S波段發卡式微帶帶通濾波器設計

景凍凍， 李國輝， 胡金萍， 官雪輝，2

(1.上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室，上海200072; 2.華東交通大學電氣與電子工程學院，南昌330013)

隨著無線通信技術的快速發展，人類可以利用的頻率資源越來越少，因此，對無源電子器件的設計要求也越來越高.研究具有高頻率選擇性的微波濾波器變得非常有意義，這不僅要求濾波器具有良好的帶內性能，而且要有更高的帶外性能.良好的帶內性能是指插入損耗低、通頻帶邊沿陡峭;帶外性能是指良好的諧波抑制能力.傳統的微波濾波器頻率響應由于分布參數的周期性，在離開主通帶一定距離處存在寄生通帶，這在頻率復用的通信方式中將產生一些相當不利的影響，不適合要求有較高抑制帶寬的應用場合.因此，研究設計具有諧波抑制功能的微波濾波器［1-2］，并在此基礎上實現陡峭的截止邊沿有很強的實際意義.

本研究以發卡諧振器為基礎設計帶通濾波器，并實現了諧波抑制.傳統的發卡諧振器是從平行耦合線的基礎上改進而來的，但平行耦合線體積大，受二次諧波的影響也比較嚴重.在20世紀70年代，Crisatl和Frnakel設計了發卡式濾波器，其基本組成單元是發卡諧振器.發卡諧振器一方面由于結構比較緊湊，減小了尺寸、重量，并降低了成本;另一方面，不需要接地，消除了過地孔引入的誤差，具有比平行耦合線濾波器和梳狀線交指濾波器更好的電性能，且具有較高的頻率穩定度和較低的插入損耗［3-4］.20世紀80年代末，Sagawa等研制出了更加小型化的發卡式濾波器，并將其應用到了微波集成電路中的前端電路部分.近些年，隨著加工成本的降低和加工工藝的提高，微帶濾波器在平面電路中的應用增多.發卡微帶單元的結構通常如下：將半波長的平行耦合微帶諧振器變形為U形、類U形或者S形結構，通過改變相鄰諧振器之間的耦合方式及耦合度來調節濾波器的性能［5-7］.

1 仿真實例

本研究采用在傳統的U形結構(見圖1(a))基礎上進一步變動得到的類U形諧振器結構(見圖1(b)).改進的諧振器結構單元2個分支開路端附近的傳輸線具有內部耦合線，該特性可以減小濾波器尺寸.相鄰諧振器之間的耦合方式有多種，如電耦合、磁耦合、混合耦合，這里采用混合耦合的方式排列5個諧振器單元.2個諧振器之間的間距d和上下偏移距離s決定了二者之間的耦合特性，相鄰諧振器之間的耦合系數對濾波器頻率特性的影響較大，通過調整d即可改變耦合系數［8-9］.

圖1 傳統的U形結構和改進的類U形結構Fig.1 Traditional U shape structure and modified U-like shape structure

首先，通過理論計算確定濾波器的具體尺寸以及各個諧振器之間的大致距離、上下偏移的距離;然后，通過電磁仿真軟件建立模型，進行仿真.若仿真結果與設計要求誤差不大，則可以根據各個參數來微調諧振器之間的距離，以達到理想的設計要求;否則，根據理論重新進行計算、建模、仿真.

諧振器單元的臂長［10］

式中，λ0為中心頻率在自由空間中對應的波長，εre為介質基片的有效相對介電常數，且

式中，εr為基片的相對介電常數，h為基片厚度，w為微帶線寬.

對于級聯型濾波器，相鄰諧振器間的耦合系數按下式計算：

式中，L=λg/4，z0為抽頭微帶線的特性阻抗，zr為發卡線的特性阻抗，ke為發卡的耦合系數，在此選擇特征阻抗z0=50 Ω的微帶線作為輸入輸出微帶線.

根據以上理論，通過電磁仿真軟件設計得到如圖2所示的濾波器結構，其中L1=4.8 mm，L2= 6.0 mm，L3=4.4 mm，L4=2.3 mm，d=0.5 mm，其余微帶線寬w=0.5 mm，選用的介質基板的厚度h= 0.5 mm，相對介電常數εr=3.48，中心頻率f0約為2.4 GHz，相對帶寬為8%，整個濾波器的尺寸約為30 mm×15 mm.

通過電磁仿真軟件Sonnet仿真可得出如下結果(見圖3)：在通帶內S11均小于-15 dB，且在中心頻率處達到了-30 dB;該濾波器在通頻帶的上下頻端

式中，gi為集總參數低通濾波器的原型值，Fbw為相對帶寬.

為了在諧振器和饋線之間得到最大的功率轉移，激勵源與饋線必須匹配，即將諧振器臨界耦合到饋線.這里采用抽頭式輸入輸出方式，通過調整抽頭微帶線到諧振器中間位置的距離t，從而將2個端口對諧振頻率的影響減小到最低程度.t一般由如下經驗公式來估計：處均插入了傳輸零點，在 f1=1.74 GHz處 S21＜-128 dB，在f2=2.72 GHz處S21＜-98 dB;同時，在2倍中心頻率處將諧波抑制到-60 dB以下，并將二次諧波推移到6.02 GHz處，離開中心頻率近3.5 GHz，大大降低了諧波對濾波功能的影響;通帶的插入損耗均在3 dB以內，滿足應用要求.

圖4為不同諧振器間距d對濾波器頻率響應特性的影響.圖中可以看出，2個相鄰諧振器之間的間距影響了傳輸零點的插入位置.通過比較可得，當d=1.0 mm時，傳輸零點離通頻帶邊沿最近，阻帶特性最好.

圖2 5階發卡式微帶濾波器平面結構Fig.2 Fifth-order hairpin microstrip filter planar structure

圖3 仿真頻率響應特性Fig.3 Simulated frequency response

2 實驗結果

根據以上仿真結果，選取d=1.0 mm的尺寸進行加工，可得實物如圖5所示.

圖6為實際加工微帶濾波器的頻率響應特性測量結果.該結果與前期仿真結果吻合較好，中心頻率符合設計要求，基本沒有頻偏現象，帶內回波損耗都在20 dB以上.實測傳輸損耗與仿真結果比較如圖7所示，實測結果帶內插入損耗較大，傳輸零點插入緊湊，阻帶性能較仿真結果有一定誤差但足以滿足應用要求，這些誤差主要由介質板的損耗以及微帶金屬線的輻射損耗造成.實際加工中，通過添加一個金屬屏蔽盒，并采用精密的加工技術等可以進一步改善插入損耗［11］.

圖4 d=0.5，0.8，1.0 mm時的仿真頻率響應比較Fig.4 Simulated frequency response for filter d=0.5，0.8，1.0 mm

圖5 加工實物圖Fig.5 Fabricated filter

圖6 實測濾波器頻率響應特性Fig.6 Measured frequency response for filter

3 結束語

本研究設計了一個發卡式微帶濾波器，通過仿真設計加工得到的5階濾波器將二次諧波推向了遠離中心頻率近3.5 GHz的頻段.這不僅實現了諧波抑制的功能，而且在通頻帶的上下邊沿均插入了傳輸零點，實現了陡峭的截止邊沿.所設計的濾波器總體性能優良，可應用于通帶過渡到阻帶非常陡峭的場合.

圖7 仿真結果與實測結果的比較Fig.7 Comparison between simulated and measured results

［1］ 梁建剛，陳文靈，姜義武.諧波抑制濾波器的計算機輔助設計［J］.現代雷達，2008，30(7)：39-41.

［2］ ZHANGX Y，XUEQ，CHANC，et al.Low-loss frequency-agile bandpass filters with controllable bandwidth and suppressed second harmonic［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，59(6)：1557-1564.

［3］ 鄧哲，程崇虎，呂文俊，等.微帶發夾型諧振器濾波器的實驗研究［J］.微波學報，2005，21(S1)：122-126.

［4］ 劉剛，張淑娥.微帶交叉耦合發卡式濾波器的設計［J］.華北電力大學學報，2005，32(4)：75-78.

［5］ MARIMUTHUJ，ESAM.Harmonic suppressed single groove PCML bandpass filter［C］∥ Proceeding of the 39th European Microwave Conference.2009：779-782.

［6］ ZHANGX Y，XUEQ.High-selectivity tunable bandpass filters with harmonic suppression［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58(4)：964-969.

［7］ 周春霞，夏侯海，左濤，等.自均衡雙通帶微帶濾波器綜合與設計［J］.電子學報，2009，37(12)：2783-2786.

［8］ DIY，GARDERP，HALLP S，et al.Multiple-coupled microstrip hairpin-resonator filter［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2003，13(12)：532-534.

［9］ HONGI，FOKS W，CHOIW W，et al.A novel wigglyline hairpin with 2nd spurious passband suppression［C］∥ Proceeding of the 34th European Microwave Conference.2004：1125-1128.

［10］ TSAIC M，LEES Y，LEEH M.Transmission-line filters with collectivelyloaded coupled lines［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51(5)：1517-1524.

［11］ 嚴冬，裴旭明，張超，等.基于分形特征的DGS微帶傳輸特性分析［J］.重慶郵電大學學報，2010，22：54-58.