基于雙邊平行帶線的新型微波差分低通濾波器

陸清源

摘要：本文介紹了一種基于雙邊平行帶線的新型微波頻段低通濾波器。由于雙邊平行帶線其本身固有差分傳輸特性，其中一條金屬帶條可作為另一條的地或者是信號線。通過相反的端口結構實現了濾波器差模響應的低通特性。提出了差模和共模不同的L-C等效電路，并用來分析這兩種模式的頻率響應。為了該驗證理論，設計了一個3dB截止頻率為1GHz的低通濾波器濾波器，制造并進行了測試。所設計的濾波器具有低插入損耗和寬帶的共模抑制能力等優點。仿真和測試結果吻合良好，驗證了所提出的結構和設計方法。

關鍵詞：雙邊平行帶線；平衡式濾波器；低通濾波器

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0000-00

A Novel Microwave Differential Lowpass Filter Based on Double-sided Parallel-strip Line

Qing-Yuan Lu

（Xinglin College， Nantong University， No.999， East Outer Ring Road， Nantong， 226000）

Abstract ─ In this letter， a novel microwave differential lowpass filter （LPF） is firstly proposed based on the double-sided parallel-strip line （DSPSL）. As the DSPSL is with the inherent differential transmission property， one of identical metal strips in DSPSL can be either signal line or ground for the other strip. The lowpass characteristic for the differential-mode operation is achieved when port 1（ 2 ） possess opposite signal lines as compared with port 1 （2）. L-C equivalent circuits for both differential-mode and common-mode are given to illustrate the frequency responses of the two modes. A demonstrated filter with 3 dB cut-off frequency at 1 GHz has been designed， fabricated and measured for the purpose of verification. The designed LPF features advantages of low in-band insertion loss and wide-band common-mode suppression. Good matching between the simulated and measured results has been observed， which verifies the proposed structure and its design concept.

Index Terms - double-sided parallel-strip line （DSPSL），Differential filter，lowpass filter.

一、 引言

隨著現代無線通信系統的快速發展，平衡式電路因為許多的優點如抑制噪聲能力、低串擾和低電磁干擾等優點，而受到了越來越多研究者的關注。濾波器作為一個頻率選擇器件，在無線通信系統中起著重要的作用。許多形式的傳輸線被用來設計平衡式濾波器，比如：微帶線、帶狀線、雙邊平行帶線和基片集成波導等[1]-[6]。

傳統的平衡式濾波器設計方法并不容易實現具有高共模抑制度的平衡式低通濾波器。因為對于一對差分傳輸線而言，其差模情況下的等效電路始終會存在虛擬接地點。比如文獻[1]-[4]中的結構并不能用來設計低通濾波器，因為其差模等效電路中擁有短路接地點。因此，很少有相關的論文涉及微波頻段的平衡式低通濾波器設計。據作者所知，只有文獻[8]-[9]提出了一種可以用來設計平衡式低通濾波器的方法，但是這種利用缺陷地結構來抑制共模信號的方法很難在實現較寬頻帶范圍。

如圖1所示，本文提出了一種新型的微波平衡式低通濾波器。該濾波器設計基于雙邊平行帶線結構，擁有低帶內插損和較寬的共模抑制能力等優點。并且介紹了一種濾波器的簡單設計方法。

二、 濾波器設計

圖1為所設計的平衡式低通濾波器的結構示意圖。傳統的雙邊平行帶線是一種平衡式傳輸線，其結構中間層為介質，介質兩面為對稱的信號線。因為雙邊平行帶線的對稱特性，我們可以將“地”線和“信號”線互換使用。通過將端口處成對的SMA接頭中的一個反接，可以實現差模等效電路與共模等效電路的互換，反之亦然。

差模情況下的低通特性是利用端口1（2）與端口1（2）相反的信號線來實現的。圖2為平衡式低通濾波器的差模和共模的等效電路以及L-C原型。

圖2 所設計的低通濾波器模的等效電路以及L-C原型電路

（a） 差模等效電路

（b） 共模等效電路

（c） 差模L-C原型電路

（d） 共模L-C原型電路

對于差模情況，如文獻[11]第5章所述，可利用開路枝節實現低通響應。具有較高阻抗的傳輸線可以等效為電感（L1、L2和L3），那么開路枝節可以等效為接地電容（C1和C2）。在本設計中，我們將3dB截止頻率設定為1GHz，兩個傳輸零點分別設置在1.66GHz和2.3GHz用來提高低通濾波器的頻率選擇性。其零點的計算公式如下：

（1）

對于共模響應，短路枝節可以等效為電感（L4和L5）和電容（C3和C4）的并聯。其共模的諧振點由并聯的L4C3和并聯的L5C4控制。而且這些共模諧振頻點遠離差模的通帶響應，所以該平衡式低通濾波器可以在較寬的頻帶內抑制共模信號。

表1為實現上述差模低通濾波器所需的L-C的值。圖3中的藍線部分為該低通濾波器利用L-C原型電路進行仿真的頻率響應。

基于上述理論分析設計了一款差分低通濾波器。其結構參數如下：l1 = 20 mm， l2 = 20 mm， l3 = 16 mm， l4 = 14 mm， w1 = 0.5 mm， w2 = 4.5 mm， w3 = 5.75 mm。基板采用羅杰斯4003C，其介電常數為3.38，厚度32mil，損耗角為0.0027。圖3中帶有紅色三角的曲線為該濾波器通過軟件仿真得出的頻率響應。由圖可見，與利用L-C原型電路的仿真結果吻合良好。

三、 測試結果

為了驗證其理論的正確性，我們加工了該濾波器的樣品。圖4為該樣品的照片。該濾波器的仿真結果是通過軟件Aglient ADS 和Ansoft HFSS。電路樣品測試采用Aglient公司的四端口矢量網絡分析儀N5230A，該儀器可以同時測出差模和共模的S參數。圖3為該平衡式電路的仿真與測試結果，兩者吻合良好。從該濾波器的測試結果中可以看出，低通濾波器的3dB截止頻率為1GHz，插入損耗小于0.22dB。該濾波器擁有良好的通帶性能，而且10dB的共模抑制能力可以達到2.7GHz。

四、 結論

本文提出了一種基于雙邊平行帶線的平衡式低通濾波器。通過相反的端口結構實現了平衡式濾波器差模響應的低通特性。為驗證該理論，設計并制造了該濾波器樣品，仿真與測試吻合良好。該濾波器的通帶性能良好，并擁有較寬的共模抑制能力，適用于現代無線通信系統。

致謝

項目基金：南通市科技計劃項目（GY12015021）。

參考文獻

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