一種分布式寬帶高通濾波器的設計方法

丁 海，孟弼慧，劉志軍

（京信通信技術（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

1 高通濾波器

高通濾波器是對低頻信號有抑制要求，而某一定頻點以上信號可通過的濾波器。高通濾波器理論模型是使用串聯電容、并聯電感來實現[1]。針對大功率應用需要的高通濾波器，電容和電感需要分布參數實現。各種分布式濾波器模型中，最佳分布式高通模型的工作帶寬是最寬的，由一系列短路枝節級聯而成。因為連接短路枝節的連接線是非冗余結構，也參與諧振，所以稱為最佳分布式模型。最佳分布式高通模型適合2 倍頻以上的濾波器設計，非常適用于設計寬帶高通濾波器[2]。

短路枝節及連接線的阻抗與高通通帶有關。通帶越窄，短路枝節阻抗越低，而連接線的阻抗越高；通帶越寬，短路枝節阻抗越高，連接線的阻抗越低。通常情況下，最佳分布式高通濾波不適合設計窄帶濾波器，更適合制作寬帶濾波器[3,4]。最佳分布式高通濾波主要由傳輸線組成，可以是微帶線，也可以是空氣帶狀線。傳統方法的帶線形式高通濾波器尺寸偏大，設計不靈活，如圖1 所示[5]。圖1 的高通濾波器采用傳統的多級短路枝節串聯方法設計，長度偏大，應用受限，因此需要開發一種設計靈活、結構簡單的小型化寬帶高通濾波器設計方法。

圖1 傳統高通濾波器

2 方案設計

提出一種新的寬帶高通濾波器子網格設計方法，采用折疊式子網格形成一個三端口子網絡，再從最佳分布式高通模型設計思路出發，采用子網絡級聯方式設計組成一個寬帶高通濾波器，如圖2 所示。子網絡是利用一個短路枝節及2 側連接線組成的一個三端口網絡，通過子網絡仿真確定高通濾波器的基本參數，包括中心頻率、截止頻率等，同時通過調整子網絡中短路枝節及連接線的尺寸參數得到對應的多個諧振頻率。諧振頻率設置在高通濾波器的通帶內，可以有效增寬高通濾波器的通帶寬度，形成寬帶高通濾波器。

圖2 創新的三端口子網絡

短路枝節電長度為θc，工作頻率為fc（高通濾波器的截止頻率）。枝節之間由電長度為θc的傳輸線連接。濾波器包含n個枝節，對于高通濾波器響應，變量f為頻率，θ為電長度，比例為，濾波器的基本通帶為θc～π-θc。濾波器特性可以用傳輸函數S21(θ)定義，即

式中：ε為紋波常數；θc為電長度；FN(θ)為濾波函數。

濾波函數可表示為

式中：n為短路枝節數。

3 算例驗證

開發一款800 ～2 700 MHz 頻段的高通濾波器產品，要求插入損耗不大于0.5 dB，駐波比不大于1.3，互調抑制要求滿足3 階反射互調，接頭類型為N-K。仿真設計具體流程如下。

第1 步：系統仿真。建立仿真理論模型，常用的是巴特沃斯理論模型和切比雪夫理論模型。因為巴特沃斯模型可以減少帶內波動，所以本設計用巴特沃斯設計方法。確定每段短路枝節尺寸與連接線的阻抗，利用理想電路等效模型得到設計參數，設計指標包括通帶、阻帶、過渡帶及截止頻率等參數，通帶是信號通過的頻帶，阻帶是抑制信號通過的頻帶，過渡帶是通道到阻帶過渡的頻率范圍，截止頻率是允許頻率通過的邊沿頻率點。

第2 步：將整個系統分解成若干個子系統。分解的子系統直接影響設計效率，要求最好能夠相似，每一個子系統分別設定為第一節濾波器、第二節濾波器…第n節濾波器；多節濾波器實現級聯，每一節濾波器先計算截止頻率及帶內波紋，然后通過阻帶特性計算濾波器的節數。濾波器的節數越多，抑制性能越好，節數越少，抑制性能越差。

第3 步：設計子系統。先確定子系統的電氣指標特性，如本項目的三端口網絡需要確定特征阻抗、反射相位特性，再利用三維場仿真軟件精確設計每個子系統。在三維場仿真軟件中，可以利用數值計算方法，設定波端口，精確剖分網格，經過多次計算得到子系統的模擬仿真散射參數及對應的尺寸要求，使其滿足系統指標。

第4 步：用子系統組成整個大系統，級聯仿真大系統，微調電路結構，使其滿足整體高通濾波器的性能要求。不同節濾波器級聯時，需要考慮級聯匹配問題，如果相鄰節濾波器的阻抗不匹配，信號就會反射，傳遞通過的信號能量就會減弱，可以通過增加一些枝節實現信號的匹配。非相鄰節濾波器存在寄生耦合的影響，需要微調枝節尺寸，消除或減弱寄生耦合。通過系統的整體仿真，可以實現濾波器的精確仿真，不同節之間實現匹配，消除寄生的耦合，最終得到整體散射參數特性。需要注意，由于仿真和實際加工存在誤差，這2 個誤差最好能夠匹配，以提高設計的準確度。

該方法創新了三端口網絡的結構方案，接頭位置設計靈活，空間利用率高，整體尺寸減小，遠小于傳統直線形設計方法。圖3 為電路模型，圖4 為響應曲線。

圖3 高通電路模型

圖4 仿真結果

得到初步理論電路模型后，在三維結構場仿真軟件中進行全腔仿真，加工實物測試，最終得到實測性能。高通濾波器全腔結構模型如圖5 所示，測試響應曲線如圖6 所示。

圖5 高通濾波器全腔結構模型

圖6 測試響應曲線

4 結 論

文章提出了一種新型分布參數的高通濾波器，采用多個模式的子網絡設計方法，將子網絡級聯組成高通濾波器。通過對800 ～2 700 MHz 頻段的高通濾波器進行設計驗證，結果顯示測試曲線與仿真曲線吻合良好，驗證了方法的準確性和有效性，且設計靈活，結構尺寸小。