零點可控的1/4波長諧振器濾波器

陳依軍，胡柳林，劉云剛，金 珠

（成都嘉納海威科技有限責任公司，四川 成都 610016）

0 引言

在無線電技術中，濾波器一直以來是許多設計問題的中心[1-2]。平面濾波器由于其更簡易的制造工藝，低成本，適于商業活動的特點而越來越廣泛地應用于微波/射頻電路系統中[3-6]。但是隨著人們需求的激增，對濾波器提出越來越嚴格指標，其中帶外抑制也成為了濾波器設計的中心問題之一，而在帶外增加傳輸零點可以實現比較好的抑制效果。文獻[7]提出了一種 1/2波長有限頻率傳輸零點平行耦合微帶濾波器，但是其不能實現對零點的可控，且結構不緊湊。文獻[8]則提出一種利用相鄰兩個諧振器之間的混合耦合從而在通帶附近產生可控零點的濾波器。

為簡化零點可控設計并縮小器件尺寸，在此擬引入微帶耦合諧振器來設計相關濾波器。諧振器之間靠平行的微帶傳輸線耦合，諧振器長度為中心頻率的1/4波長。通過仿真可以發現，其通帶附近會產生一個零點，通過調節耦合部分的長度可以輕松實現傳輸零點的可控。

1 微帶耦合線零點產生原理

對于一段端接任意負載的傳輸線，其微帶耦合傳輸線可用奇偶模分析法分析得到端口的傳輸系數。圖1所示為一段特性阻抗為Zc，長為θ的微帶耦合傳輸線。其中Zoo和Zoe分別表示為微帶耦合線的奇模和偶模特性阻抗，令3、4端口開路。根據微帶耦合傳輸線的奇偶分析法可得1、2端口的傳輸系數為[9]:

令S21=0，可以得出零點時耦合微帶線的電長度為:

因此零點頻率fz為:

圖1 長度為θ的耦合微帶線

2 濾波器設計步驟

圖2所示為零點可控的1/4波長諧振器濾波器結構圖。根據微帶諧振器的長度為中心頻率1/4波長，耦合長度為零點頻率處1/4波長，可以得:

根據公式（5），首先需要設計濾波器的中心頻率為f0，由此計算得到相應的1/4波長長度L1+L2+L5。其次設計零點頻率 fz，計算求得相應1/4波長長度L2。通過改變兩個諧振器之間距離S1實現帶寬的調節，當 S1增大，耦合量降低，使得帶寬變寬。最后調節L4來改變濾波器的外部品質因數，改善濾波器性能。

圖2 濾波器結構

3 設計實例

圖3所示為濾波器實物圖。該濾波器設計中，采用介電常數為2.55，基片厚度為0.8 mm，損耗正切為0.001的F4B介質基片。濾波器的結構參數如下:

圖3 濾波器實物

圖4是濾波器的測量和仿真結果圖。從圖4（a）可以看出，濾波器的中心頻率被設計為2 GHz，帶寬為190 MHz，零點位于通帶右側的3.06 GHz處，最小插入損耗為1.14 dB，實測中心頻率為1.97 GHz，零點位于通帶右側的2.86 GHz，最小插入損耗為147 MHz。圖4（b）所示為濾波器的寬帶響應，可以看出，濾波器的寄生通帶在3倍中心頻率處。傳統的半波長諧振器構成的濾波器第一寄生通帶在2倍中心頻率處，因此，該濾波器顯示出了良好的帶外抑制特性。并且，由于采用了1/4波長諧振器，其尺寸也大大縮小。

圖4 仿真與測試結果

圖5所示為當L1+L2+L5不變，改變耦合線長度L2濾波器仿真結果圖.從圖5可以看出隨著 L2取值的不同濾波器傳輸零點也隨之改變。從而驗證了前面的通過改變微帶耦合線長度來實現傳輸零點的控制的分析。

圖5 . L1+L2+L5不變，不同L2仿真結果

4 結語

對于耦合式的1/4波長諧振器，在保證其總長度不變即對應工作頻率固定時，調節其耦合部分的長度可以方便實現相應零點的位置，進而實現不同選擇特性的濾波器。這為濾波器的個性化設計提供了方法借鑒，仿真結果以及實驗結果均較好地驗證了該方法的可行性。另外，從仿真以及實驗結果可知，該濾波器還具有2次諧波抑制功能,其寄生通帶出現在3倍頻處。為進一步提高其選擇性以及帶外抑制特性，可以建議通過額外的帶阻結構集成加載方式。

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