寬阻帶階梯阻抗發(fā)夾式低通濾波器研究

張小峰，孫海青，祁　全，何　瀟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

寬阻帶階梯阻抗發(fā)夾式低通濾波器研究

張小峰，孫海青，祁全，何瀟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要：提出一種新型寬阻帶階梯阻抗發(fā)夾式橢圓函數(shù)低通濾波器。仿真得出該濾波器通帶從DC到4.5 GHz， S11優(yōu)于19 dB，且S21從DC到4.5 GHz時(shí)優(yōu)于0.5 dB，具有寬阻帶、良好的帶外抑制能力及陡峭的截止頻率響應(yīng)。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真基本吻合。

關(guān)鍵詞：微波通信系統(tǒng)；低通濾波器；寬阻帶；階梯阻抗諧振器；發(fā)夾式

0引言

在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中，低通濾波器的抑制諧波作用必不可少，特別是緊湊型、高性能微波低通濾波器的應(yīng)用更廣泛。諧振器是濾波器中的關(guān)鍵元件。為了減小諧振器的尺寸，行業(yè)內(nèi)研發(fā)了多種諧振器的結(jié)構(gòu)，例如階梯阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonators,SIR)、偽交叉指型諧振器、開環(huán)諧振器與雙模諧振器等。常規(guī)的階梯阻抗和短截線低通濾波器只能提供Butterworth和Chebyshev特性，而此特性只有漸變的截止頻率響應(yīng)。為獲得寬阻帶與陡峭的截止頻率響應(yīng)，大多常見濾波器會(huì)增加更多的階數(shù)，但與此同時(shí)增加了濾波器尺寸和插入損耗[1-3]。微帶發(fā)夾式諧振器由于其尺寸小、易加工等優(yōu)點(diǎn)在微波通信系統(tǒng)中引起足夠的重視，因此被廣泛應(yīng)用在低通濾波器中。

本文提出一種新型寬阻帶階梯阻抗發(fā)夾式橢圓函數(shù)低通濾波器。首先通過對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)諧振器與新型結(jié)構(gòu)諧振器進(jìn)行理論研究，并提出其等效電路，然后再通過HFSS仿真與實(shí)測(cè)研究得出具有尺寸小、低插損、易制造、寬阻帶及陡峭的截止頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)的低通濾波器[4]。

1理論研究

1.1　橢圓函數(shù)

在最常用的Butterworth、Chebyshev、反切比雪夫和橢圓函數(shù)4種類型的濾波器中，在給定階數(shù)和通帶、阻帶衰減要求的前提下，橢圓函數(shù)濾波器具有最窄的過渡帶和最小的阻帶波動(dòng)，且橢圓函數(shù)低通原型的帶外抑制能力比Chebyshev和Butterworth好。橢圓函數(shù)低通原型濾波器的通帶和阻帶都具有Chebyshev波紋。由于這種濾波器的阻帶衰減極點(diǎn)不全在無限遠(yuǎn)處，因此用橢圓函數(shù)低通濾波器可得到陡峭的截止頻率響應(yīng)[5]。

1.2　發(fā)夾式結(jié)構(gòu)與等效電路模型

表1所示，新型結(jié)構(gòu)比常規(guī)結(jié)構(gòu)增加了一對(duì)耦合SIR。從等效電路模型可知，可看作一個(gè)單一傳輸線和兩個(gè)開路面并聯(lián)耦合線。單線的特性阻抗和電長度為Zs和θT，偶模式和奇模式阻抗和并聯(lián)耦合角為Zoe，Zoo和θoe，θoo，假設(shè)θoe=θoo=θo，則可推出諧振條件為[6]

(1)

式中θs=θT/2，定義參數(shù)Zo為偶奇模式阻抗的幾何平均值和C為耦合系數(shù)：

(2)

(3)

由上面可知最終諧振條件為

sin2θs+2cos2θs-2C=0

(4)

式中RZ=Zo/Zs為阻抗比。

表1中顯示新型結(jié)構(gòu)橢圓函數(shù)濾波器和其集總元件等效電路模型，且兩種結(jié)構(gòu)濾波器都有互聯(lián)的饋線。觀察兩個(gè)濾波器的等效電路模型可知，它們都是橢圓函數(shù)低通濾波器的結(jié)構(gòu)。

表1　常規(guī)發(fā)夾式諧振器與新型發(fā)夾式諧振器結(jié)構(gòu)與等效電路模型的對(duì)比

2仿真研究

本文使用HFSS軟件對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)的低通濾波器進(jìn)行3D建模和仿真優(yōu)化。濾波器采用RT/Duroid@5880介質(zhì)板，相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2。首先對(duì)常規(guī)發(fā)夾式諧振器和新型發(fā)夾式諧振器分別建模，如圖1和圖2。然后利用仿真優(yōu)化得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的濾波器尺寸，最后對(duì)比研究仿真后處理的回波損耗S11、插入損耗S21及場強(qiáng)圖。

圖1　常規(guī)發(fā)夾式諧振器建模

圖2　新型發(fā)夾式諧振器建模

仿真后處理優(yōu)化后得出低通濾波器尺寸：l1=5.65mm，l2=2.3mm，l3=0.62mm，l4=1.44mm，l5=1.78mm，w1=0.76mm，w2=0.2mm，w3=0.65mm，w4=0.28mm，w5=0.28mm，w6=0.28mm，g =0.2 mm。根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)比常規(guī)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)與新型發(fā)卡式結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，可以看出新型發(fā)卡式結(jié)構(gòu)低通濾波器的回波損耗S11和插入損耗S21更佳。具體仿真結(jié)果如圖3~6所示。

圖3　常規(guī)發(fā)夾式濾波器場強(qiáng)圖

圖4　新型發(fā)夾式濾波器場強(qiáng)圖

圖5　常規(guī)發(fā)夾式濾波器回波損耗及插入損耗

圖6　新型發(fā)夾式濾波器回波損耗及插入損耗

仿真對(duì)比可知，該新型濾波器通帶從DC到4.5GHz，回波損耗S11優(yōu)于19dB，且插入損耗從DC到4.5GHz時(shí)優(yōu)于0.5dB，具有良好的帶外抑制能力、寬阻帶及陡峭的截止頻率響應(yīng)。

3實(shí)測(cè)研究

基于使用HFSS軟件對(duì)新型發(fā)卡式濾波器電路仿真優(yōu)化后的結(jié)果，對(duì)濾波器電路進(jìn)行實(shí)物加工與性能測(cè)試，見表2。新型發(fā)夾式諧振器的尺寸為4.8mm×2.7mm，其實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真存在差異：S21在4.5GHz時(shí)為5.9dB，陡峭的截止頻率響應(yīng)不明顯。分析差異原因可能：(1)實(shí)物加工尺寸的差異，(2)實(shí)測(cè)時(shí)測(cè)試方法、測(cè)試平臺(tái)以及未使用專業(yè)夾具測(cè)試的影響。

4結(jié)束語

本文利用常規(guī)發(fā)夾式濾波器設(shè)計(jì)了新型寬阻帶階梯阻抗發(fā)夾式橢圓函數(shù)低通濾波器。該新型濾波器具有尺寸小、低插損、易制造、寬阻帶及陡峭的截止頻率響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微波單片集成電路工藝。這種緊湊的高性能低通濾波器同樣也適用于通信系統(tǒng)。

表2　新型發(fā)夾式濾波器實(shí)物加工圖與性能測(cè)試圖

參考文獻(xiàn)：

[1]Makimoto M，Yamashita S.Bandpass filters using parallel coupled stripline stepped impedance resonators[J].IEEE Trans.on Microw.Theory and Tech.,1980,12(28):1417-1423.

[2]Tang C W ,You S F.Miniaturized wide stopband rejected microstrip filter with coupled Spur-lines[J].Electronics Letters,2006,42 (5):286-288.

[3]Gorur A ,Karpuz C.Miniature dual-mode microstrip filters[J].IEEE Microwave and Wireless Component Letters,2007,17(1):37-39.

[4]M H Yang ,J Xu.Design of compact,broad-stopband lowpass filter using modified stepped impedance hairpin resonators[J].Electronics Letters,2008,44(20):172-174.

[5]王正偉,羊愷.橢圓函數(shù)寬阻帶帶狀線低通濾波器[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2006(6):15-16.

[6]蔡鐘斌.基于階梯阻抗發(fā)夾諧振器的小型低通濾波器[J].信息與電子工程,2007(5):78-80.

A wide stopband stepped impedance hairpin lowpass filter

ZHANG Xiao-feng, SUN Hai-qing, QI Quan, HE Xiao

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:A new wide stopband stepped impedance hairpin elliptic function lowpass filter is proposed. The simulation results indicate that the filter passband is from DC to 4.5 GHz, within which the echo loss S11 and the insertion loss S21are better than 19 dB and 0.5 dB respectively. The filter features wide stopband, good out-of-band rejection capability, and steep cut-off frequency response. The actual results basically agree with the simulation ones.

Keywords:microwave communication system; lowpass filter; wide stopband; stepped impedance resonator; hairpin

中圖分類號(hào)：TN925.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-0401(2015)04-0033-04

作者簡介:張小峰(1986-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)接收及雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)；孫海青(1983-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理；祁全(1987-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)接收技術(shù)；何瀟(1985-)，男，工程師，研究方向：雷達(dá)接收技術(shù)。

收稿日期:2015-09-11;修回日期:2015-09-15