB滤波器在包括UWB通带在内的宽范围频率内（3.9-10.7 GHz）具有较高的反射损耗（≥11dB）和较低的插入损耗（＜0.8dB＝。测量结果也表明了良好的反射损耗（≥10dB）和较低的插入损耗（≥1.5dB），其中包括滤波器中使用的SMA连接器损耗。测量得到的群延迟在0.15ns和0.45nm之间变化，最大变化量是0.3ns，这些数据表明建议的UWB滤波器具有良好的线性度。在通过14GHz的上截止频带中的衰耗≥20dB。

图5：这些图对UWB带通滤波器的（a）S21与S11以及（b）群时延的测量和仿真性能进行了比较。

总之，我们成功地采用具有双平行耦合线和矩形槽的均匀MMR实现了UWB微带带通滤波器设计。通过正确调整矩形槽的长度（L）、宽度（W）和位置（d），可以重新分配三个谐振频率，从而使UWB滤波器取得更好的通带性能，包括＜1.5dB的插入损耗和≥10dB的反射损耗，以及小于0.3ns的群延迟变化。测量得到的性能指标与仿真结果非常接近。

参考文献：

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.