基于互異結構的寬阻帶帶通濾波器研究

馬興兵，鄭宏興

（天津職業(yè)技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222）

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，帶通濾波器作為一個重要的組成部分被廣泛應用。在帶通濾波器的設計中有時為了降低或消除鄰近高次諧波的干擾，需要對濾波器進行特定的設計處理。常見的方法是在輸入、輸出端傳輸饋線上添加λ/4波長開路微帶線或采用兩個相同的添加開路線的階躍阻抗諧振器結構［1-6］，這些方法能有效地對設定的頻段進行抑制，以降低該頻段內(nèi)的插入損耗。基于以上設計方法，一種新型互異結構的寬阻帶帶通濾波器被提出。該方法在常規(guī)的添加λ/4波長開路微帶線基礎上，利用階躍阻抗諧振器的設計原理，將兩個耦合諧振器設計為基頻相同，高次諧波頻率不同的工作模式，這樣就能實現(xiàn)高次諧波工作的不一致性，實現(xiàn)諧振點分離，達到有效降低插入損耗，拓寬阻帶頻率的目的。

1 結構設計

采用互異結構的寬阻帶帶通濾波器有兩部分構成:兩個結構相同的添加有開路線的輸入、輸出微帶饋線，兩個互異的階躍阻抗開環(huán)諧振器。添加有開路線的輸入、輸出微帶饋線在設計中具有兩個作用，一方面實現(xiàn)信號的耦合傳輸，另一方面具有抑制高次諧波的作用。兩個互異階躍阻抗開環(huán)諧振器在設計時根據(jù)需要將基頻設定在特定的通帶中心頻點，高次諧波頻率設定在不同的頻點，同時可以通過調(diào)節(jié)添加到諧振器中間位置上的開路線長度調(diào)整相關的高次諧波頻點，實現(xiàn)高次諧波的分離和抑制，實現(xiàn)寬阻帶。濾波器結構如圖1所示，在整個結構設計中，除了與輸入、輸出端口相連微帶線的寬度d、兩個階躍阻抗諧振器的頂端寬度g，t，其余所有微帶線寬度均相同。

圖1 具有互異結構的寬阻帶帶通濾波器

輸入、輸出端微帶饋線結構中，開路線長度為s，對應的阻帶中心頻率f滿足的表達式為

式中:λ為微帶傳輸線上的工作波長，因此可以根據(jù)式（1）計算出需要被抑制頻點的傳輸線工作波長，將開路線長度設定為該值的1/4即可實現(xiàn)特定頻率處的高次諧波抑制。為實現(xiàn)輸入輸出微帶饋線端口與50 Ω電阻在基頻時的阻抗匹配，在設計中可以通過調(diào)整開路線長度s、以及耦合部分微帶線e的長度來實現(xiàn)。

對信號完成選頻，實現(xiàn)耦合的兩個互異階躍阻抗開環(huán)諧振器的工作原理可以采用電長度的方法分析，為此畫階躍阻抗開環(huán)諧振器結構如圖2所示。

圖2 中間添加開路線的階躍阻抗開環(huán)諧振器

式中:基頻由式（2）決定，式（3）決定的高次諧波頻點可以通過添加的開路線長度來調(diào)整。這樣兩個互異的階躍阻抗諧振器就可以設計為基頻相同，高次諧振頻點不一致的工作狀態(tài)，使高次諧波無法諧振在同一頻點。

2 仿真及實驗驗證

諧振時，頻率滿足下述表達式

為驗證互異階躍阻抗諧振器對高次諧波的抑制效果，濾波器設計在相對介電常數(shù)3.2，厚度1.14 mm的介質(zhì)板上，通帶中心頻率設定在2.4 GHz附近，輸入、輸出端的微帶饋線上先不添加開路線，濾波器結構如圖3所示，具體結構參數(shù)如表1所示，使用Ansoft HFSS軟件進行仿真，寬阻帶帶通濾波器的插入損耗隨參數(shù)m的變化情況如圖4所示，從圖中看出第一個高次諧振點隨m的增大而變小，與第二個高次諧振點間的間距變大，降低了第二個高次頻點的插入損耗，第一個高次頻點的插入損耗變化不明顯。

圖3 輸入輸出饋線上不添加開路線的互異結構寬阻帶帶通濾波器

表1 輸入輸出饋線不添加開路線的互異結構寬阻帶帶通濾波器結構參數(shù) mm

圖4 輸入輸出饋線不添加開路線的互異結構寬阻帶帶通濾波器插入損耗隨參數(shù)m的變化

在圖3所示結構及表1所給數(shù)據(jù)基礎上，進一步驗證輸入輸出饋線上添加開路線后的互異階躍阻抗諧振器對高次諧波的抑制效果，濾波器結構如圖1所示，其中p=2 mm，使用Ansoft HFSS軟件進行仿真，寬阻帶帶通濾波器插入損耗隨參數(shù)s的變化情況如圖5所示，從圖中變化可以發(fā)現(xiàn)適當選擇s長度，能進一步有效地抑制高次諧波，特別在s=3.64 mm長度時，頻率從3.2～10.3 GHz附近一個寬頻帶內(nèi)插入損耗基本維持在-20 dB以下。

圖5 輸入輸出饋線添加開路線后的互異結構寬阻帶帶通濾波器插入損耗隨參數(shù)s的變化

通過以上對兩種情況的分析及仿真，驗證了本文提出的互異結構寬阻帶帶通濾波器對高次諧波的抑制作用，基于表1，p=2 mm，s=5.64 mm制作了如圖1所示的帶通濾波器，經(jīng)過網(wǎng)絡分析儀測量及數(shù)據(jù)處理，得到回波損耗和插入損耗的仿真與測試比較曲線，如圖6所示，從圖中可以看出兩者吻合情況良好。

圖6 互異結構寬阻帶帶通濾波器回波損耗和插入損耗的仿真與測試比較

3 小結

為解決帶通濾波器的高次諧波干擾，結合常用的在輸入輸出微帶饋線上添加開路線構成帶阻的方法，采用兩個互異的中間添加開路線的階躍阻抗開環(huán)諧振器實現(xiàn)高次諧波的相互分離，達到抑制高次諧波實現(xiàn)寬阻帶的目的，HFSS仿真及網(wǎng)絡分析儀的實物測試均表明此方案具有良好的效果，能廣泛應用于無線通信系統(tǒng)中帶通濾波器高次諧波的抑制處理。

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