小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)

摘 要： 提出一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器，采用半波長(zhǎng)階躍阻抗諧振器結(jié)構(gòu)，且在不相鄰的諧振器之間引入交叉耦合，從而在濾波器的阻帶上產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)，使阻帶抑制在3.95～13.27 GHz小于-20 dB，使寄生通帶在中心頻率的3.92倍處。濾波器的最終尺寸僅為12.2 mm×11.5 mm，即0.21λg×0.2λg，相比于傳統(tǒng)的發(fā)夾型濾波器，此濾波器的體積減小了63.5%，而且實(shí)測(cè)的結(jié)果與仿真結(jié)果達(dá)到了較好的一致性。所提出的濾波器具有更寬的帶外抑制，更小的尺寸，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在工程領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 階躍阻抗諧振器； 交叉耦合； 小型化； 寬阻帶

中圖分類號(hào)： TN713.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0080?03

0 引 言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展，小型化、寬阻帶性能的濾波器在實(shí)際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器和半波長(zhǎng)平行耦合線濾波器的寄生通帶都位于中心頻率的2倍處，而傳統(tǒng)的階躍阻抗諧振濾波器的寄生通帶在中心頻率的2.5倍處左右，應(yīng)用時(shí)很難獲得寬阻帶的抑制效果。而且此類濾波器的尺寸較大，阻帶窄，受微帶加工最小寬度的限制，濾波器的性能受到一定的制約。為了得到陡峭的衰減邊沿及更好的阻帶特性，需要增加短路或開(kāi)路短截線數(shù)， 但這會(huì)進(jìn)一步增大電路尺寸，并且在通帶內(nèi)引入更多的插入損耗。

通過(guò)在有限頻率處引入傳輸零點(diǎn)可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑制。在濾波器的設(shè)計(jì)中，交叉耦合被廣泛用來(lái)在阻帶引入有限傳輸零點(diǎn)，這些傳輸零點(diǎn)可以很好地改善帶邊過(guò)渡特性及阻帶抑制能力。

本文首先分析了階躍阻抗諧振器[1]的結(jié)構(gòu)原理、三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理[2-4]，隨后設(shè)計(jì)了一個(gè)寬阻帶濾波器，其寄生通帶在中心頻率的約4倍處，比一般的濾波器具有更寬的阻帶，并對(duì)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，且得到了較好的一致性。

1 基本設(shè)計(jì)理論

1.1 階躍阻抗諧振器原理

階躍阻抗諧振器常采用[λg4]型、[λg2]型或[λg]型三種基本諧振結(jié)構(gòu)，其中[λg2]型諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為非等電長(zhǎng)度半波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，由特征阻抗分別由[Z1]和[Z2]的傳輸線組成，其對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度為[θ1]和[θ2。]

如果忽略結(jié)構(gòu)中的階躍非連續(xù)性和開(kāi)路端的邊緣電容，從開(kāi)路端看的輸入導(dǎo)納[Yin]為：

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

式中：[K]為阻抗比，定義為[K=Z2Z1。]為設(shè)計(jì)方便， 取[θ1=θ2=θ，]則式（1）簡(jiǎn)化為：[Yin=jY22（1+K）（K-tan2θ）tanθK-2（1+K+K2）tanθ] （2）

其諧振條件為：[Yin=0，]得其基頻振蕩條件為[K=Z2Z1=tan 2θ。]由此公式可知，階躍阻抗諧振器的諧振條件取決于電長(zhǎng)度[θ]和阻抗比率[K。]

1.2 三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于窄帶濾波器，其三階交叉耦合濾波器的等效電路如圖2所示。相鄰諧振器間的耦合用[M12]和[M23]表示，交叉耦合用[M13]表示。外部品質(zhì)因數(shù)[Qe1]和[Qe3]各表示輸入和輸出耦合。圖2所示的耦合濾波器等效電路可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)低通原型濾波器形式，如圖3所示。其中每個(gè)矩形框代表一個(gè)頻率不變的[J]導(dǎo)納變換器。在一個(gè)對(duì)稱的二端口電路中，[J12=J23=1，][g0=g4=1，][g1=g3，][B1=B3。]

2 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)以上介紹的基本原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3 550 MHz，相對(duì)帶寬10%（絕對(duì)帶寬為355 MHz），通帶內(nèi)回波損耗為-20 dB，高端4～13 GHz的抑制要大于20 dB的濾波器。采用的板材是Rogers 5880，其介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角正切為[tan δ=]0.000 9，厚度為0.508 mm，銅箔厚度為0.018 mm，其電導(dǎo)率為5.7×107 S/m。

根據(jù)上面的三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理，可以得到三階交叉耦合濾波器的低通原型參數(shù)值為[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。]

可以發(fā)現(xiàn)，諧振器1和諧振器3的諧振頻率要低于中心頻率，而諧振器2的諧振頻率要高于中心頻率。由[f0=]3 550 MHz和FBW=0.1可得歸一化耦合矩陣[5]：

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

根據(jù)算得的耦合系數(shù)與外部品質(zhì)因數(shù)確定諧振器間隙的大小和諧振器的擺放位置、饋線抽頭的位置。諧振器間的耦合系數(shù)[k，]可以通過(guò)全波仿真軟件算出耦合形式下的兩個(gè)諧振頻[f1]和[f2，]即可得到：

[k=±f22-f21f22+f21] （4）

品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式如下：

[Qe=f0δf3 dB] （5）

式中：[f0]為諧振頻率；[f3 dB]為單端激勵(lì)時(shí)諧振器的輸入或輸出3 dB帶寬。

從而可以得到濾波器的初步的物理尺寸，再接合全波仿真軟件仿真優(yōu)化，最終得到濾波器的版圖如圖4所示，其具體的物理尺寸見(jiàn)表1。

圖5為該濾波器的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到在3.95～13.27 GHz的阻帶內(nèi)，其抑制在-20 dB以下。其在高端產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2，其頻率分別為3.99 GHz和4.55 GHz，其衰減分別為-53.83 dB和-61.25 dB。從圖5中可以看到寄生通帶的中心頻率為13.98 GHz，使其諧波抑制達(dá)到3.92倍頻，可以看到其寬阻帶抑制的特性。

圖6為加工實(shí)物圖，可以看到其尺寸相對(duì)于傳統(tǒng)的濾波器小了很多，說(shuō)明了此結(jié)構(gòu)具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸（除了饋線外）僅為12.2 mm×11.5 mm，即[0.21λg×0.2λg，][λg]是在中心頻率處的波導(dǎo)波長(zhǎng)。與已有文獻(xiàn)結(jié)果作對(duì)比，如表2所示。由表2可知，本文所提的小型化寬阻帶濾波器的各項(xiàng)性能大大優(yōu)于已有文獻(xiàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[7]是基于接地開(kāi)口環(huán)的微帶濾波器，文獻(xiàn)[6，8]是微帶發(fā)夾型SIR濾波器，與它們相比，本文提出的濾波器的面積最大減小了63.5%，由此可見(jiàn)，此濾波器具有小型化寬阻帶的特性。

使用的測(cè)試儀器為Agilent公司的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在常溫條件下對(duì)該濾波器進(jìn)行測(cè)試， 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好， 如圖7 所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，中心頻率為3.63 GHz，帶內(nèi)最小插入損耗為1.01 dB，帶內(nèi)反射優(yōu)于17.25 dB。在高端有2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2，其衰減分別為-33.12 dB和-52.87 dB。從圖7中可以看到，在4.106～13.1 GHz內(nèi)，其抑制達(dá)22.45 dB以上，這說(shuō)明此濾波器具有很寬的阻帶抑制特性。

從仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比可以看出，仿真與實(shí)測(cè)穩(wěn)合較好，具有較好的一致性。只是中心頻率稍微有點(diǎn)偏移，且?guī)捝晕⒆儗捔艘稽c(diǎn)，造成這樣誤差的主要原因可能是由于制作工藝上的偏差，由于此結(jié)構(gòu)中最小的間距是0.1 mm，通常要求的最小間距是0.2 mm；還有板材的不均勻性、不一致性，以及各種損耗，包括SMA接頭損耗、介質(zhì)基板銅箔的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等，這些因素都會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果造成相應(yīng)的影響。

3 結(jié) 論

本文提出了具有小型化寬阻帶特性的濾波器，并設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3 550 MHz，相對(duì)帶寬為10%，高端抑制有2個(gè)傳輸零點(diǎn)的濾波器，使阻帶抑制在3.95～13.27 GHz小于-20 dB，使寄生通帶在中心頻率的3.92倍處。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸僅為[0.21λg×0.2λg，]相比于其他發(fā)夾型SIR濾波器，此濾波器的體積減小了63.5%。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都都達(dá)到了較好的一致性，并且具有很寬的阻帶，較低的插入損耗，呈現(xiàn)出很好的選擇性和寬阻帶特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，顯示了很好的優(yōu)越性。因此該濾波器具有深刻的研究意義。

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