短路枝節加載雙模濾波器研究

位朝壘，李 晶

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

短路枝節加載雙模濾波器研究

位朝壘，李 晶

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

綜合研究了源與負載間存在直接耦合的短路枝節加載雙模濾波器的頻響規律。通過傳輸零點理論預測了此類雙模濾波器固有傳輸零點的分布規律，通過分析各通路的信號相位關系，在理論上推測了附加傳輸零點的分布位置。最后通過兩種濾波器實例驗證了該類型濾波器應有的兩種可能的頻響特性，同時也驗證了理論推測的正確性。

濾波器；雙模；短路枝節加載；S－L coupling

0 引言

通過加載枝節可在諧振器基模附近引入另外一個模式，調節加載枝節尺寸可使2個模式的諧振頻率靠近構成雙模諧振器，即奇偶模雙模諧振器［1，2］，該雙模諧振器工作原理不同于簡并雙模諧振器，2個工作模式非簡并［3］。本文以六邊形短路枝節加載雙模濾波器為例，分析、推測并驗證此類雙模濾波器所有可能的頻響特性。

1 理論分析

六邊形短路枝節加載雙模濾波器，由短路枝節加載雙模諧振器和源與負載直接耦合（S－L coupling）結構組成如圖1所示，包括兩類：容性S－L coupling（圖1（a））和感性S－L coupling（圖1（b））。終端短路的枝節線加載于諧振器中心，該諧振器可由電路等效，如圖2所示，短路枝節由電感L1等效［4］，調節短路枝節尺寸可得到所需的電感量。諧振器呈對稱性，可用奇偶模理論分析［5］。

圖1 六邊形短路枝節加載雙模濾波器

圖2 短路枝節加載雙模濾波器等效電路

利用CST軟件對該諧振器進行仿真，結果如圖3所示。圖3（a）為奇模諧振的場分布，對稱軸可視為電壁，短路枝節上無場分布，其長度不會影響奇模諧振頻率。圖3（b）為偶模諧振的場分布，兩臂的電場方向相同。

圖3 雙模諧振器電場分布

短路枝節加載雙模諧振器模式分布如圖4所示。自變量為l2和l1，圖4（a）中，l1從0.2 mm增至6.2 mm時，偶模頻率由2.48 GHz降至1.7 GHz，奇模頻率不變；圖4（b）中，l2對奇偶模頻率均有影響，由于奇模的場分布于諧振器兩臂，而偶模的場分布于兩臂和中間短路枝節上，所以l2對奇模影響更顯著。

圖4 短路枝節加載雙模諧振器模式分布圖

枝節加載雙模濾波器存在一個固有零點，引入S－L coupling會再產生一個附加零點。其模式耦合如圖5所示［6］，其中奇模兩側的符號相反，偶模兩側的符號相同，因為奇模諧振時兩臂的電場反向，相差為180°，偶模諧振時兩臂電場同向。

圖5 耦合模式圖

此類濾波器頻響可用式（1）的耦合矩陣來進行理論分析［7］：

短路枝節加載雙模諧振器偶模諧振頻率始終小于奇模諧振頻率，即feven＜f0＜fodd。奇偶模諧振頻率表達式為［8，9］：

由式（2）和式（3）得M11＜0，M22＞0，短路枝節加載雙模濾波器低通原型對應的零點位置由式（4）給出［10］：

由于輸入/輸出饋線與諧振器耦合處奇模場密度大于偶模，故輸入/輸出饋線和奇模耦合強度大于偶模耦合強度，即M1S＞M2S。式（4）分母不為零，所以該類濾器的傳輸零點只存在與有限頻率處，由于M11＜0，M22＞0，且M1S＞M2S，且對于容性S－L coupling，MSL＜0；對于感性S－L coupling，MSL＞0。故式（4）小于零，即固有零點在低阻帶。

附加零點可由各通路信號相位關系來分析，由于M1S＞M2S，故只考慮源－奇模－負載（S－O－L）和源－負載（S－L）2條通路的信號相位［11，12］。信號在阻帶上的相移與阻帶頻率和通帶頻率相對大小有關［8］，高阻帶相移為－90°，低阻帶相移為90°；容性S－L coupling相移為－90°，感性S－L coupling相移為90°。相位關系總結如表1所示。容性S－L coupling在高阻帶上有附加零點，感性S－L coupling在低阻帶上有附加零點。S－L coupling短路枝節加載雙模濾器可能的2種頻響曲線如表2所示。

表1 濾波器通路信號相移分布單位：（°）

表2 濾波器頻響曲線示意圖

2 實例驗證

為驗證上述理論，對表2中的濾波器進行加工測試，現把圖1（a）和（b）分別稱為濾波器A和B。圖1中的S－L coupling平行耦合線長度為lp，縫隙寬度為s2，諧振器與饋線間的縫隙為s，介質基片為Rogers RO 4003，厚度為0.508 mm。

濾波器A驗證容性S－L coupling短路枝節加載雙模濾波器濾波器A頻響仿真曲線隨s2和lp的變化情況如圖6所示。圖6（a）中，隨著s2的減小，零點移向通帶，濾波器選擇性變好。S21隨lp的變化情況如圖6（b）所示，隨著lp的增加，通帶選擇性趨好。選擇合適的S－L coupling可使濾波器選擇性滿足不同需求。

圖6 濾波器A的仿真S21

濾波器A實物如圖7所示，主要尺寸為：l1＝0.2 mm，l2＝11.6 mm，lp＝3.5 mm，r1＝0.3 mm，s2＝0.4 mm，s＝0.18 mm和w＝0.59 mm。濾波器A的仿真和測試曲線如圖8所示，中心頻率為2.75 GHz， 2個傳輸零點在2.27 GHz和3.44 GHz處，分列通帶側，仿真最小插入損耗為0.4 dB，最小回波損耗大于20 dB。測試最小插入損耗為1.6 dB，測試最小回波損耗約為17 dB。

圖7 濾波器A實物照片

圖8濾波器A的仿真和測試結果

濾波器B驗證感性S－L coupling短路枝節加載雙模濾波器，濾波器B的S21仿真曲線隨s2、lp的變化情況如圖9所示，內側的為固有零點，外側的為附加零點。

圖9 濾波器B的仿真S21

濾波器B實物照片如圖10所示，主要尺寸為：l1＝0.2 mm，l2＝11.5 mm，l3＝8 mm，lp＝8 mm，r1＝0.3 mm，r3＝0.3 mm，s2＝2.4 mm，s＝0.18 mm和w＝0.73 mm。

仿真和測試結果如圖11所示，最小測試插入損耗為1.8 dB，最小測試回波損耗為17 dB。2個傳輸零點分別在2.04 GHz和2.18 GHz處，均位于下阻帶。

Study of Short-stub Loaded Dual-modeM icrostrip Filter

WEIChao－lei，LI Jing
（The 54th Research Institute of CECT，Shijiazhuang Hebei050081，China）

The frequency response rule of short－stub loaded dual－modemicrowave filterswith S－L coupling is studied in the paper.The rule of inherent transmission zero is predicted through the transmission zero theory.The distribution position of the extra transmission zero is analyzed theoretically by the phase relationship among all signal channels of the dual－mode filter with S－L coupling.Finally，two possible frequency response characteristics of short－stub loaded dual－mode filter are validated by two filter instances，and the correctness of the theoretical analysis is also proved.

filter；dual－mode；short－stub loaded；S－L coupling

TN713

A

1003－3114（2015）04－77－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.20

位朝壘，李 晶.短路枝節加載雙模濾波器研究［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：77－79，95.

2015－05－08

國家自然科學基金項目項目（61308061）

位朝壘（1981—），男，博士，工程師，主要研究方向：微波射頻技術。李晶（1981—），女，博士，工程師，主要研究方向：激光通信技術。