平行耦合微帶線帶通濾波器的研究與設計

路延

（陜西職業技術學院 陜西 西安 710100）

隨著近年來無線通信技術的發展，具備小型化、高性能和低成本等諸多優點的微帶線濾波器已成為廣泛應用的射頻器件[1]。其中平行耦合微帶線濾波器是結構簡潔、設計方便的一種，目前已具備了成熟的窄帶近似設計方法和寬帶近似設計方法[2]。采用寬帶近似設計方法，從低通原型濾波器[3]經過頻率變換，求得各耦合單元的物理尺寸[4]。本文采用這種方法設計濾波器，利用CST軟件進行仿真，對其缺點引出更有優勢的設計方法：全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器。

1 平行耦合微帶線帶通濾波器的設計方法

1.1 平行耦合微帶線帶通濾波器

平行耦合微帶線帶通濾波器結構簡潔、設計方便，目前已具備了成熟的近似設計方法。設計原理是采用近似設計方法，從低通原型濾波器經過頻率變換，由低通原型元件值[5]，求得各耦合單元的奇偶模阻抗[6]，從而計算出各耦合單元的物理尺寸。

設計指標：

1）中心頻率：f0=7.35 GHz；

2）相對帶寬：W=20.4%；

3）在頻率 f=5.5 GHz時，衰減大于30 dB；

4）微帶線特性阻抗為 Zc=50 Ω，介質基片選 εr=9.6、h=1 mm的氧化鋁瓷片。

1.2 設計過程

1）設計低通原型：

由低通到帶通的頻率變換近似式為

用此變換式設計出低通原型的電抗元件數目n和元件值gk。

2）計算出導納變換器的歸一導納；

3）計算各段耦合線的奇偶模阻抗；

4）根據 Zce、Zco和 εr查圖[6]可得每一對耦合微帶線的寬度和間距（W和S）

5）求1/4波長耦合節的長度；

由上面算得的W/h和S、h及εr查圖[7]可得相應的偶奇模有效介電常數；

6）運用兩端50 Ω 線的寬度，通過查表[4]得 W/h=0.98，W=0.98 mm。

至此，這個濾波器的尺寸已計算出。

1.3 實驗仿真

根據上部分計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。

圖1為該濾波器的在CST軟件上仿真結果。由圖可看出：

圖1 CST軟件仿真結果Fig.1 CST software simulation results

根據計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。 1）通帶范圍是：6.7～8.1Ghz，即相對帶寬為 19.04%，基本滿足設計要求；2）在頻率f=5.5 GHz時，衰減為24.18 dB，還需繼續優化；3）帶內反射特性也未達到最佳。

2 全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的設計

由上述實驗結果可看出，傳統的平行耦合微帶線帶通濾波器的設計方法有很多不足之處：

1）參數過多，導致計算量很大，調試的工作量也很大；

2）經過查找相關文獻可知，此種方法設計濾波器，相對帶寬一般在40%以內[7]；

3）每個耦合節的寬度均不一樣，也會給機械加工帶來更大麻煩。

針對以上不足，本文將研究全等寬耦合線，即各節微帶線寬度W和間距S相等。這樣大大減少了計算量，濾波器結構變得更簡單。

2.1 全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器

文中使用的全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器設計方法為：耦合線節級聯直接設計法[8]。這一設計方法不必應用低通原型濾波器元件值，可采用各諧振器尺寸均勻并且等寬的結構，適用的相對帶寬范圍為30～80%[9]。

級聯直接設計法的單位電路為圖2所示，開路式對稱耦合線節，他的A矩陣為[1]：

其中Zoe、Zoo分別為奇偶模特性阻抗，θ為電長度。

設計指標：設計一耦合微帶線低通濾波器，要求：

1）中心頻率 f0=6 GHz；

2）通帶范圍f=3.9～8.1 GHz，在通帶范圍內衰減小于3 dB；

圖2 開路式對稱耦合線節Fig.2 Open style symmetric coupled line knot

3）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz時衰減值大于 40 dB；

4）輸入輸出微帶線特性阻抗Z0=50 Ω。

2.2 設計過程

以 θp1、θp2表示對應于通帶邊界頻率 fp1、fp2的電長度，根據衰減要求，可初選m=2.5，N=4，并算得r=1.3。而 R0=Z0=50 Ω，故 Zoo=rR0=65 Ω，Zoe=rZoo=162.5 Ω；查手冊[10]：εr=6.0，耦合微帶線的奇偶模特性阻抗表中，W/h=0.2，S/h=0.2時，有Zoe=159.525 Ω，Zoo=64.38 Ω。 故 W=0.2 mm，S=0.2 mm；求 1/4 波長耦合節的長度：εee，εeo；兩端 50 Ω 線的寬度，最終經計算查表[10]得 W/h=1.45 mm，W=1.45 mm。

至此，全等寬耦合微帶線帶通濾波器的尺寸已計算出。

2.3 軟件仿真

根據上部分計算出的濾波器的物理尺寸在CST軟件上建模仿真。

圖3 CST軟件建模Fig.3 CST software modeling

圖4 CST軟件仿真結果Fig.4 CST software simulation results

由圖可看出，

1）通帶范圍是基本滿足設計要求；

2）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz時衰減值僅為 18 dB； 為滿足指標要求。

3）帶內反射特性未到最佳。

4 結論

通過傳統的平行耦合微帶線帶通濾波器的仿真實驗可以看出，此設計方法有很多不足之處：1）參數過多，導致計算量很大，調試的工作量也很大；2）經過相關文獻可知，此種方法設計濾波器，相對帶寬一般在40%以內[7]；3）每個耦合節的寬度均不一樣，也會給機械加工帶來更大麻煩。

全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的對比仿真實驗有如下結論：1）全等寬形式濾波器的結構比傳統平行耦合微帶線濾波器相對簡單，這可以大大較小設計、加工和調試的難度；2）全等寬形式的濾波器能實現較寬的帶寬，資料顯示其最寬可達到80%，這比傳統平行耦合微帶線濾波器優良。

[1]清華大學編.微帶電路[M].1版.北京:人民郵電出版社.

[2]顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設計[M].1版.北京:人民郵電出版社.

[3]廣東省郵電學校.微波技術基礎（下）[M].1版.北京:人民郵電出版社，1980.

[4]Matthaei G L,Young L,Jones E M T.Microwave Filter.Impedance-Matching Networks,and Coupling Structures[M].New York:McGraw-Hill,1980:585-595.

[5]雷振亞.射頻/微波電路導論[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[6]閆潤卿，李英惠.微波技術基礎[M].北京:北京理工大學出版社，1997.

[7]高葆新等.微波電路計算機輔助設計（下）[M].1版.北京:清華大學出版社，1988.

[8]王安國，林杞楠.全等寬平行耦合微帶線帶通濾波器的設計[J].電路與系統學報，2000，5（1）:43-47.WANG An-guo，LIN Fei-nan.Congruent wide design parallel coupled microstrip line bandpass filler [J].Cricuits and Systems,2000,5(1):43-47.

[9]李奇威,郭陳江,張興華.平行耦合微帶線帶通濾波器的設計與優化[J].電子設計工程，2012，20（4）：12-14，18.LI Qi-wei，GUO Chen-jiang，ZHANG Xing-hua.Design and optimization of the parallel coupled microstrip band-pass filler[J].Electronic Design Engineering,2012,20(4):12-14,18.

[10]周文表.微波集成電路計算機輔助設計手冊[M].1版.北京:人民郵電出版社，1988.