基于SIR的準橢圓函數微帶帶通濾波器設計

劉凱正，劉仕琴，向天宇，鄭曉緣，雷 濤

（1. 貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 吉安職業技術學院 機械與電子工程學院，江西 吉安 343000）

現代無線通信系統對射頻濾波器的小型化、高性能方面的要求越來越高，而提高濾波器的選擇性與帶外抑制度是提高射頻濾波器性能的主要發展方向之一。對于微帶濾波器而言，目前提高濾波器的選擇性與帶外抑制度的主要方法包括：1、增加傳統單模濾波器的階數來提高濾波器的選擇性和帶外抑制度，如梳狀結構、交指結構、發夾結構等[1-2]；2、通過交叉耦合[3]或源負載耦合[4]等方式引入帶外傳輸零點來提高濾波器的選擇性和帶外抑制度，如級聯三胞（CT）結構、級聯四胞（CQ）結構等[5]。此兩種方法都存在著電路尺寸過大，帶內插入損耗較高的缺點，并且由于這兩類濾波器耦合結構較復雜，優化參數較多，優化設計時間成本較高；3、通過雙模或多模濾波器方法實現具有多傳輸零點的微帶濾波器，其主要優點是設計簡單，濾波器尺寸較小，帶內插入損耗較低，但此方法大多采用單階諧振器，因而帶外抑制度大多在25 dB左右，帶外抑制度比較低[6-8]。本文首次提出一種基于階梯阻抗諧振器（SIR）的兩階帶通濾波器，采用邊緣耦合的方式，實現具有兩個傳輸零點的小型化準橢圓函數帶通濾波器。該款濾波器結構簡單，易于設計，具有較高的選擇性與帶外抑制度，并且帶外一次雜散得到有效抑制。

1 濾波器結構設計與分析

濾波器主要由輸入/輸出（I/O）微帶傳輸線結構與兩個SIR組成。輸入/輸出微帶傳輸線結構包括與SIR進行耦合的部分以及與外電路進行連接的部分，該部分的傳輸線特性阻抗為50 Ω。SIR包括高阻抗線部分與低阻抗線部分，具體結構見圖1。

圖1 帶通濾波器結構Fig.1 Structure of bandpass filter

濾波器奇偶模等效電路如圖2所示，Z1、θ1表示低阻抗線的特性阻抗與電長度，Z0o、Z0e、θ0表示耦合線的奇模阻抗與偶模阻抗以及耦合線的電長度。由于該濾波器具有對稱結構，因此可以采用奇偶模方法對濾波器的傳輸零點進行分析[9]。奇偶模等效電路如圖2所示，假設θ0=θ1=θ，偶模輸入阻抗Zine與奇模輸入阻抗Zino分別為：

圖2 濾波器奇偶模等效電路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuits

根據傳輸零點的產生條件Zine=Zino，可以得到傳輸零點的頻率為：

公式(3)、(4)表明濾波器上下阻帶各有一個傳輸零點，提高了濾波器的選擇性與帶外抑制度。

2 濾波器設計

介質材料為Rogers4350，相對介電常數為3.48，厚度為0.508 mm，銅模厚度為0.035 mm。采用ADS電磁仿真軟件對濾波器進行仿真分析，設置初始參數L1=12.2 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.25 mm，S2=0.2 mm，S3=0.2 mm，高阻抗線長度L1、低阻抗線的長度L2以及低阻抗線寬度W2對濾波器頻率響應的影響如圖3、4、5所示，L1、L2、W2越大，濾波器通帶中心頻率越低，可以通過調節長度L1、L2、W2改變濾波器的中心頻率；L1、L2、W2不僅影響濾波器的帶寬，而且影響一次雜散的頻率以及一次雜散處的抑制度。

圖3 高阻抗線長度L1對濾波器響應的影響Fig.3 Effects of length L1 on frequency response

圖4 低阻抗線長度L2對濾波器響應的影響Fig.4 Effects of length L2 on frequency response

圖5 低阻抗線寬度W2對濾波器響應的影響Fig.5 Effects of width W2 on frequency response

濾波器頻率響應隨兩個SIR的耦合間隙S1的變化如圖6所示，耦合間隙S1主要影響濾波器的帶寬，S1越小，帶寬越大。濾波器頻率響應隨 I/O饋線與諧振器的耦合間距S2的變化如圖7所示，耦合間距S2主要影響濾波器的回波損耗S11。

圖6 諧振器耦合間距S1對濾波器響應的影響Fig.6 Effects of distance S1 on frequency response

圖8 濾波器實物圖Fig.8 Photograph of the fabricated filter

圖9 濾波器仿真測試結果Fig.9 Simulated and measured filter performances

優化得到濾波器的尺寸為L1=11.8 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.32 mm，S2=0.18 mm，S3=0.2 mm。加工的濾波器實物如圖8所示，濾波器有效尺寸為 16 mm×3.32 mm，等于 0.45λg×0.093λg（λg為通帶中心頻率的波導波長），采用矢量網絡分析儀Agilent N5230A對濾波器的S參數進行測試，濾波器仿真測試結果如圖9所示，濾波器通帶中心頻率為4.95 GHz，帶寬為762 MHz，相對帶寬為15.4%，帶內最小插入損耗為1.6 dB，兩個傳輸零點分別位于2.34 GHz、6.3 GHz，回波損耗大于15 dB，通帶附近的下阻帶抑制度大于 40 dB，上阻帶抑制度大于35 dB，阻帶一次雜散的抑制度大于25 dB，上阻帶寬度為9 GHz。該款濾波器與參考文獻中微帶結構濾波器的指標對比如表1所示，對比可知，該款濾波器帶內插損較小，結構更加緊湊，選擇性與帶外抑制度更高。

表1 與其他文獻濾波器技術指標的對比Tab.1 Comparison with other titles reported bandpass filters

3 結論

本文基于 SIR，采用邊緣耦合的方式，實現了具有兩個傳輸零點的準橢圓函數帶通濾波器，采用兩階 SIR，在幾乎不增加濾波器尺寸的情況下，有效提高了濾波器的帶外抑制度，并且有效抑制了阻帶的一次雜散，SIR諧振器的低阻抗線增加了濾波器設計的自由度。該款濾波器設計簡單，結構緊湊，帶內插損低，選擇性與帶外抑制度高，能夠廣泛應用于無線通信系統中。

參考文獻：

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