具有高次諧波寬帶抑制新型微帶發夾濾波器設計

申呈潔,錢國明

（南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096）

近年來，隨著微波、毫米波通信系統的不斷發展，新型通信設備向電子設備提出了更高更具體的要求，尤其是對濾波器和多工器。濾波器是現代微波、毫米波通信技術中極其重要的部分，它在微波、毫米波通信、微波導航、遙測遙控、衛星通信等多個領域扮演著不可或缺的角色，其性能的優劣往往會直接影響整個通信系統質量。隨著微波、毫米波技術的迅速發展，迫切需要研制具有低損耗、寬阻帶帶寬、高選擇性、結構緊湊等特性的微波濾波器[1]。

平行耦合線濾波器、梳狀線濾波器和交指濾波器等都是微帶濾波器常采用的形式，但這些形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節在一個方向上級聯，故尺寸較大。梳狀線濾波器和交指濾波器則需要接地過孔，這樣在高頻情況下就會不可避免地引入誤差，以上因素限制了這些形式的推廣應用。微帶發夾型諧振器作為一種常見的諧振器，通過適當的耦合拓撲結構實現的濾波器可以看成是諧振腔濾波器在平面的應用特例。它一方面結構比較緊湊，減小了尺寸、重量和成本；另一方面不需要接地，消除了過地孔引入的誤差，比平行耦合線濾波器和梳狀線交指濾波器有更好的電性能，因而在微波平面電路中使用較多[2]。

在一個接收機系統中，當射頻信號頻率與中頻信號頻率的關系為N:1，在進行解調時，射頻信號及本振信號會作為高次諧波混入中頻信號，對中頻信號產生干擾。因此在進行微帶濾波器的設計時，必須對高次諧波進行有效抑制，使之對中頻信號不產生影響，才能達到通信系統的性能指標。

現有的對于帶通濾波器產生的諧波進行有效抑制的方法有以下幾種：

1)在帶通濾波器后加上低通濾波器或帶阻濾波器；

2)采用矩形調諧短截線的共面波導饋入電容微帶折疊L型槽天線結構[3]；

3)引入阻抗階梯跳變的階躍阻抗諧振器[4]；

4)在傳統平行耦合濾波器末端加載開路短截線[5]；

5)采用兩種具有雙等效電路的諧振器[6]；

6)利用電磁帶隙結構的阻帶特性[7]。

這幾種電路雖然已經展示出一些優良的諧波抑制特性，但其設計過程比較復雜且諧波抑制效果一般。文中提出了一種用于抑制高次諧波的微帶發夾型濾波器，通過在傳統發夾濾波器結構之后采用短路短截線與高次諧波四分之一波長開路短截線并聯諧振的結構，能夠在不影響中頻信號情況下，很好的抑制高次諧波帶來的干擾。并采用微帶徑向短截線(MRSTU)擴大抑制諧波帶寬，實現高次諧波寬帶抑制，并可進行諧波次數選擇性抑制。

1 發夾濾波器的設計

發夾型濾波器是由發夾型諧振器并排排列耦合而成，設單元電路的矩陣A為：

其中Z0e為耦合微帶線奇模特性阻抗，Z0o為耦合微帶線偶模特性阻抗，θ為耦合微帶線電長度。將該單元等效成一個導納倒置轉換器J和其兩邊的電長度為θ的兩段傳輸線，特性導納為。所示結構如圖1所示。

因此可得：

由于微帶線耦合單元與等效電路單元的A矩陣相等，則可求得奇偶模特性阻抗為:

圖1 諧振器結構單元Fig.1 Resonator structure unit

gi為低通原型濾波器元件值[8]。

由公式(3)、(4)可確定發夾型濾波器耦合單元的奇偶模參數Z0e和Z0o。得到奇偶模參數之后，即可求得微帶線條寬度、微帶線間距、以及微帶線條的長度。應用ADS對所得參數進行仿真，原理圖如圖2所示。

圖2 發夾濾波器原理圖Fig.2 Hairpin filter

通過仿真及優化可得此發夾濾波器參數，如圖3所示。

由圖3可知，2G信號衰減為0.759 dB，8G信號衰減為4.479 dB，10G信號衰減為3.911 dB，可見8G及10G的高次諧波對2G中頻產生了很大干擾，這將對下一步進行信號解調產生嚴重影響，因此需對高次諧波進行有效抑制，才能達到系統有效性能。

2 新型諧波抑制結構及原理

針對圖3所示的8G與10G高次諧波，若要濾除8G諧波，需先在發夾濾波器后加上一段8G的四分之一波長開路短截線。已知終端有載傳輸線的輸入阻抗：

圖3 發夾濾波器參數仿真圖Fig.3 S(2,1)of hairpin filter

其中 β=2π/λ 。 當 d=λ/4 時有：

因為四分之一波長開路短截線ZL=∞，則Zin=0，等效于短路接地，因此8G信號被抑制[9]。

這里開路短截線起到了陷波的作用，將電路中8G的無用信號濾除。由于要求在2G處通帶保持良好，因此須建立一個諧振網絡以達到設計要求。在無線電技術中，通常應用并聯電路諧振時呈現阻抗最大的特點來進行選頻。考慮到開路短截線等效于電容，短路短截線等效于電感，兩者并聯等效于構成了一個LC諧振電路。

由于諧振電路中電感感抗值與電容容抗值大小相等，相位相反，即ZL≈-ZC。則可得諧振電路總阻抗Z=∞。由于2G發夾濾波器輸出阻抗為50Ω，當并聯諧振阻抗Z后阻抗仍為50Ω。因此這種結構在有效抑制8G信號前提下，對2G中頻信號不產生影響。根據并聯諧振原理建立原理圖并進行仿真優化，諧波抑制原理圖及仿真數據如圖4、圖5所示。

圖4 8G諧波抑制原理圖Fig.4 8G harmonic suppression

圖5 8G諧波抑制圖Fig.5 8G harmonic suppression

由圖5所示，2G信號衰減為0.821 dB，8G信號衰減為47.658 dB，可見通過此結構可在不影響2G信號的前提下，有效的抑制了8G諧波。根據抑制8G諧波的原理，對10G信號做相同處理，即可完成對10G諧波的有效抑制。

由于諧波四分之一波長開路短截線是固定的，要使諧振電路諧振于2G，從而對2G信號不產生影響，因此必須通過改變短路短截線長度，使用ADS進行優化，使其諧振于2G。

在使用ADS進行優化仿真后，發現使用直微帶短截線效果沒有達到諧波寬帶抑制要求。這時選用MRSTUB，即微帶徑向短截線來代替直微帶短截線。直微帶短截線具有較高的Q值，所以它適合在頻帶較窄的情況下使用，而微帶徑向短截線MRSTUB具有比直微帶短截線在更寬的頻率范圍內實現低Q值的優點,更加適合在寬頻帶中使用[10]。通過對MRSTUB的寬度、長度、張開的角度值分別進行優化，同時在微帶徑向短截線與短路短截線之間串上一段微帶線，并調節微帶線長度可以更加有效的降低諧振電路Q值，擴大抑制諧波帶寬。仿真原理圖及結果如圖5、6所示。

圖6 高次諧波抑制原理圖Fig.6 of high harmonics

仿真結果如圖7所示。

由圖6所示，2G信號衰減達到0.955 dB，8G信號衰減達到44 dB，10G信號衰減達到了65 dB。即在不影響2G信號的前提下，高次諧波被有效進行了寬帶抑制，寬帶達到200MHz。在對高次諧波進行寬帶抑制的同時，采用此結構可進行諧波次數可選，即可有針對性的對某一諧波進行寬帶抑制，滿足設計指標。

圖7 高次諧波抑制圖Fig.7 High harmonic suppression

3 結論

針對傳統發夾濾波器[11-12]中混入的高次諧波干擾問題，本文提出了一種采用短路短截線與高次諧波四分之一波長開路短截線并聯諧振的方法。在不影響中頻信號的前提下，可對高次諧波進行有效抑制。同時通過在開短路支節之間串聯一段微帶徑向短截線線，可實現對高次諧波的寬帶抑制。利用ADS進行仿真優化，仿真結果表明此系統可在將中頻信號衰減保持在1 dB內，并將高次諧波衰減抑制于40 dB以下。這種新型的微帶發夾濾波器在結構和性能上都有較大的優勢，可應用于多種微波通信系統中。

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