一種基于階躍阻抗波導帶通濾波器的設計

金海陸，李良榮，李 奇，黃繩雄，張 旭

（貴州大學 理學院，貴州 貴陽 550025）

微波帶通濾波器作為無線電通信和雷達系統中的關鍵無源器件，目前被廣泛的研究?，F在應用非常普遍的有波導濾波器、同軸濾波器、帶狀線濾波器和微帶濾波器等等。帶狀線濾波器具有小的尺寸、通過光刻技術易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優點，在射頻和微波電路中常被使用。但是，當要求濾波器能夠承受高功率、低插損、高抑制、窄帶寬時，腔體濾波器是最好的選擇。但腔體濾波器件最大缺點是——尺寸明顯比其他可應用在微波波段的濾波器大。因此緊湊型波導濾波器就成為微波技術領域的一個經典而又十分活躍的研究課題[1-3]。

M.Makimoto和S.Yamashita證實：SIR在不減小無載Q值的情況下可縮短諧振器的長度。作者正是利用階躍阻抗諧振器（SIR）原理，實現腔體帶通濾波器體積的壓縮，并且雜散諧振頻率被移開[3-5]。

1 階躍阻抗諧振器的原理

所謂階躍阻抗諧振器（SIR），是指由2個以上具有不同特征阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。 SIR 的 3 種基本結構，如圖 1（a）、（b）和（c）所示，它們分別對應的是lg/4型、lg/2型和lg型。基本的SIR結構的共同單元是，都包括開路端、短路端和它們之間的阻抗階躍結合面。他們分別看成由1個、2個和4個這樣的基本單元所組成。在圖2所示的SIR基本單元結構中，傳輸線短路端和開路端之間的特征阻抗和等效電長度分別對應為Z1、Z2和q1、q2。 首先定義阻抗比 RZ=Z2/Z1，隨后，通過 RZ系統的討論了SIR的一些基本特性，比如：諧振條件、諧振器長度、雜散諧振頻率以及等效電路[3-7]。

1.1 諧振條件

可以看出，SIR的諧振條件取決于q1、q2和阻抗比RZ，與均勻阻抗諧振器（UIR）的諧振條件相比，SIR設計的自由度將變大。

1.2 諧振器長度

SIR開路端與短路端之間的總電長度為qTA，即

當 0＜RZ＜1、0＜qTA＜p/2 時：得

當q1=q2=arctan，qTA取 得 最 小 值 ： （qTA）min=arctan

圖1 SIR 3種基本結構Fig.1 Three basic structures of SIR

圖2 單元SIR的電學參數Fig.2 Electrical parameter of SIR

當 RZ＞1、p/2＜qTA＜p 時，同樣可以得到

當q1=q2=arctan時，qTA取得極大值：

由推導可知，q1=q2是一個特殊條件，它給出了SIR的極大或極小的長度，以后的設計都主要基于這一條件。由此可知，理論上可以用過采用較小的RZ值來無限地縮短SIR諧振器的長度，但是SIR長度被限定于對應UIR長度的兩倍。

1.3 雜散諧振頻率

設基本諧振頻率為f0，lg/4型、lg/2型和lg型SIR相應的最低雜散諧振頻率分別為fSA、fSB和fSC，對應的電長度分別為qSA、qSB和qSC。假定SIR結構滿足q1=q2=q0，并且忽略諧振器傳輸線的阻抗階躍結合面，主導諧振模式為TEM模。

qSA、qSB和 qSC有：

因此，雜散諧振頻率為：

由上面的公式可得：要盡使得雜散頻率遠離基本諧振頻率，優化設計中應取小的RZ值，相應的可以減小諧振器的長度。

1.4 等效電路

在諧振狀態下，SIR可以近似等效，等效電路如圖3所示。lg/4型、lg/2型和 lg型的磁化率斜率為 bSA0、bSB0，其 bSC0值為：

集總參數諧振器磁化率斜率與L0、C0、G0之間的對應關系為：C0=bs/ω0；G0=bs/Q0；Q0:未加 Q 值；L0=1/ω0bs；bs：敏感度斜率參數。

圖3 SIR諧振時的等效電路Fig.3 Microwave equivalent circuits of SIR

2 帶通濾波器的設計

利用躍阻抗諧振器（SIR）原理，運用HFSS軟件對帶通腔體濾波器進行建模和仿真，為以后的工程實踐提供技術支持。

2.1 濾波器的具體指標

中心頻率： f0=780 MHz；通帶帶寬：Δf=40 MHz；通帶差損：S21≥-0.5 dB；駐波：S11≤-20 dB；帶外差損： 當 f0±60 MHz時，S21≤-30 dB；體積：110×60×35 mm。

2.2 設計說明

根據上面的技術指標的要求，對于切比雪夫型濾波器，選擇級數n=4。為了進一步壓縮腔體帶通濾波器的體積和方便調試，采用lg/4型SIR結構和調諧銷釘相結合的諧振結構。濾波器的設計中常見的耦合方式，如電容耦合、電感耦合、電磁耦合，選擇適合于小型化設計的電容耦合方式。諧振器間采用耦合窗和耦合銷釘的方式，便于生產調試。

2.3 尺寸表

仿真尺寸（加工實體依據）如表1所示。

2.4 建模及仿真

2.4.1 3D模型

運用HFSS建立的3D模型如圖4（a）所示，加工實體如圖 4（b）所示。

2.4.2 仿真結果

濾波器的外部耦合采用一種以零相位方式接入的抽頭結構。抽頭的位置可以通過HFSS仿真來確定：不斷的改變輸入輸出抽頭的位置、耦合孔的大小以及諧振器，以得到最好的駐波特性曲線。經過反復的改變抽頭的位置，最終得到仿響應及寬頻帶傳輸特性的仿真結果。

表1 尺寸表Tab.1 Result of dimension

圖4 濾波器的實體和模型Fig.4 Model and entity of filter

3 測試及調試經驗

真的頻響特性曲線，如圖5（a）和（b）所示為通帶附近的頻率

3.1 實體及測試

測試條件：地點：電子科技大學通信學院RFIC實驗室；使用的儀器：矢量網絡分析儀（型號為Agilent N5230A）。

最后通過調試得到的測試曲線如圖5所示。在圖6（a）中，可以看出，仿真結果和實際測試結果基本吻合，在3.5 GHz無雜散頻率，同時體積也壓縮了200%以上。

3.2 波導腔體濾波器調試經驗

1）通帶內有功損耗的問題

圖5 濾波器的仿真結果Fig.5 Simulation result of filter

圖6 濾波器的測試結果Fig.6 Test result of filter

①對窄帶濾波器，上下蓋板和側壁配合是否緊密是減少通帶內有功損耗的關鍵；

②濾波器內表面的光潔度對有功損耗也有明顯的影響；

③適當調整諧振柱的長度，使其剛好諧振，調諧螺釘螺紋進入腔內不要太深，以減少有功損耗，并減小溫度影響；

④耦合電感近乎插棒處是電流最強處，故必須焊接良好，且必須進行清潔處理，以減小通帶內的有功損耗。

2）駐波的問題

制造出的濾波器如果發現駐波過大時，可以適當減小第一腔和最后一腔的SIR諧振結構及諧振腔之間的耦合量，駐波將有所改善。

3）其他問題

窄帶腔體濾波器，還必須采用調諧螺釘，否則濾波器中心頻率的準確性無法保證；另外在耦合窗增加耦合螺釘，將使諧振腔之間的耦合增加。

4 結 論

結果表明，使用SIR技術設計的腔體帶通濾波器，有效的縮小了濾波器的體積，并且該結構也便于生產和調試，另外，濾波器多方面的性能卻得到了提高，如通帶到阻帶下降陡峭度更高、帶外抑制性更好、寄生通帶更遠等。同時，也存在一些問題：差損變差（可以通過提高腔體濾波器內測表面的光潔度，并優化表面的鍍層結構得以彌補）。

可以看出，SIR技術可以廣泛應用于濾波器的腔體結構中，是實現腔體濾波器小型化的有效方法。

[1]甘本祓.微波傳輸線設計手冊[M].北京：人民郵電出版社，1981.

[2]甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[M].北京：科學出版社，1973.

[3]Makimoto M，Yamashita S.Microwave Resonators and Filters for Wireless Communication[M].趙宏錦 譯.北京：國防工業出版社，2002.

[4]Kuo J T，Shih E.Microstrip stepped impedance resonator bandpass filter with an extended optimal rejection bandwidth[J].IEEE Trans.On MTT，2003，51（5）:1554－1560.

[5]Sagawa M，Makimoto M，Yamashita S.Geometrical structure and fundamentalcharacteristics ofmicrowave steppedimpedance resonators[J].IEEE Trans.On MTT，1997，45（7）:1078－1085.

[6]Makimoto M，Yamashita S.Bandpass filters using parallelcoupled stripline stepped impedance resonators[J].IEEE Trans.On MTT，1980（28）:1413－1417.

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