一種新型的懸置帶狀線帶阻濾波器設計

2020-06-18 02:02:12余澤和歷陽許立強劉長軍

應用科技 2020年1期

余澤，和歷陽，許立強，劉長軍

四川大學電子信息學院，四川成都 610064

微波濾波器廣泛應用于無線通信系統，傳輸有用信號并抑制干擾信號[1-2]。如果某頻段有較強干擾信號，通常采用帶阻濾波器進行抑制[3]。與傳統微帶線和共面波導相比，懸置帶狀線(suspended strip-line, SSL)具有許多優點，比如低介質損耗、低輻射損耗、穩定性好等[4-7]。因此，SSL傳輸線常被用于設計低插損濾波器[8-10]。文獻[8]提出了一種基于帶狀線具有寬阻帶的超寬帶低插損帶通濾波器，但是帶狀線加工難、成本高。文獻[9]提出了一種結構緊湊的SSL諧振器，實現諧振器尺寸的小型化。文獻[10]提出了在諧振器開路端進行電容加載實現諧振器的小型化，設計了一種具有可控傳輸零點的SSL帶通濾波器。這些原諧振器改進在一定程度上影響了濾波器的性能。

在這些傳統的SSL濾波器設計中，支撐SSL的金屬外殼通常有一定厚度，兼具接地和電磁屏蔽功能[11-14]。本文提出了在SSL的金屬外殼中構造矩形腔諧振腔，形成具有帶阻特性的SSL傳輸線。基于該諧振器，設計了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器。該濾波器結構緊湊，阻帶中心頻率為12.5 GHz，帶寬為1.35 GHz，阻帶衰減大于25 dB。

1 矩形腔諧振腔

懸置帶狀線是一種具有獨特優勢的傳輸線，具有損耗低、穩定性好等優點。SSL傳輸線的結構如圖1所示，金屬外殼用斜線填充，中心空白區域為空氣腔。網格填充部分為介質基板R05880(εr為2.2)，豎線填充部分為基板上的敷銅貼片。由于SSL兩端要固定同軸接頭，金屬外殼一般具有一定厚度。金屬外殼占據了器件絕大部分的重量和體積。

圖1 SSL傳輸線橫截面

微帶線中的缺陷地結構(defected ground structure, DGS)是通過在微帶接地板上開槽，形成具有帶阻特性的微帶傳輸線[15-19]。類比于該原理，本文提出了在SSL的金屬外殼中構造矩形腔諧振腔，形成帶阻特性的SSL傳輸線。具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線模型如圖2所示，具體尺寸如表1所示。

圖2 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線

表1 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線 mm

在SSL傳輸線空氣腔上方構造矩形腔，SSL兩端通過端口加激勵，四周均設為金屬。SSL傳輸線上方的矩形腔可以看作是一個終端短路的理想波導傳輸線，其輸入阻抗與矩形諧振腔深度d的關系為

式中：a和b分別為波導的寬邊和窄邊；ω0為諧振角頻率；m和n代表諧振模式。對于TE10模式，隨著諧振腔長度a和深度d的增加，諧振頻率將減小。

圖3 矩形腔諧振腔的等效電路

對圖2提出的結構進行仿真，S參數如圖4所示：矩形腔諧振腔在SSL上呈現帶阻特性，并在17.19 GHz產生諧振。諧振器的諧振頻率與長度a和深度d的關系，分別如圖5和圖6所示。當保持d=8 mm不變，諧振頻率隨著a的增大而向低頻偏移；當保持a=12 mm不變，諧振頻率隨著d的增大也向低頻偏移。因此，通過改變諧振腔的尺寸，可以抑制Ku波段內的任意頻率的干擾信號。

圖4 矩形腔諧振腔的SSL傳輸線的S參數

圖5 腔體長度a與諧振頻率關系

圖6 腔體深度d與諧振頻率關系

一般SSL濾波器的諧振單元都是沿著傳輸線依次排列，導致SSL較長，增加了濾波器的體積和重量。本文提出的諧振結構垂直于帶狀線排列，減少了SSL傳輸線的長度，使得SSL濾波器的結構更加緊湊。

具有單個矩形腔諧振腔的SSL傳輸線阻帶窄，帶寬僅為180 MHz，如圖4所示。為了增加阻帶帶寬，在SSL的上方和下方引入了2個相同的λg/4的矩形腔諧振腔，組成一個λg/2的矩形腔諧振腔，結構如圖7所示。仿真的結果如圖8所示。該結構的阻帶增加到了600 MHz，阻帶中心頻率偏移到了16.17 GHz。