多阻带螺旋滤波器设计

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摘要：采用微带螺旋结构设计了一个多阻带螺旋滤波器。设计中选择了合适的等效电路模型，对微带电路的结构进行了仿真和优化。并根据优化结果制作并测试了多阻带螺旋滤波器。多阻带滤波器把特定频率的信号变弱，从而创建特定频谱，可应用于RFID标签的制作。

关键词： 多阻带； 螺旋谐振器

中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）26-01-01

引言

在现代通信系统中，滤波器已成为必不可少的器件，微带滤波器由于它的简单易制作、方便集成等特点，广泛应用在传输系统中，随着各种新型微带滤波器出现，性能不断改善，微带滤波器已经体现了它强大的应用价值。耦合谐振滤波器的提出，引起研究者注意和兴趣，它设计简单，易集成，高选择性，而且损耗小，所以耦合谐振滤波器受到人们的青睐。研究者已提出了各种各样的耦合滤波器，像马蹄形耦合滤波器[1]，矩形环绕耦合滤波器[2]等。一些耦合微带滤波器已用在带阻滤波器中，仿真与实际测量具有很好的一致性，说明了这种设计的可靠性、有效性。本文设计的微带螺旋谐振器耦合到微带线形成一个多阻带滤波器的结构具有很好的频率选择性和阻带抑制特性。

1 微带螺旋谐振器原理

当时变电磁场穿过螺旋结构时，微带线内部和外部产生了分布电容，微带线边缘产生了色散电容，这些色散电容可以等效成串联形式，螺旋微带线相邻的两条边还会产生互感。因此，螺旋谐振器的等效电路模型如图1所示[3]。

图1 螺旋谐振器的等效电路

图1其中 是分布电容， 表示了色散电容， 代表了螺旋线电阻， 为分布电感。其等效电路模型相当于一个阻带滤波器的 等效电路。它的谐振频率可由以下公式估算：

（1.1）

其中， 表示分布电容和色散电容的总和， 是分布电感和耦合电感的总和。

利用螺旋谐振器的频率选择特性，与微带线耦合可以形成阻带滤波器，下面先分析一个微带螺旋谐振器耦合到特性特性阻抗为 微带线的结构特性[4]。

图2 微带螺旋谐振器耦合微带线及其等效电路

图2显示了一个微带螺旋谐振器耦合到特性阻抗为 微带线的结构以及等效电路。 为构成螺旋谐振器的微带线宽度， 为微带线之间的间隙， 为螺旋谐振器和耦合微带线之间的耦合缝隙， 为螺旋谐振器的宽， 为螺旋谐振器的长度。螺旋谐振器等效电路中电感的总和 和电容的总和 决定了螺旋谐振器的谐振频率。

2 电路设计

这里使用了厚度为 ，介电常数为 ，损耗角正切为 的 材料。采用宽度为 微带线构成螺旋谐振器，间隙 ，距离 ， 微带线宽度 ，螺旋谐振器的宽 ，长 。

利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对此螺旋谐振器进行仿真分析，该螺旋谐振器中心频率为 ，有良好的阻带滤波特性， 带宽为 ，有较高的带内抑制水平。

3 电路制作

在其他参数确定的情况下，改变螺旋谐振器的长度 可以改变谐振器的谐振频率。这里使用六个长度不同的螺旋谐振器耦合到微带线，构成一个多阻带的滤波器，各个螺旋谐振器之间的间距 ，控制了螺旋谐振器之间的耦合。多阻带螺旋滤波器结构如图3所示。

图3 多阻带螺旋滤波器

图中， ， ， ， ， ， 。每个螺旋谐振器的长度决定了它的工作频率，因此六个螺旋谐振器有六个不同的谐振频率，由六个螺旋谐振器构成的多阻带螺旋滤波器的S参数曲线如图4所示。

图4 多阻带螺旋滤波器的S参数曲线

从图中可以看出有六个谐振点，每个谐振点的插入损耗都在 以下，谐振器之间的耦合较小。增加或减少螺旋谐振器的数量，可以方便的改变多阻带螺旋滤波器的阻带特性。

4 结论

通过分析螺旋谐振器的电路原理，建立等效电路，利用HFSS软件仿真和参数优化，制作并测试了多阻带螺旋滤波器，测试结果与仿真结果能很好拟合。谐振电路的实现方式，除了本文介绍的由多个螺旋耦合到微带传输线的方法外，还有很多实现方法，本着小型化和简化结构的原则，可以进一步深入研究。

参考文献

[1] Hong， J.S. and Lancaster. M.J. Cross-coupled microstrip hairpin-resonator filters. IEEE Trans Microw. Theory Tech， 1998，46（1）： 118-122

[2] Lee，S.Y.， and Tsai， C.M. New cross-coupled filter design using improved hairpin resonators. IEEE Trans Microw. Theory and Tech， 2000，48（12）：2482-2490

[3] Ho Lim， Jong-Hyuk Lee， Sang-Ho Lim， Dong-Hoon Shin and Noh-Hoon Myung. A Novel Compact Microstrip Bandstop Filter Based on Spiral Resonators. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007. 2221-2224

[4] Young-Taek Lee， Jong-Sik Lim， Chul-Soo Kim， Dal Ahn and Sangwook Nam. A Compact-Size Microstrip Spiral Resonator and Its Application to Microwave Oscillator. IEEE Microwave and Wireless Components letiers. 2002， 12（10）：375-377