交叉耦合微帶帶通濾波器

孫 超，豐 濤

（中國電子科技集團公司第36研究所，浙江 嘉興 314000）

交叉耦合微帶帶通濾波器

孫 超，豐 濤

（中國電子科技集團公司第36研究所，浙江 嘉興 314000）

針對無線通信系統小型化的要求，設計了一種帶有交叉耦合的帶通濾波器，該濾波器采用帶過孔的終端短路式耦合線為諧振單元，同時加入了交叉耦合線改善濾波特性；整個結構緊湊，具有插入損耗低、選擇性高、帶外抑制度佳等特點，實測結果與仿真吻合較好，中心頻率為4.2 GHz，3 dB帶寬為400 MHz，駐波比小于1.5，體積僅為8 mm×6 mm×0.7 mm。

微帶；濾波器；帶通；交指耦合線；交叉耦合；高抑制

隨著無線通信系統的快速發展，微波濾波器的小型化日益受到關注。特別是微帶濾波器，具有小型化、工藝簡單、易于集成等優點成為研究的主要方向之一。對于無線通信以及衛星通信系統而言，使用了多個相近頻段的濾波器，它們之間會產生串擾，這就對濾波器的限波特性提出很高的要求[1-4]。

為使濾波器具有高抑制的特性，一般可以采用三種方法：一是用多個濾波器串接，二是增加濾波器內部的階數，三是引入交叉耦合。采用多個濾波器的串接可能會存在阻抗匹配的問題，而且不利于設計的小型化；增加濾波器的階數會帶來更多的耦合變量加大濾波器的調試難度。

本文對終端短路交指型帶通濾波器進行了修改，提出一種新型交叉耦合帶通濾波器。以 3個三階短路交指型帶通濾波器為諧振單元，通過其相鄰耦合構成了一種新型帶通濾波器，同時引入交叉耦合以改善帶外特性，該濾波器結構簡單、便于加工、性能優異，仿真結果驗證了本文所設計的濾波器的傳輸特性。

1 平行耦合線濾波器

一個由平行耦合線構成的二端口網絡，通過把四個端口中的兩個端口開路或短路，以得到不同的頻率響應。如圖1所示的一段終端短路耦合線，θ為每段耦合線的電長度，Z0o和 Z0e為兩段耦合線的奇偶模阻抗[5-6]。其中

圖1 耦合線二端口網絡Fig.1 Two-port network with couple line

通過調節平行耦合線間的線間距和線寬，調節耦合系數，從而調節頻率響應。將多段平行耦合線構成耦合線陣，每個矩形桿一端短路，一端開路，構成終端短路型交指濾波器，如圖 2所示，矩形桿長約1/4λ0，載TEM模。

從W2到Wn-1都為諧振器，而W1和Wn的一端短路，一端與外電路聯接，只起阻抗變換作用，不作為諧振器。諧振器既可用矩形桿，也可用圓桿，還可以用集總電容加載的辦法減小體積和增加阻帶寬度，并有適宜于各種帶寬和不同精度的設計方法。

圖2 終端短路型交指濾波器Fig.2 1nterdigital filter with final short

2 濾波器設計

采用終端短路交指型濾波器為諧振單元設計三階帶通濾波器，同時引入交叉耦合以改善帶外特性，其結構如圖3（a）所示，整個濾波器結構左右對稱，等效電路如圖 3（b）所示。首先根據中心頻率確定矩形桿l的長度和寬度，通過改變桿的寬度來調節阻抗比；然后改變諧振單元內部耦合間隙 g調節耦合度；根據微帶線計算公式和HFSS軟件本征模求解方式算出單個諧振單元的大??；用HFSS雙模提取法確定各諧振單元間的耦合系數，計算各諧振級單元間距離d；最后運用交叉耦合理論加入交叉耦合，對仿真結果進行優化。

根據以上步驟選用ROGERS 6010板材，厚度為0.635 mm進行設計。優化后的仿真參數如下：l1=3.85 mm，l2=3.78 mm，l3=4.25 mm，l4=4.1 mm，l5=1.5 mm，g=0.11 mm，d=0.82 mm，w1=1.41 mm，w2=1.9 mm，過孔直徑為0.2 mm；優化后的仿真結果如圖4所示，結果顯示濾波器諧振中心頻率位于4.3 GHz，帶內插入損耗小于2 dB，帶內波動小于1 dB，帶內駐波小于-18 dB，帶外抑制良好，仿真表明該濾波器有良好的電性能指標。

圖3 濾波器結構及其等效電路Fig.3 The structure and equivalent circuit of the filter

圖4 優化后的仿真波形Fig.4 The result of simulation optimization

為了進一步研究濾波器各個參數對濾波器性能的影響，分別改變諧振級間距離d以及耦合間隙g，保持其他參數不變，觀察波形改變的趨勢。圖 5為改變諧振級間距離 d波形的變化情況，由圖可知隨著 d的變大，濾波器帶寬變窄，抑制加深。表明帶寬隨諧振級間的耦合增強而減小，抑制隨諧振級間的耦合增強而減小。

圖6為改變耦合間隙g對性能的影響，由圖可知耦合間隙 g對波形的影響更為顯著，因為其同時影響了諧振單元內部的耦合以及相鄰諧振的關系。隨著 g的減小，諧振單元內部耦合顯著增強，中心頻率偏低頻。

通過以上的仿真分析可知，頻率的調整主要通過改變的諧振單元內部的耦合；帶寬的調整應調節諧振單元間的耦合。

圖5 諧振單元距離d對仿真波形的影響Fig.5 The effect of distance d on the simulation result

圖6 耦合間隙g對仿真波形的影響Fig.6 The effect of distance g on the simulation result

3 測試和分析

為驗證仿真模型特性，按照優化后的上述參數采用ROGERS RT 6010板材，對所設計的三階交叉耦合帶通濾波器進行加工，并用矢量網絡分析儀進行測試。濾波器實物圖及其測試條件如圖 7所示，測試采用自行設計的腔體外殼，濾波器粘在獨立可拆卸的載體上，載體用螺釘與腔體固定；通過微帶線金絲鍵合進行過渡連接濾波器，濾波器二維尺寸為8 mm×6 mm×0.7 mm。

圖7 濾波器實物及其測試環境Fig.7 The filter and its test condition

濾波器實物測試數據與仿真結果對比如圖 8所示，結果顯示濾波器的中心頻率位于4.2 GHz，3 dB帶寬為400 MHz，駐波比小于1.5，差值損耗在中心有波動，小于3 dB，與仿真曲線趨勢吻合度較高，驗證了本設計的有效性。

圖8 濾波器仿真測試結果對比Fig.8 Comparison between the simulation and test results

在電子顯微鏡下觀察濾波器如圖 9所示，發現濾波器的直角均有不同程度的圓弧化，這會導致耦合間隙 g大小不一致，從而影改變了頻率以及帶寬。此外濾波器加工采用金屬化通孔接地，而仿真則是采用全金屬銅柱，接地性能也有所不足，影響了濾波器的駐波和插損的惡化。

圖9 濾波器電鏡照片Fig.9 SEM graph of the filter

4 結論

對終端短路交指型濾波器進行改進，設計并制作了一款工作于C波段的小型化帶通濾波器，并利用三維仿真軟件HFSS搭建了3D模型，從實測結果來看，測試曲線和仿真曲線吻合良好。該濾波器具有插入損耗低、選擇性高、帶外抑制度佳等特點，加工尺寸為8 mm×6 mm×0.7 mm。

[1] ABBOSH A. Design method for ultra-wideband bandpass filter with wide stopband using parallel-coupled microstrip lines [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2012, 60(1): 31-38.

[2] ABBOSH A. Planar bandpass filters for ultra-wideband applications [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(10): 2262-2269.

[3] LIN Y. Novel compact parallel-coupled microstrip bandpass filters with lumped-element K-inverters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(7): 2324-2327.

[4] 陳相治, 戴永勝. 具有高阻帶衰減的 LTCC級聯帶通濾波器 [J]. 微型機與應用, 2014, 33(29): 27-33.

[5] MATTHAEI G L. Interdigital band-pass filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1962, 6: 479-491.

[6] DAVID M P. 微波工程 [M]. 張肇儀, 周樂柱, 吳德明, 等, 譯. 北京:電子工業出版社, 2006: 359-370.

（編輯：陳渝生）

Cross-coupled bandpass filter with microstrip lines

SUN Chao, FENG Tao
(No.36 Institute, China Electronic Technology Group Co., Jiaxing 314000, Zhejiang Province, China)

A cross-coupled bandpass filter with microstrip lines was proposed for the miniaturization of wireless communication system. This filter used coupled microstrip line with short circuited via as resonance unit and added cross-coupled line to improve the performance. The test results show that the filter has the advantages of small size, high selectivity, sideband steep and high stopband rejection. The measured results of the filter agree well with the simulation. The filter has a central frequency of 4.2 GHz, a 3 dB bandwidth of 400 MHz, VSWR of less than or equal to 1.5. The size of the filters is only 8 mm×6 mm×0.7 mm.

microstrip line; filter; bandpass; interdigital coupled lines; cross-coupled; high rejection

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.012

TN713

A

1001-2028（2016）12-0054-03

2016-10-14

孫超

孫超（1987-），男，浙江嘉興人，助理工程師，研究方向為微波器件與無線通信系統，E-mail: yangyi250000@163.com 。< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2016-11-29 11:41:40網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.012.html