基于階梯阻抗諧振器的寬帶帶通濾波器設計

貴州師范大學機械與電氣工程學院 劉凱正

0 引言

由于寬帶濾波器的帶寬優勢，令其在通信領域備受矚目[1]，同時引起了相關專家學者對寬帶濾波器的進一步研究，提出了多種設計方法[2-6]。程巍[2]等利用半波長槽線結構設計的寬帶濾波器，相對帶寬達到100%，具有明顯的帶寬優勢，但通帶兩側并未產生傳輸零點，從而限制了濾波器的頻選特性及阻帶抑制力。趙蘭、劉偉[3]利用高低通濾波器級聯法設計了一款具有陡峭邊帶特性的寬帶濾波器，但級聯法不利于濾波器的小型化。宛新文[4]等利用缺陷地結構（DGS）設計的寬帶濾波器，實測與仿真結果吻合較好，但其相對帶寬只有7%，且模型結構復雜。錢穎[5]等利用三線耦合線結構設計了一款具有三個傳輸零點的寬帶濾波器，在帶寬、頻選、通帶邊緣陡峭度及帶外雜散抑制等方面均具有較好的性能。

本文基于三階階梯阻抗諧振器（SIR）結構設計了一款寬帶帶通濾波器。利用加載終端短路枝節、開路枝節的兩個諧振器的相互作用，使諧振模式發生變化（雙模變為三模），利于濾波器的寬帶特性及靈活調節性。通過諧振器之間、輸入/輸出饋線與諧振器之間的縫隙耦合，令通帶兩側產生了兩個傳輸零點，有效提升了濾波器的頻選特性。

1 階梯阻抗諧振器分析

圖1 三階階梯阻抗諧振器基本結構

圖1所示為三階階梯阻抗諧振器基本結構，由a,b,c三段傳輸線連接而成（另一諧振器終端開路，即c段傳輸線無接地過孔，其他結構均相同，故只用圖1說明）。

根據傳輸線理論，圖1所示三階階梯阻抗諧振器發生諧振的條件為[7]：

短路時諧振條件為：

其中Zi（i=1,2,3）分別為a,b,c三段傳輸線的阻抗值，Zi/ Zj（i,j=1,2,3,i≠j）為每兩段傳輸線之間的阻抗比，θi（i=1,2,3）為對應的電長度，β為相位常數。

由公式(1)-(3)可知，在SIR各段傳輸線間阻抗比一定時，其諧振條件主要取決于各段傳輸線的物理長度。

為探究終端開路、終端短路的三階階梯阻抗諧振器的諧振模式，將圖1中諧振器結構在HFSS13.0電磁仿真軟件中進行仿真，選用Rogers 4350介質板，相對介電常數為3.48，損耗角正切值0.0002，厚度為0.508mm。模型參數為：L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，接地過孔半徑r1=0.2mm。其仿真結果如圖2所示。

圖2 三階階梯阻抗諧振器頻響曲線

由圖2可知，終端開路及終端短路型三階SIR結構均在某頻率范圍內產生兩個諧振頻率，即其實質為雙模諧振器。

2 寬帶帶通濾波器設計

圖3所示為本文所述寬帶濾波器拓撲結構。兩個三階SIR對稱分布，輸入/輸出饋線與諧振器之間采用縫隙耦合方式。

圖3 寬帶帶通濾波器拓撲結構

在上一節的討論分析中已經證實了三階SIR為雙模諧振器。通過兩個主體結構相同，終端結構不同的SIR相互作用，在輸入/輸出饋線與諧振器之間合理耦合的條件下，可改變濾波器整體的諧振模式。圖4為上圖中濾波器結構在弱耦合條件下的仿真結果，各參數同上，其他參數為：L0=10mm，L4=5mm，W0=1.06mm，W4=0.2mm，縫隙值S1=S2=0.5mm。

圖4 濾波器弱耦合仿真曲線

由圖可知，SIR間的相互作用，加之合理調節各部分模型參數，使濾波器整體表現出三模特性，改變了單一三階階梯阻抗諧振器的諧振模式，更加利于濾波器的寬帶特性。經過仿真優化，圖3中濾波器模型的最終參數為：L0=10mm，L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，L4=8.8mm，W0=1.06mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，W4=0.2mm，縫隙值S1=S2=0.2mm過孔半徑人r1=0.2mm。仿真結果如圖5所示。

圖5 濾波器最終仿真頻響曲線

由圖可知，本文所設計的基于三階SIR諧振器結構的濾波器具有明顯的寬帶特性。仿真結果顯示，3dB帶寬約為4GHz，（頻率范圍為3.42-7.42GHz），相對帶寬達到73.73%，中心頻率約為5.42GHz，通帶內最小插入損耗S21約為-0.41dB，最大回波損耗S11約為-13.66dB。兩個傳輸零點坐標分別為（2.8，-49.47）和（8.2，-46.61）。

3 結論

通過理論分析三階階梯阻抗諧振器的諧振條件，并經過仿真實驗證明了其雙模諧振器的本質特征。通過合理調節終端開路及終端短路的兩個三階SIR結構參數，使單一SIR的雙模諧振特性變為濾波器的三模特性，利于通頻帶的靈活調節。通過SIR諧振器之間、SIR與輸入/輸出饋線之間的適度耦合，使濾波器具有一定帶寬特性，且通帶兩側的兩個傳輸零點有效提升了濾波器的頻選特性及通帶邊緣陡峭度。

[1]黃凱,張申,卑璐璐.基于反耦合線的寬帶帶通濾波器設計[J].電子元件與材料,2015,34(4):39-42.

[2]程巍,章騰輝,吳佳佳,等.基于半波長槽線的寬帶帶通濾波器設計[J].浙江理工大學學報,2017,37(5):687-690.

[3]趙蘭,劉偉.級聯法實現寬帶LC帶通濾波器設計[J].無線電工程,2010,40(8):42-45.

[4]宛新文,何宏慶,李民權,等.一種新型DGS寬帶帶通濾波器[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2017,40(1):59-62.

[5]錢穎,張鳳娟,靳靜.結構緊湊的高選擇性寬帶帶通濾波器[J].電子器件,2016,39(5):1059-1062.

[6]楊勇,孫利國,漆威,等.一種新穎羊角形缺陷地結構寬帶帶通濾波器[J].壓電與聲光,2016,38(1):28-31.

[7]吳奕霖,王新懷.E型可調多枝節SIR雙通帶濾波器[J].微波學報,2016:230-233.