超紧凑型宽带带通滤波器（BPF），具有一个带阻带，采用了T形短截线谐振器和缺陷接地结构

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：Super-compact wideband bandpass filter (BPF) with a single notched band incorporating T-shaped stub resonators and defected ground structures

提出了一种基于L-H-L步进阻抗微带线与三组T型 stub 滤波器（TSSRs）的带阻超紧凑宽带带通滤波器，结合SRR接地结构及双 modified dumbbell型DGS优化，实现0.3-6.8GHz超宽带通带（183% FBW）和2.7-4.0GHz带阻带（33.88% FBW），插入损耗0.9-1.04dB，上阻带6.8-14.33GHz（≥15dB抑制度），尺寸17.5×8mm，性能优于现有设计。

　　

王凌|唐如文

中国传媒大学通信工程系，北京 100024，中国

摘要

本文提出并分析了一种超紧凑型宽带带通滤波器（WBPF），该滤波器包含一个单陷波带和一个宽阻带。通过结合缺陷接地结构与分裂环谐振器（SRR），以及两个改进的哑铃形DGS，实现了超紧凑的设计。这种改进基于由低-高-低（L-H-L）阶梯阻抗微带线组成的带阻滤波器（BSF），并在微带线上加载了三个T形短截线谐振器。为了理解所提出的WBPF的工作原理，开发并研究了其等效电路。该滤波器采用传统的印刷电路板制造工艺制造，基板选用了Rogers RO4350材料。实测结果与使用SMA连接器模型获得的仿真数据高度一致。实测的3dB通带范围为0.3–6.8 GHz，相应的分数带宽（FBW）约为183%。滤波器具有宽的10dB陷波带（2.7–4.0 GHz），并在3.3 GHz处实现了最大抑制幅度为28.8 dB。陷波带的过渡点分别为2.22 GHz和4.7 GHz，相应的旁瓣选择度分别为-33 dB/GHz和-33.6 dB/GHz。此外，该滤波器还表现出高选择度和陡峭的旁瓣特性，以及宽的上阻带（6.8–14.33 GHz），在该频段内的抑制幅度保持在15 dB或以上。此外，制造出的滤波器尺寸非常紧凑，仅为17.5 mm × 8 mm。

引言

包括5G、WLAN、卫星通信和雷达系统在内的高速无线宽带通信系统的快速发展，对射频（RF）前端组件的性能要求日益严格。在这些组件中，宽带带通滤波器（WBPF）对于信号处理至关重要，因为它能够传输所需的宽带信号同时抑制不必要的干扰。在过去几十年中，研究人员通过采用多种结构（如多模双环[4]、矩形短截线谐振器[5]、指数锥形阻抗线短截线[6]、十字形微带多模谐振器（MMRs）[7]和基于超材料的滤波器[8]）来开发WBPF[1]、[2]、[3]。然而，在实际应用中，由于多种无线服务的共存，WBPF需要配置一个或多个陷波带以抑制来自传统无线系统的干扰信号。学术文献中报道了许多设计陷波带WBPF的方法[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。一种传统的减少多模谐振器中杂散干扰的设计方法是优化开路短截线的长度。尽管这种方法实施起来相对简单，但不可避免地会导致整体电路尺寸的增加，并降低滤波器的关键性能指标[9]。为了减小电路尺寸，另一种策略是将谐振器隐式嵌入WBPF电路中——这种设计实现了带陷波功能并减少了干扰[10]。此外，基于波抵消方法理论，还提出了具有陷波带的UWB-BPF[11]。其他用于设计陷波带WBPF的著名结构包括嵌入式U形SIRs[12]、缺陷接地结构（DGS）[13]、不匹配传输线[14]、多层结构[15]、开环结构[16]、背靠背E形微带SIRs[17]和表面耦合结构[18]。所有这些结构都能有效阻挡不需要的无线电信号，尽管它们的结构复杂性各不相同。例如，参考文献[19]提出了一种超紧凑型UWB-BPF，通过在两个端口上分别加载Y形开路短截线来实现单陷波功能，该滤波器还展示了优异的通带性能。然而，其结构相对复杂，需要花费大量时间优化参数以达到最佳性能。在参考文献[20]中，利用带短截线的环谐振器和两个不同的SIRs设计了一种三陷波WBPF，其上阻带的抑制幅度可延伸至32 GHz。但这种设计不可避免地扩大了整体电路面积。尽管如此，大多数谐振器类型的滤波器都需要级联不同长度的多个传输线，从而导致电路尺寸增大，并且在抑制杂散频率方面存在挑战。例如，为了抑制5 GHz WLAN频段的干扰，参考文献[29]开发了一种基于多模环谐振器的UWB-BPF，实现了4.3 GHz至5.9 GHz的陷波带。其缺点是带外回波损耗仅为-10 dB，需要进一步改进。S. Pirani等人[30]使用多模谐振器设计了一种UWB-BPF，并引入了寄生耦合线以在7 GHz处实现带阻。尽管这种滤波器具有良好的通带响应，但其衰减率在-3至-40 dB范围内约为7.4 dB/GHz。使用MMR实现了超宽带（UWB）响应[32]，并采用一对折叠的互指耦合馈线在5.59 GHz处创建了具有高抑制幅度（18.8 dB）的陷波带。遗憾的是，这种设计未能在低阻带产生适当的传输零点，导致带外抑制效果不理想。

总之，设计高性能带陷波WBPF通常需要相对复杂的拓扑结构[20]、[21]、[22]和较大的物理尺寸[23]、[24]、[26]、[27]、[28]。相应的滤波器往往具有较差的频率选择度[26,29,30,32]和狭窄的上阻带区域[29]、[30]、[31]。传统的带陷波宽带带通滤波器（WBPF）不可避免地存在固有的权衡：之前使用T形短截线、基于分裂环谐振器（SRR）的缺陷接地结构（DGS）或哑铃形DGS的设计通常具有较大的器件尺寸（例如，参考文献[14]中的0.563λ_g × 0.27λ_g，参考文献[17]中的0.703λ_g × 0.46λ_g，参考文献[22]中的0.89λ_g × 0.46λ_g），狭窄的通带（分数带宽（FBW）≤ 120%[9]、[17]、[21]、[26]、[29]、[30]），或有限的陷波带性能（FBW ≤ 30%[9]、[12]、[17]、[26]、[30]）。此外，许多现有滤波器的频率选择度不足（衰减率≤ 33 dB/GHz[9]、[12]、[26]、[30]），或者上阻带宽度不足10 GHz[29]、[30]，无法满足现代射频（RF）前端系统的集成要求和干扰抑制需求。

因此，开发一种具有高选择度、低插入损耗（IL）、宽带外抑制、小尺寸和低成本的带陷波WBPF仍然是一个重要的技术挑战。

为了填补这一关键研究空白，本文提出了一种具有协同性能优势的超紧凑型WBPF，有效克服了传统设计的固有缺点。通过结合三个功能模块——加载有T形短截线的低-高-低（L-H-L）阶梯阻抗微带线（TSSRs）、SRR DGS和两个改进的哑铃形DGS，所提出的滤波器实现了0.207λ_g × 0.095λ_g

为了解决上述问题并克服大尺寸、复杂配置和陷波带抑制幅度不足等限制，本文介绍了一种具有优异选择性和增强上阻带性能的超紧凑型WBPF。首先，使用加载有三个开放式T形短截线的低-高-低阶梯阻抗微带线设计了带阻滤波器。通过奇偶模分析，建立了传输极点位置与TSSRs结构尺寸之间的定量关系。其次，在接地平面上刻蚀了分裂环谐振器（SRR）DGS，以提高下通带的频率选择度而不增加电路尺寸。第三，通过在接地平面上额外添加两个改进的哑铃形DGS单元，在下通带内实现了陷波带，并进一步优化了滤波器的性能。此外，为了阐明所提出滤波器的工作原理，开发并分析了其LC串并联等效电路。最终，在Rogers RO4350基板（ε_r = 3.66，tan δ = 0.04，厚度 = 0.508 mm）上制造了该滤波器，实测结果与使用SMA连接器模型获得的仿真数据高度一致，验证了所提出的设计方法。

部分摘录

BSF的输入导纳分析

BSF的基本结构如图1所示。其几何形状由低-高-低阶梯阻抗微带线组成，线上加载了三个T形短截线谐振器（TSSRs）。其中一个TSSR位于均匀传输线（UTL）的一侧中心，另外两个TSSR对称地分布在传输线的另一侧。如图1所示，低-高-低阶梯阻抗微带线的特征导纳和电气长度如下：

无需SMA连接器模型的仿真和建模

使用Ansys Electronics Desktop 2024 R2进行了全波仿真，采用了自适应四面体网格划分方法。该方法优化了在0.3–15 GHz宽工作频谱范围内的仿真精度和计算效率之间的平衡。关键网格参数和配置的详细信息如下：

1.

网格密度标准：元素的最大边长设置为λ_min/20，其中λ_min（

实验与讨论

所提出的单陷波带WBPF是通过标准的PCB制造工艺制造的。图12显示了制造出的带有单陷波带的WBPF的照片，其尺寸为17.5 mm × 8 mm。滤波器的所有布局参数如图5所示：W = 0.55 mm，W₁ = 1.15 mm，W₂ = 0.8 mm，W₃ = 0.37 mm，W₄ = 0.3 mm，L₁ = 1.6 mm，L₂ = 1.75 mm，L₃ = 0.5 mm，L₄ = 0.3 mm，L₅ = 0.65 mm，L₆ = 2.3 mm，L₇ = 1.95 mm，L₈ = 1.6 mm，G = 0.1 mm。

鉴于

结论

本研究提出并分析了一种集成陷波带的微型化WBPF。该滤波器主要由L-H-L阶梯阻抗微带线（加载在三个TSSRs上）、SRR DGS和两个改进的哑铃形DGS组成。为了验证所设计滤波器的工作机制，构建了LC串并联等效电路。测量得到的S参数与仿真值（考虑SMA连接器模型）非常吻合。

CRediT作者贡献声明

王凌：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、概念构思。唐如文：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。