一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器

王仕章，彭菊紅，王旭光，楊維明

(湖北大學 計算機與信息工程學院,湖北 武漢 430062)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.17

王仕章,彭菊紅,王旭光,等.一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器[J].無線電通信技術,2018,44(1):82-85.

[WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,et al.A Wide Stop-band Low-pass Filter Based on T-shape Parallel Branch[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):82-85.]

一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器

王仕章，彭菊紅，王旭光，楊維明

(湖北大學 計算機與信息工程學院,湖北 武漢 430062)

針對高低阻抗線結構的平面低通濾波器的阻帶不夠寬、截止頻率的2倍頻或3倍頻處出現(xiàn)寄生通帶、尺寸較大的問題,采用并聯(lián)T型枝節(jié)代替高阻抗傳輸線的方法，利用T型枝節(jié)構成的帶阻濾波支路，可以抑制寄生通帶，增加阻帶寬度，提高濾波器性能。以截止頻率為4.25 GHz的七階切比雪夫低通濾波器為例，實驗結果表明，通帶插損和回波損耗較小，過渡帶陡峭，頻率在13 GHz處的衰減低于-20 dB，阻帶較寬，可以抑制3次諧波，同時濾波器的體積減小了，改善了濾波器的性能，可為低通濾波器寬阻帶和小型化的設計及實現(xiàn)提供參考。

微帶低通濾波器；并聯(lián)T型枝節(jié)；寬阻帶；小型化

TN713

A

1003-3114(2018)01-82-4

2017-11-07

東南大學毫米波國家重點實驗室開放課題(K201811)

AWideStop-bandLow-passFilterBasedonT-shapeParallelBranch

WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,YANG Weiming

(School of Computer and Information Engineering,Hubei University,Wuhan Hubei 430062,China)

In traditional high-low impedance micro-stripe low-pass filter,the stop band is not wide enough,the additional parasitic pass band produces in 2 or 3 times frequency and the size of the filter is too large.In order to solve these problems,this paper proposes a method of replacing high-impedance transmission line by T-shape parallel branch.The band-stop filter branch constituted by T-shaped branch can be used to suppress the parasitic pass-band,increase the width of stop band and improve the performance of filter.By taking 7-step Chebyshev low-pass filter with cut-off frequency of 4.25 GHz as an example,the experimental results show that the pass-band insertion loss and the return loss are small,the excessive band is steep,the attenuation at the frequency of 13 GHz is less than -20 dB,the stop band is wide,which can reach the harmonics suppression of 3 times,and the size of the filter is reduced and its performance is improved,and it can supply references to the design of broad stop band and miniaturization of low-pass filter.

micro-strip low-pass filter;T-shape parallel branch;broad stop-band;miniaturization

0 引言

目前，平面低通濾波器通常采用的結構是開路短截線結構或高低阻抗線結構[1-4]，這種結構原理簡單，設計簡便，易于實現(xiàn)，但其阻帶一般不夠寬，在截止頻率的2倍頻或3倍頻處常會出現(xiàn)寄生通帶；此外，一般高低阻抗線結構是采用1/4λ高低阻抗線，尺寸可能較大。文獻[5]設計的電路，通過調節(jié)諧振單元和耦合單元的參數(shù)，改善了濾波器的寄生通帶，阻帶較寬，但濾波器的尺寸較大；文獻[6-7]利用開路T型枝節(jié)等效串聯(lián)微帶傳輸線的方法，電路阻帶抑制效果良好，但等效設計過程較復雜，而且當電長度較小同時微帶線的阻抗較大時，采用開路T型枝節(jié)等效高阻抗串聯(lián)傳輸線，尺寸會增大，而且此設計方案還會增加制作工藝和加工的難度。

為提高低通濾波器的阻帶性能，本文提出用并聯(lián)T型枝節(jié)直接代替高阻抗串聯(lián)傳輸線，相當于在原來設計的低通濾波器中引入帶阻單元，從而提高濾波器的阻帶的帶寬。現(xiàn)以七階切比雪夫低通濾波器為例進行了設計和仿真，結果表明，濾波器通帶插損和回波損耗較小，過渡帶陡峭，阻帶較寬，可抑制3倍頻的寄生通帶。

1 并聯(lián)T型枝節(jié)特性分析

1.1 T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€原理

并聯(lián)T型枝節(jié)[8-11]代替低通濾波器[12-13]中的串聯(lián)傳輸線的原理如圖1所示。

圖1 T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€原理圖

常規(guī)傳輸線的轉移矩陣M1為：

(1)

T型節(jié)中，特性阻抗為Z2的傳輸線的轉移矩陣M2為：

(2)

特性阻抗為Z3的傳輸線的轉移矩陣M3為：

(3)

如果忽略T型節(jié)的不連續(xù)性和開路終端效應，用T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€，則轉移矩陣應滿足:

M1=M2*M3*M2。

可得：

(4)

(5)

1.2 并聯(lián)T型枝節(jié)的特性仿真分析

本文采用的并聯(lián)T型枝節(jié)結構，如圖2所示。設T型節(jié)中特性阻抗Z3的傳輸線長度變量為length，加載的開路枝節(jié)長度變量為L，寬度變量為W。

圖2 并聯(lián)T型節(jié)的結構圖及尺寸圖

利用HFSS仿真軟件對圖2結構的并聯(lián)T型節(jié)進行仿真，觀察它的帶阻特性[14]。其中，仿真參數(shù)的選取為：微帶線的介質厚度h=0.8 mm，介質的相對介電常數(shù)εr=2.2，輸入阻抗和輸出阻抗為50 Ω。

① 變量length對諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的L=2.75 mm，W=1 mm，取變量length分別為4 mm、5 mm、6 mm、7mm、8 mm時，對電路進行參數(shù)掃描，得到仿真結果如圖3所示。

圖3 并聯(lián)T型節(jié)的變量length對諧振頻率的影響

從圖3可以看到，length=4 mm時對應的諧振頻率為6.1 GHz；length=8 mm時對應的諧振頻率為4.2 GHz。可見，隨著特性阻抗Z3的傳輸線長度length的增大，其諧振頻率減小。

② 變量L對諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的length=6 mm，W=1 mm，取變量L分別為2.6 mm、2.7 mm、2.75 mm、2.8 mm時，對電路進行參數(shù)掃描，得到仿真結果如圖4所示。從圖4可以看到，L=2.6 mm時對應的諧振頻率為8.5 GHz；L=2.8 mm時對應的諧振頻率為4.8 GHz。可見，隨著開路枝節(jié)長度L的增大，其諧振頻率在減小。

圖4 并聯(lián)T型節(jié)的變量L對諧振頻率的影響

③ 變量W對諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的L=2.75 mm，length=6 mm，取變量W分別為0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.25 mm時，對電路進行參數(shù)掃描，得到仿真結果如圖5所示。

圖5 并聯(lián)T型節(jié)的變量W對諧振頻率的影響

從圖5可以看到，寬度W對諧振頻率影響不明顯，但當寬度比較小時，其阻帶衰減比較大。

通過上述仿真結果分析，可見，通過調節(jié)T型枝節(jié)的length、L、W變量對諧振頻率有一定的影響。

2 寬阻帶低通濾波器設計

微帶低通濾波器的設計要求為：通帶截止頻率為4.25 GHz，通帶內波紋小于1 dB，頻率為6 GHz時的衰減大于40 dB，在3倍截止頻率處具有不小于20 dB的帶外衰減。

2.1 高低阻抗線結構的低通濾波器設計

微帶低通濾波器常用的結構為開路端短截線結構和高低阻抗線結構，這兩種結構的設計過程都較為成熟，易于實現(xiàn)。一般的設計過程是，先設計出集總參數(shù)的歸一化的低通濾波電路，再變換為高低阻抗線結構的微帶濾波器。根據(jù)設計要求，選擇介質基片厚度為0.8 mm，介質的相對介電常數(shù)為2.2，選用1 dB等波紋切比雪夫濾波電路。在ADS平臺中，設計出七階高低阻抗結構的微帶濾波器電路，如圖6(a)所示，其仿真結果如圖6(b)所示，由仿真結果可以看出，濾波器的過渡帶較緩， 頻率為6 GHz時衰減小于-25 dB，但存在寄生通帶，不能抑制多倍頻的諧波分量，阻帶帶寬較窄。因此不滿足設計要求，需進一步優(yōu)化。此外，由圖6還可算出，高低阻抗線結構的濾波器尺寸為35.11 mm×5.85 mm。

圖6 高低阻抗微帶低通濾波器電路和仿真結果

若將高低阻抗線轉換為串聯(lián)的傳輸線和并聯(lián)的開路短截線相級聯(lián)的結構，采取基于Richards變換與Kuroda規(guī)則的微帶濾波器的設計方法，濾波器的性能會有所優(yōu)化，但是濾波器的面積還會進一步增大[15]。

2.2 基于并聯(lián)T型枝節(jié)的低通濾波器設計

由于并聯(lián)T型枝節(jié)結構在其諧振頻率處有極大的衰減，且在通帶內插入損耗極小，因此在設計時，只要把并聯(lián)T型枝節(jié)的諧振頻率設在要限制的寄生通帶的中心頻率處，就能很好地抑制諧波[16-17]。為了更好地利用并聯(lián)T型枝節(jié)的帶阻特性，可以加載多個并聯(lián)T型枝節(jié)，將上述高低阻抗結構中的高阻抗串聯(lián)傳輸線，用T型枝節(jié)替代，得到七階濾波器結構如圖7所示。

在圖7中，并聯(lián)T型枝節(jié)的length為6 mm，L為2.75 mm，寬W為1 mm。微帶線兩端的2個并聯(lián)枝節(jié)長度為5.2 mm，寬度為1.5 mm；中間的并聯(lián)枝節(jié)長為5.2 mm，寬為2 mm；濾波器的尺寸為24 mm×7 mm，比高低阻抗結構濾波器面積小一些。仿真結果如圖8所示。

圖7 基于并聯(lián)T型枝節(jié)的七階低通濾波器

圖8 基于并聯(lián)T型枝節(jié)低通濾波器的仿真曲線

從圖8可以看到，截止頻率4.25 GHz內的插損和回波損耗小；4.8 GHz頻率處衰減最大，過渡帶陡峭；13 GHz頻率處的衰減低于-20 dB，阻帶較寬，而且到了近3倍頻的寄生通帶，能抑制多次諧波，尺寸面積減小，可為濾波器寬阻帶和小型化設計提供參考。

3 結束語

本文設計了一種銳截止、寬阻帶、結構簡單、易于實現(xiàn)的新型的并聯(lián)T型枝節(jié)低通濾波器。以七階切比雪夫微帶低通濾波器為例進行了設計與仿真，結果表明：低通濾波器通帶插損小于0.5 dB，過渡帶陡峭，-20 dB阻帶達到了13 GHz，能抑制3次諧波，濾波器面積比高低阻抗結構濾波器的面積有所減小。本設計方法簡單，便于加工，僅需要調節(jié)對T型節(jié)的諧振頻率，即可以擴展阻帶的帶寬。這種插損低，銳截止、尺寸小、寬阻帶的結構，可以推廣到寬阻帶的帶通濾波器的設計當中，為實際電路提供參考。

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王仕章(1996—)，男，本科，電子信息工程專業(yè)，主要研究方向：微波濾波器；

彭菊紅(1978—)，通訊作者，女，碩士，講師，主要研究方向：射頻微電子學。