一種新型發夾線耦合窄帶帶通濾波器的設計與實現

李 駿, 黃姍姍

(南京理工大學 電光學院， 江蘇 南京 210094)

1 研究背景

隨著現代通信技術的飛速發展，人們需求特定的頻段進行移動通信，所以頻率的選擇特別重要，恰恰濾波器能夠滿足頻率選擇性的要求.現代通信便攜式的元器件成為發展的主流，結構小型化是現代設計的必然要求.濾波器設計是系統設計的一個不可或缺的部分，濾波器結構小型化對系統的小型化起到非常有效地作用.發夾線帶通濾波器具有結構簡單的特點，它相當于折疊的平行耦合諧振器，二分之一波長諧振濾波器，用U型表示[1]，它等效于平行耦合諧振器，但平行線耦合所占據的空間遠遠大于折線耦合，為了使濾波器實現小型化，我們采用U型結構.對于傳統的濾波器，如果帶寬較窄則濾波器的尺寸較大，或者通帶衰減過多，不利于濾波器的小型化和高性能的實現，比如：耦合微帶濾波器[2]，對于帶寬較窄的濾波器則耦合微帶線之間的距離較大，使得通帶衰減過多.傳統的微帶帶通濾波器則使得微帶的阻抗值很大，微帶線的寬度太窄，有的甚至達到1um以下，普通工藝難以實現[3].為了克服傳統濾波器的缺點，本文采用了新型發夾型結構來實現濾波器的設計[4-5].

2 發夾型濾波器的設計原理

傳統的發夾型濾波器是由微帶線彎折構成的，它的體積相對于直接平行線耦合有所減小，僅僅適用于中心頻率較大，相對帶寬較寬的濾波器設計，如果不符合該條件則濾波器的性能嚴重下降.為了克服這一缺點，在發夾型濾波器的中心處添加一條微帶線并在上面開一個小口，使濾波器形成級內加載電容，打破了僅形成級間耦合的局面.發夾型濾波器的設計與每節之間的距離S有密切的關系，也與抽頭饋線至U型線的距離t有很大的關系.由公式(1)[6]和(2)可以看出，當濾波器的相對帶寬太窄時，Q值太大使S的數值過大，即級間距離增大，級間耦合減小致使濾波器的差損增大，頻率選擇性降低，濾波器性能較差，無法滿足濾波器的使用要求.

本文采用了新型的發夾型濾波器結構，當設計相對帶寬較窄時，在第三節U中添加一個加載開路短截線，形成倒E型諧振器，并且在該開路短截線的中心減去一個小正方形.仿真結果顯示，該濾波器減小了帶內衰減使帶寬減小，且性能良好、設計簡單，滿足設計要求.本文通過設計、仿真、制造、測試一個中心頻率f0=2.64GHz，帶寬為20 MHz的窄帶濾波器來驗證設計方法的正確性.該濾波器的具體指標為：f0=2.64GHz，FBW=0.76%，帶內波動為0.1dB，2.61GHz時的衰減大于20dB.由衰減可知5階(n=5)的濾波器可行，按照Chebyshev原型構建低通濾波器原型，再按照比例轉化為帶通濾波器.查表可知g0=g6=1.0,g1=g5=1.146 8,g2=g4=1.371 2,g3=1.975 0[7].

(1)

(2)

計算出Qe、Qen和Mi,i+1的值可得到U型線之間的距離S和微帶線到U型線底部中間部位的數值t，如圖1、圖2所示.

圖1 外部品質因數與t的關系

圖2 耦合系數與S的關系

3 發夾型濾波器的設計與實現

本文中發夾型濾波器的U型諧振器的長度由四分之一個波長決定[8]，特性阻抗為50Ω，為了使微帶線阻抗與特性阻抗匹配，所以微帶線的阻抗也為50Ω，微帶線的寬度可由相關軟件計算得出.本文采用的介質板的厚度為1mm，材料為Rogers RO4003，發夾型濾波器的設計采用Ansoft HFSS 13.0實現.設計原理圖及等效電路如圖3、圖4所示。圖4為傳統發夾型濾波器等效電路圖，圖5為本文提出的新型發夾濾波器等效電路圖。傳統的發夾線濾波器就是簡單的級間耦合，通過控制U型線之間的距離和耦合系數之間的關系得到精確地S值，除此之外增加了級間電容降及級間電感形成慢波效應，減小了帶內差損.

由式(1)可知，Q值與帶寬有很大關系，在無損的情況下，有載Q值等于外部Q值.外部Q值為

(3)

Qe受抽頭線位置的影響較大，圖1顯示了Qe與抽頭線的位置t的關系，Qe隨t的增大而減小.通過改變抽頭線的位置，即改變t的大小，仿真得到的Qe與t的關系曲線.

由文獻[6]知，計算兩諧振器之間的耦合系數M，可以在弱耦合的情況下，得到兩個諧振頻率f0、f1，由公式(4)計算耦合系數M：

(4)

U型諧振器之間的距離S決定兩諧振器之間的耦合系數M，圖2為通過改變耦合間距S的大小，仿真得到的耦合系數M與S的關系曲線，M隨S的增大而減小.

通過選擇合適的t與S，即選擇恰當的外部Q值Qe與耦合系數M，可以得到要求的濾波器頻率響應.本文設計的濾波器的設計參數如圖3所示，其中，t=4.72mm，S1=1.4mm，S2=2.7mm.經過EM仿真與實物測試，得到了仿真與測試結果，如圖6所示.可以看出，仿真與測試的結果基本一致，中心頻率為2.64GHz，插損為1.5dB，回波損耗大于20dB，2.61GHz處的衰減為20.7dB，2.67GHz處的衰減為19.4dB，滿足設計指標.

圖3 新型發夾型濾波器設計俯視圖

圖4 傳統濾波器等效電路

圖5 新型濾波器等效電路

圖6 仿真與測試結果圖

4 結束語

本文采用了新型的發夾線結構，參考相關的研究成果，得到S波段的窄帶帶通濾波器，采用電磁仿真軟件HFSS 13.0進行全波仿真優化，得到了濾波器的結構尺寸參數，以及頻率響應結果.實物測試的結果與仿真結果基本吻合，滿足設計指標，符合實際應用要求.這種濾波器的優勢在于它的結構與傳統的濾波器相比更加小型化，并且能得到更好的濾波器性能，窄帶結構更好.

[1] 許悅，王勝福，魯國林，世娟.一種新型超寬帶小型化U型微帶濾波器[J].半導體技術，2012,37(4):291-294.

[2] 陳仕虎. L波段窄帶帶通濾波器研究[J].大眾科技, 2010,30(8): 46-47.

[3] Zhang K, Xia L, Xie Q,etal. A compact high-selective microstrip bandpass filter used in up-converter modules[C]//IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 2006.

[4] 王亞亞.微帶帶通濾波器的研究及設計[D].西安：西安工業大學，2013.

[5] 楊麗，馬健，陳輝.微波窄帶帶通濾波器的設計[J].重慶：數字通信，2011,10(4):86-88.

[6] Hong J S,Lancaster M J. Microstrip filters for RF/microwave applications[C]//IEEE Trans, Microwave Theory Tech, 2001:109-159.

[7] Ludwig R, Bretchko P.R F circuit design:theory and applications[M].張肇儀，徐承和，譯.北京：電子工業出版社，2010:134-174.

[8] 蘇永川，何子述，高瑜翔，等. L波段發夾型微帶濾波器的設計[J].電子科技大學學報，2004,33(1):17-18.