自美國聯邦通信委員會2002年將3.1～10.6 GHz頻段授權民用之后，超寬帶濾波器作為UWB系統中的關鍵器件，成為了研究熱點。近年來，國內外學者對UWB濾波器進行了大量研究，各種結構的濾波器也相繼提出。例如，多模諧振器就被廣泛用于各類超寬帶濾波器的設計中[1-3]。文獻[1]提出了一種改進的多模諧振器，其能在帶外產生兩個傳輸零點，以改善濾波器選擇性。文獻[3]中，在微帶中心加載折疊的多模諧振器，使得該濾波器的帶外特性得到極大的改善。同時，由于共面波導(CPW)和微帶線的過渡結構能夠產生超寬帶效應，因此常用于帶通濾波器的設計中[4-9]。但通常過渡結構在下阻帶沒有零點，因此其選擇性不好，且上阻帶也較窄。缺陷微帶[10-11]以及缺陷地[12]結構也常用來設計超寬帶濾波器。然而，缺陷結構由于在微帶或地平面進行刻蝕處理，會使得該種濾波器帶來信號完整性問題。

本文在傳統CPW到微帶過渡結構的基礎上，將中心位置處的微帶用交指耦合線替換，以在濾波器上下阻帶各帶來一個傳輸零點，從而改善濾波器的選擇性。在濾波器CPW槽下加載8個微帶短路枝節，以拓展濾波器的上阻帶特性。最終，為驗證濾波器性能，對加工的濾波器進行了測試，且測試和仿真結果吻合較好。

1 UWB濾波器設計

本文所提出的濾波器是設計在厚度為0.508 mm的Rogers RO 4350(介電常數εr=3.66)基板上。正面銅箔構成了CPW，反面銅箔充當微帶的帶線。本文提出了一種改進的CPW到微帶的過渡結構（CPW-MS-CPW），其基本結構如圖1所示。其中耦合線和CPW彎折枝節的長度約為中心頻率的λg/4。與文獻[5]中傳統的CPW到微帶的過渡結構不同，本文中將中心微帶用交指耦合線（ICL）代替。圖2給出了該過渡結構的低頻集總等效和J變換等效電路。其中，J變換網絡是CPW和微帶的過渡實現的，ICL可等效為非對稱平行耦合線。C0表示交指耦合線的低頻等效電容，L0和L1分別表示CPW的中間導體和接地部分的等效電感。

改進型和傳統的混合CPW和微帶結構的仿真S參數如圖3所示，加載了交指耦合線的過渡結構在帶外有4個傳輸零點。其中，fz3是由CPW到微帶過渡產生的，fz0(0 GHz)和fz2是由ICL引入的。對于傳輸零點fz1，其產生機理可由其低頻等效集總電路分析得出。文中提出的CPW-MS-CPW以及文獻[5]中的過渡結構的低頻集總等效電路的簡化電路分別如圖4(a)和圖5(a)所示。

對于奇模激勵，由其奇模等效電路(如圖4(b))可得，其輸入阻抗如式(1)所示：

顯然，同圖3中的電磁仿真結果一致，除0 GHz外，該傳統過渡結構在低頻段不會產生任何傳輸零點。

通過以上的分析可知，通過引入ICL，使得在阻帶的高端和低端分別產生一個傳輸零點。如圖3所示，相對于文獻[5]中沒有加入ICL的過渡結構，文中提出的CPW-MS-CPW的選擇性得到了極大的改善。但是，該濾波器的上阻帶特性仍然不夠理想，比如，其上阻帶衰減達到20 dB的頻率不超過15 GHz。

為進一步改善濾波器的帶外特性(如圖6所示)，在濾波器的輸入輸出端口的CPW槽下通過耦合方式加載4個短路枝節（CSS），以拓展其上阻帶頻率。此外，通過在CPW彎折槽下引入4個短路枝節，以便在上通帶邊緣產生一個傳輸零點，進而改善濾波器在高頻段的選擇性。如圖6所示，文中提出的CSS可以等效成一個串聯的LC諧振器。圖7給出了CSS在不同參數下仿真得到的S21。顯然，CSS能在高頻段產生傳輸零點用于改善濾波器的帶外特性，而對通帶影響很小。并且其傳輸零點隨著參數l0、w0、l1的減小而往高頻段移動，但當減小參數w1時，零點向低頻段移動。

濾波器參數示意圖如圖8，濾波器尺寸：w0=0.24 mm，s0=3.5 mm，lx0=0.8 mm，wx0=0.8 mm，d0=1.54 mm，ws0=0.8 mm，ls0=2.88 mm，wc1=0.43 mm，ws1=0.36，w3=0.2 mm，l3=0.96 mm，lc1=1.78 mm，d1=1.04 mm，ls1=2.57 mm，lc0=0.95 mm，lx1=0.8 mm，wx1=0.8 mm，wc0=0.96 mm，w1=0.25 mm，w2=0.1 mm，g=0.15 mm，l1=6.01 mm。

2 濾波器的結果分析

為驗證文中提出的濾波器的性能，對本文設計的濾波器進行了加工和測試，實物如圖9所示。圖10給出了用矢網測得的濾波器S參數和群時延。顯然，實測和仿真結果具有不錯的一致性。

測試結果表明，該濾波器的相對帶寬達到了123%(2.75～11.55 GHz)。整個超寬帶內的回波損耗優于15 dB。在通帶大多數頻段(3～10.2 GHz)內的插入損耗不超過0.7 dB，其中在中心頻率附近的最小插損低于0.4 dB。顯然，由于該濾波器在通帶的上下邊緣各有一個傳輸零點，使得其具有陡峭的選擇性，濾波器的選擇因子S.F.(3 dB帶寬/30 dB帶寬)達到了0.86。同時該濾波器具有相對平坦的群時延，在整個超寬帶內的群時延波動不超過0.15 ns。

本文的濾波器和其他已經報道過的濾波器的性能對比如表1所示。顯然，相較于一些已經出版過的類似CPW和微帶混合結構的濾波器[4-9]，文中提出的濾波器具有相對緊湊的尺寸(0.49 λg×0.47 λg，其中λg表示對應頻率為6.85 GHz的導波波長)，更寬的帶寬以及更陡峭的選擇性。相較于文獻[5]，由于文中引入了交指耦合線，使得濾波器的選擇性得到極大的改善，其選擇性是表1中最好的。此外，通過在CPW對應槽下加載耦合短路枝節，使得上阻帶抑制超多20 dB的頻率Fc達到了20 GHz，是表1中上阻帶頻率最大的。

3 小結

本文在CPW-微帶線-CPW過渡結構的基礎上，設計了一個超寬帶濾波器。在微帶的中心位置處引入交指耦合線，使得在通帶下邊緣產生一個傳輸零點，改善了濾波器的選擇性（選擇因子達0.86）。并且在CPW槽下加載耦合短路枝節，進一步改善了濾波器的選擇性，并擴展了濾波器的上阻帶頻率。同時，實測結果表明該濾波器具有插損小(0.7 dB)、回波損耗好（大于15 dB）和阻帶抑制性能好等優點，使得該濾波器能夠很好地應用于超寬帶無線系統中。