開路枝節加載雙模微波濾波器研究

王鑫亮，李　晶，劉　潔，位朝壘

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北諾亞人力資源開發有限公司，河北 石家莊 050001)

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開路枝節加載雙模微波濾波器研究

王鑫亮1，李晶1，劉潔2，位朝壘1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北諾亞人力資源開發有限公司，河北 石家莊 050001)

摘要為了使信道中微波濾波器更加小型化，雙模濾波器逐漸成為研究熱點，綜合研究了源與負載間存在耦合的開路枝節加載雙模濾波器的頻響規律。通過傳輸零點理論推測了此類雙模濾波器固有傳輸零點的分布規律，通過各通路信號的相位關系，在理論上推測了附加傳輸零點的分布規律。通過2種該類型濾波器實例驗證了理論推測的正確性，使該類型濾波器趨于完備。

關鍵詞濾波器；雙模；枝節加載；S-L couple

0引言

濾波器是信道系統中的重要器件，其性能直接影響整個系統的性能。雙模濾波器是極具發展前景的研究熱點，在半波長諧振器中心加載開路枝節可在諧振器基模附近引入一新模式，調整開路枝節尺寸使2個模式諧振頻率相近，從而構成奇偶模雙模諧振器[1]。若源與負載之間引入直接耦合(S-L coupling)，可形成廣義切比雪夫類型的頻率響應[2]。本文將以六邊形開路枝節加載雙模濾波器為例，綜合研究開路枝節加載雙模濾波器的頻響特性，通過傳輸零點理論推測此類雙模濾波器固有傳輸零點的分布規律[3]。通過濾波器中各通路信號的相位關系，在理論上分析S-L coupling濾波器的附加傳輸零點的分布規律。最后加工并測試該類型濾波器，驗證S-L coupling開路枝節加載雙模濾波器理論推測的正確性。

1設計原理

六邊形S-L coupling開路枝節加載雙模濾波器如圖1所示，模諧振器由六邊形半波長諧振器和六邊形開路加載枝節構成。開路枝節在主諧振頻率處引入另一傳輸極點，與主諧振頻率構成雙模諧振器[4]。

圖1　六邊形開路枝節加載雙模濾波器結構

1.1諧振器電場分布

該諧振器具有對稱性，可用奇偶模理論分析。諧振器的電場分布仿真結果如圖2所示。圖2(a)為奇模諧振的電場分布，電場主要集中于主諧振器兩端，反對稱分布，即相位差180°，主諧振器中間部分和開路枝節上無電場分布，類似于無加載枝節諧振器。因此，開路枝節尺寸不影響奇模諧振頻率。圖2(b)為偶模諧振的電場分布，主諧振器與開路枝節均存在電場，電場對稱分布，即相位差為0°。

圖2　雙模濾波器電場分布

開路枝節加載雙模濾波器具有一個固有傳輸零點，引入S-L coupling可再產生一個附加傳輸零點，模式耦合圖如圖3所示[5]，奇模諧振時兩臂的電場方向相反，耦合系數反號；偶模諧振時兩臂電場方向相同，耦合系數同號。

圖3　耦合模式

1.2固有零點分析

開路枝節加載雙模濾波器的固有零點可用耦合矩陣來進行理論分析：

(1)

固有傳輸零點位置可由下式來表達[6]：

(2)

Ωinh>0和Ωinh<0分別表示零點在高阻帶和低阻帶。輸入輸出端口附近的奇模場強大于偶模場強，即M1S>M2S，分子不可能為零，所以必定存在有限頻率的傳輸零點，即固有傳輸零點。奇偶模諧振頻率的表達式為[7]：

(3)

(4)

與式(2)聯立得

(5)

Ωinh·(feven-f0)必大于0，所以固有零點位于高阻帶。

1.3附加零點分析

附加零點可由濾波器的各路信號的相位關系來分析，同樣由于輸入輸出端口附近的奇模場強大于偶模場強，只考慮源-奇模-負載、源-負載2條通路上的信號相位。阻帶上的信號相移與通帶頻率相對位置相關[7-8]，下阻帶相移為-90°，上阻帶相移為+90°[9]；容性S-L coupling相移為-90°，感性S-L coupling相移為+90°[10]。相位關系如表1所示，容性和感性S-L coupling開路枝節加載雙模濾波器分別在高阻帶和低阻帶存在附加零點。具有S-L coupling開路枝節加載雙模濾器所有可能的頻響曲線如表2所示，改變諧振器開路枝節尺寸與S-L coupling極性可形成不同的頻響曲線，從而使此類型濾波器設計更靈活。

表1　濾波器各通路信號的相對相移

表2　開路枝節加載雙模濾波器可能的頻率響應曲線

2實例驗證

為驗證前述理論推測，加工并測試了圖1中形狀為六邊形的開路枝節加載雙模濾波器，僅以fodd

圖4　濾波器A的仿真S21曲線

濾波器A為開路枝節加載并引入容性S-L coupling，由于fodd

圖5　濾波器A測試曲線

尺寸參數：lp=2 mm，l2=11.55 mm，w=0.73 mm，r2=5 mm，s=0.22 mm和s2=1 mm。中心頻率為2.8 GHz，帶寬為0.22 GHz，2個零點位于3.25 GHz和4.65 GHz，均在高阻帶，與理論推測吻合。

濾波器B為感性S-L coupling開路枝節加載雙模濾器，固有零點和附加零點應位于通帶兩側。濾波器B頻響曲線與S-L coupling結構關系如圖6所示。圖6(a)中，s2從3.5 mm變化到0.5 mm，固有零點不動，附加零點由0.85 GHz變化到1.9 GHz；圖6(b)中，lp從1 mm變化到7 mm，固有零點不動，附加零點由0.85 GHz變化到1.65 GHz。

圖6　濾波器B仿真S21曲線

濾波器尺寸參數：w=0.73 mm，lp=4 mm，l3=8 mm，l2=11.5 mm，r3=0.3 mm，r2=5 mm，s=0.18 mm和s2=1.5 mm。濾波器B測試曲線如圖7所示，中心頻率為3 GHz，帶寬為0.285 GHz，附加零點和固有零點在1.63 GHz與3.3 GHz，分列通帶兩側。除了稍微的頻偏，仿真與測試曲線與理論推測一致[11]。

圖7　濾波器B測試曲線

3結束語

本文綜合研究了開路枝節加載雙模濾波器的頻率響應規律，分析了固有傳輸零點的產生原理和分布規律。通過引入S-L coupling，使濾波器再產生一個附加傳輸零點，分析了附加傳輸零點的產生原理和分布規律，在理論上推測了該類型雙模濾波器所有的頻響類型，最后通過實例驗證了理論推測的正確性。本文的研究內容可使雙模濾波器的設計更加靈活，性能更好。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.13

收稿日期：2016-03-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61308061)。

中圖分類號TP

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0049-03

作者簡介

王鑫亮男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻技術。

李晶女，(1981—)，博士，工程師。主要研究方向：激光通信技術。

Study of Open Stub Loaded Dual-mode Microwave Filters

WANG Xin-liang1，LI Jing1，LIU Jie2，WEI Chao-lei1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.HebeiNoahHumanResourcesDevelopmentCo.,Ltd,ShijiazhuangHebei050001,China)

AbstractThe open stub loaded dual-mode microwave filters with source-load coupling(S-L coupling)are studied.The distribution rules of inherent transmission zeroes are studied by the transmission zero theory.The distribution rules of the extra transmission zeroes are studied theoretically by the phase relation of all signal paths of the dual-mode filter with S-L coupling.Finally,the open stub-loaded dual-mode filters are validated by two filter instances.The research of this paper makes the open stub-loaded dual-mode filter approach perfect.

Key wordsfilter;dual-mode;stub-loaded;S-L couple

引用格式：王鑫亮,李晶,劉潔,等.開路枝節加載雙模微波濾波器研究[J].無線電工程,2016,46(7):49-51，70.