一種新型超寬帶集總濾波器的設計

厲建國

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

隨著超寬帶無線通信技術的發展，超寬帶濾波器作為關鍵器件之一得到了國內外學者的廣泛關注，并獲得了快速發展。

由于相對帶寬較寬，傳統的濾波器綜合法難以設計出符合工程實用要求的超寬帶濾波器[1]。超寬帶濾波器在實現形式上主要有三種：高通濾波器+低通濾波器、高通濾波器+帶阻濾波器、帶通濾波器等。

工程中多采用高通濾波器與低通濾波器直接級聯的方式來實現超寬帶濾波器，當FH/FL過大（即下截止頻率FL較低而上截止頻率FH較高）時，高通濾波器的懸空節點和集總元件自身的寄生參數會嚴重影響通帶特性。本文介紹的超寬帶濾波器采用低通+高通+低通的結構形式，通過電路結構變換并對元件值進行優化設計可以較好的解決這些問題。

1 雙端口網絡級聯分析

雙端口網絡的電壓、電流基本定義[2]如圖1所示。

根據圖1 可以定義雙端口網絡的ABCD 參量矩陣（級聯矩陣）：

依據（1）式可求得圖2所示串聯阻抗元件二端口網絡的ABCD 參量，見（2）式。

同樣，依據（1）式亦可求得圖3所示并聯阻抗元件二端口網絡的ABCD 參量，見（3）式。

微波電路通常采用簡單網絡的級聯方式構成。因此，推導出簡單雙端口網絡的ABCD 參量表達式是非常重要的，這些雙端口網絡可用來構成更復雜電路的基本單元。

ABCD 參量亦適合于描述級聯網絡[2]，如圖4所示的兩個級聯網絡，第1 個網絡的輸出電流與第2 個網絡的輸入電流在數值上相等，符號相反（即）；第1 個網絡輸出端口的電壓降 等于第2 個網絡輸入端口的電壓降，也就是。

因此，兩個網絡級聯形成新網絡的ABCD 參量矩陣等于這兩個網絡ABCD 參量矩陣的乘積。依據電壓、電流定義的相應關系，可直接求解網絡參量之間的變換關系，本文不再贅述。

圖1：雙端口網絡

圖2：串聯阻抗元件雙端口網絡

圖3：并聯阻抗元件雙端口網絡

圖4：兩個雙端口網絡級聯

圖5：原型電路

圖6：引入懸空節點寄生參量

2 電路仿真設計

圖7：電路拓撲結構

圖8：S 參數仿真曲線

圖9：實測S 參數曲線

2.1 原型電路選取

選取切比雪夫函數型濾波器，它在通帶內具有等紋波特性，過渡帶陡峭且阻帶單調下降，阻帶抑制高。為了使高、低通電路級聯后產生的懸空節點最少，選取T 型高通原型網絡和π 型低通原型網絡，如圖5所示。

2.2 懸空節點的處理

高通濾波器不可避免的存在懸空節點，由于本文設計的超寬帶濾波器上截止頻率較高（FH為3.1GHz），實際制作時懸空節點產生的寄生參量將嚴重影響通帶特性，使帶內插損變大、回波損耗惡化。因此，要得到較好的通帶頻響特性，需將懸空節點產生的寄生參量CP帶入電路中（如圖6所示），然后對其它元件進行優化設計以得到易于工程實現的元件值。

2.3 電路仿真和優化

使用微波電路仿真軟件進行整體電路設計，電路輸入輸出端采用感性匹配網絡，電路拓撲結構如圖7所示。

經過微調和優化元件值得到的S 參數仿真曲線如圖8所示，其中1dB 帶寬范圍為100MHz 至3100MHz，帶內回波損耗在-24dB以下，在4.4GHz 處抑制大于50dBc。

3 測試結果與分析

通過上述的仿真與分析，對整個濾波電路進行合理的版圖布局，將整個電路集成在38mm×13mm×13mm 的屏蔽金屬封裝中，經測試性能良好。實測結果如圖9所示。

從實測曲線可看出，濾波響應達到預定要求，與設計基本吻合，而且阻帶特性良好，從4.4GHz～8.5GHz 衰減大于50dB。該設計方法較為靈活，具有以下明顯的優點：

（1）設計方法簡單；

（2）結構簡單，體積小；

（3）易裝配調試，工程實用化強。

4 結論

本文設計了一種結構簡單、易于裝配調試、具有良好的通帶和阻帶特性的超寬帶帶通濾波器。通過在高通濾波器的輸入和輸出端各級聯一個低通濾波器并經過適當的電路變換和仿真優化實現了超寬帶濾波。通過設計仿真和實例制作，證明了該方法可行且實用。目前，正逐步地應用于各種超寬帶微波通訊系統中。