小型化宽阻带微带带通滤波器的设计

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摘 要： 提出一种小型化宽阻带微带带通滤波器，采用半波长阶跃阻抗谐振器结构，且在不相邻的谐振器之间引入交叉耦合，从而在滤波器的阻带上产生了2个传输零点，使阻带抑制在3.95～13.27 GHz小于-20 dB，使寄生通带在中心频率的3.92倍处。滤波器的最终尺寸仅为12.2 mm×11.5 mm，即0.21λg×0.2λg，相比于传统的发夹型滤波器，此滤波器的体积减小了63.5%，而且实测的结果与仿真结果达到了较好的一致性。所提出的滤波器具有更宽的带外抑制，更小的尺寸，且设计简单，在工程领域具有实际的应用价值。

关键词： 阶跃阻抗谐振器； 交叉耦合； 小型化； 宽阻带

中图分类号： TN713.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0080?03

0 引 言

近年来，随着移动通信系统、雷达系统以及超宽带通信系统的发展，小型化、宽阻带性能的滤波器在实际应用中受到了广泛关注。传统的并联分支线低通滤波器和半波长平行耦合线滤波器的寄生通带都位于中心频率的2倍处，而传统的阶跃阻抗谐振滤波器的寄生通带在中心频率的2.5倍处左右，应用时很难获得宽阻带的抑制效果。而且此类滤波器的尺寸较大，阻带窄，受微带加工最小宽度的限制，滤波器的性能受到一定的制约。为了得到陡峭的衰减边沿及更好的阻带特性，需要增加短路或开路短截线数， 但这会进一步增大电路尺寸，并且在通带内引入更多的插入损耗。

通过在有限频率处引入传输零点可以获得较好的频率选择特性及带外抑制。在滤波器的设计中，交叉耦合被广泛用来在阻带引入有限传输零点，这些传输零点可以很好地改善带边过渡特性及阻带抑制能力。

本文首先分析了阶跃阻抗谐振器[1]的结构原理、三阶交叉耦合结构原理[2-4]，随后设计了一个宽阻带滤波器，其寄生通带在中心频率的约4倍处，比一般的滤波器具有更宽的阻带，并对仿真与实测结果进行了分析，且得到了较好的一致性。

1 基本设计理论

1.1 阶跃阻抗谐振器原理

阶跃阻抗谐振器常采用[λg4]型、[λg2]型或[λg]型三种基本谐振结构，其中[λg2]型谐振器的基本结构如图1所示，为非等电长度半波长结构，由特征阻抗分别由[Z1]和[Z2]的传输线组成，其对应电长度为[θ1]和[θ2。]

如果忽略结构中的阶跃非连续性和开路端的边缘电容，从开路端看的输入导纳[Yin]为：

[Yin=jY2K（tanθ1+tanθ2）（K-tanθ1tanθ2）K（1-tan2θ1）（1-tan2θ2）-2（1-K2）tanθ1tanθ2] （1）

式中：[K]为阻抗比，定义为[K=Z2Z1。]为设计方便， 取[θ1=θ2=θ，]则式（1）简化为：[Yin=jY22（1+K）（K-tan2θ）tanθK-2（1+K+K2）tanθ] （2）

其谐振条件为：[Yin=0，]得其基频振荡条件为[K=Z2Z1=tan 2θ。]由此公式可知，阶跃阻抗谐振器的谐振条件取决于电长度[θ]和阻抗比率[K。]

1.2 三阶交叉耦合结构原理

对于窄带滤波器，其三阶交叉耦合滤波器的等效电路如图2所示。相邻谐振器间的耦合用[M12]和[M23]表示，交叉耦合用[M13]表示。外部品质因数[Qe1]和[Qe3]各表示输入和输出耦合。图2所示的耦合滤波器等效电路可以被转换为一个低通原型滤波器形式，如图3所示。其中每个矩形框代表一个频率不变的[J]导纳变换器。在一个对称的二端口电路中，[J12=J23=1，][g0=g4=1，][g1=g3，][B1=B3。]

2 滤波器设计实例

根据以上介绍的基本原理，本文设计了一个中心频率为3 550 MHz，相对带宽10%（绝对带宽为355 MHz），通带内回波损耗为-20 dB，高端4～13 GHz的抑制要大于20 dB的滤波器。采用的板材是Rogers 5880，其介电常数为2.2，介质损耗角正切为[tan δ=]0.000 9，厚度为0.508 mm，铜箔厚度为0.018 mm，其电导率为5.7×107 S/m。

根据上面的三阶交叉耦合结构原理，可以得到三阶交叉耦合滤波器的低通原型参数值为[5]：

[g1=g3=0.757，g2=0.921；B1=B3=0.098，B2=-0.46；]

[J12=J23=1，J13=-0.237。]且可得：

[f01=f03=3 527.2 MHz，f02=3 640.1 MHz；Qe1=Qe3=][7.57，M12=M23=0.12，M13=-0.031。]

可以发现，谐振器1和谐振器3的谐振频率要低于中心频率，而谐振器2的谐振频率要高于中心频率。由[f0=]3 550 MHz和FBW=0.1可得归一化耦合矩阵[5]：

[m=-0.1291.2-0.311.20.5081.2-0.311.2-0.129] （3）

根据算得的耦合系数与外部品质因数确定谐振器间隙的大小和谐振器的摆放位置、馈线抽头的位置。谐振器间的耦合系数[k，]可以通过全波仿真软件算出耦合形式下的两个谐振频[f1]和[f2，]即可得到：

[k=±f22-f21f22+f21] （4）

品质因数计算公式如下：

[Qe=f0δf3 dB] （5）

式中：[f0]为谐振频率；[f3 dB]为单端激励时谐振器的输入或输出3 dB带宽。

从而可以得到滤波器的初步的物理尺寸，再接合全波仿真软件仿真优化，最终得到滤波器的版图如图4所示，其具体的物理尺寸见表1。

图5为该滤波器的仿真结果。从仿真结果可以看到在3.95～13.27 GHz的阻带内，其抑制在-20 dB以下。其在高端产生了2个传输零点TZ1和TZ2，其频率分别为3.99 GHz和4.55 GHz，其衰减分别为-53.83 dB和-61.25 dB。从图5中可以看到寄生通带的中心频率为13.98 GHz，使其谐波抑制达到3.92倍频，可以看到其宽阻带抑制的特性。

图6为加工实物图，可以看到其尺寸相对于传统的滤波器小了很多，说明了此结构具有小型化的优点。滤波器的最终设计尺寸（除了馈线外）仅为12.2 mm×11.5 mm，即[0.21λg×0.2λg，][λg]是在中心频率处的波导波长。与已有文献结果作对比，如表2所示。由表2可知，本文所提的小型化宽阻带滤波器的各项性能大大优于已有文献结果。文献[7]是基于接地开口环的微带滤波器，文献[6，8]是微带发夹型SIR滤波器，与它们相比，本文提出的滤波器的面积最大减小了63.5%，由此可见，此滤波器具有小型化宽阻带的特性。

使用的测试仪器为Agilent公司的E5071C矢量网络分析仪，在常温条件下对该滤波器进行测试， 实际测量结果与仿真结果吻合较好， 如图7 所示。从实测结果来看，中心频率为3.63 GHz，带内最小插入损耗为1.01 dB，带内反射优于17.25 dB。在高端有2个传输零点TZ1和TZ2，其衰减分别为-33.12 dB和-52.87 dB。从图7中可以看到，在4.106～13.1 GHz内，其抑制达22.45 dB以上，这说明此滤波器具有很宽的阻带抑制特性。

从仿真与实测对比可以看出，仿真与实测稳合较好，具有较好的一致性。只是中心频率稍微有点偏移，且带宽稍微变宽了一点，造成这样误差的主要原因可能是由于制作工艺上的偏差，由于此结构中最小的间距是0.1 mm，通常要求的最小间距是0.2 mm；还有板材的不均匀性、不一致性，以及各种损耗，包括SMA接头损耗、介质基板铜箔的导体损耗、介质损耗和辐射损耗等，这些因素都会对实测结果造成相应的影响。

3 结 论

本文提出了具有小型化宽阻带特性的滤波器，并设计了一个中心频率为3 550 MHz，相对带宽为10%，高端抑制有2个传输零点的滤波器，使阻带抑制在3.95～13.27 GHz小于-20 dB，使寄生通带在中心频率的3.92倍处。滤波器的最终设计尺寸仅为[0.21λg×0.2λg，]相比于其他发夹型SIR滤波器，此滤波器的体积减小了63.5%。仿真结果和实测结果都都达到了较好的一致性，并且具有很宽的阻带，较低的插入损耗，呈现出很好的选择性和宽阻带特性，且结构简单，易于实现，显示了很好的优越性。因此该滤波器具有深刻的研究意义。

参考文献

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