一種緊湊發夾型SIR類橢圓函數濾波器的設計

溫金芳， 劉芳(黃淮學院 信息工程學院，駐馬店 463000)

一種緊湊發夾型SIR類橢圓函數濾波器的設計

溫金芳， 劉芳
(黃淮學院 信息工程學院，駐馬店 463000)

基于發夾型階躍阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonator，SIR)結構和類橢圓函數提出一種新的小型化、高性能的帶通濾波器的設計方法。經ADS(Advanced Design System)電磁計算軟件建模仿真優化，并經加工實物測試。結果表明：提出的濾波器能很好地滿足設計指標的要求。不僅具有選擇性好、帶外抑制性高、尺寸小、成本低、易于集成等優點，而且能夠滿足現代通信系統對小型化高性能濾波器的要求，在微波平面電路的設計中有著很好的應用前景。

階躍阻抗諧振器； 類橢圓函數； 小型化； 高選擇性

Abstract： A novel method is presented for miniaturization and high performance of band-pass filter design by using hairpin SIR (stepped impedance resonator) structure and quasi-elliptic function. After modeling, simulation and optimization by ADS (Advanced Design System) electromagnetic computing software, the proposed filter is fabricated and measured by pratical operation. The results show that the proposed filter can well meet the requirements of design indeces. It not only has advantages of small size, good selectivity, high out-of-band suppression, low cost, ease of integration, but also can meet the requirements of modern communication system for miniaturization of high-performance filter. Hence, it has a good application prospect in the design of microwave planar circuits.

Keywords： SIR; Quasi-elliptic function; Miniaturization; High selectivity

0 引言

射頻濾波器是無線通信系統中重要的無源器件。無線通信系統對射頻濾波器要求越來越高，因此小體積、高選擇性和易集成的帶通濾波器成為了研究的重點[1]。研究減小濾波器尺寸的途徑有將半波長諧振器折疊成發夾型諧振器，在主傳輸線上引入分布電容形成慢波結構[2]等。研究提高濾波器選擇性的途徑有在通帶旁邊增加傳輸零點，增加濾波器的節數，使用高Q值的諧振器[3]等。

本文設計了一款新型的緊湊型SIR橢圓函數帶通濾波器，可廣泛應用于無線局域網802.11b/g系統的。與傳統濾波器相比，該濾波器具有緊湊的電路結構和高的頻帶選擇性，可滿足無線通信系統對濾波器的要求。

1 發夾型SIR諧振單元

SIR諧振單元是由多節不同特性阻抗的傳輸線級聯而成，改變傳輸線的阻抗就可以改變此諧振單元的諧振頻率和第一雜散頻率的相對位置，而傳輸線的阻抗與線的粗細有關。因此，調節SIR諧振器傳輸線的粗細比可實現諧振器小型化和高選擇性[4]?；诖嗽?，本文提出的折疊發夾型諧振單元結構，如圖1所示。

圖1 發夾型SIR結構示意圖

2 橢圓函數濾波器設計原理

為滿足濾波器高選擇性要求，設計函數需采用類橢圓函數。通過在不相鄰的諧振器間形成交叉耦合實現，這種方式在要求小型化的電路中具有明顯的優勢[5]。為簡化設計難度，采用相同的諧振單元提出的類橢圓函數帶通濾波器的拓撲結構，如圖2所示。

圖2 四階類橢圓函數濾波器拓撲結構

耦合系數是影響濾波器性能指標的重要參數，為了實現傳輸零點，需同時采用電耦合、磁耦合和混合耦合3種耦合類型。拓撲結構中，諧振回路1、4之間產生電耦合，對應的耦合系數為M14；諧振回路2、3之間產生磁耦合對應的耦合系數為M23；諧振回路1、2和諧振回路3、4之間都是電磁混合耦合，對應的耦合系數為M12和M34。則回路頻率響應與耦合系數的關系可寫為式(1)。

(1)

其中，FBW為相對帶寬系數，J為特征變換器。

3 濾波器設計

采用相對介電常數2.65、厚度1 mm的聚四氟乙烯(PTFE)高頻微波電路板為基板，設計中心頻率f=2.5 GHz，駐波比小于2，帶寬小于4%，通帶內插入損耗小于-3 dB的帶通濾波器根據設計原理，在軟件ADS2015對濾波器進行建模，仿真模型，如圖3所示。

圖3 ADS仿真電路模型

仿真優化后的諧振單元參數為：

W1=1.187 mm，L1=6.124 mm，W2=0.91 mm

L2=2.56 mm，g=0.173 mm

濾波器選用帶內波紋0.5 dB的類橢圓函數得出諧振單元數N為4，低通原型中各元件值：g0=1，g1=1.142 5，g2=2.055 8，J1=-0.082 8，J2=1.130 7。根據帶通濾波器與低通原型的關系，采用MATLAB編程計算出滿足該指標濾波器的耦合系數矩陣為：

根據耦合系數，可求出圖3中各諧振單元間的間距的初始值。仿真時，采用原理圖版圖聯合仿真功能對濾波器結構參數進一步的仿真優化，如圖4所示。

圖4 版圖仿真S參數

從圖4仿真結果可得出，該濾波器工作在2.45～2.55 GHz，通帶內損耗小于1 dB，在2.32 GHz和2.60 GHz處分別有一個-55 dB和-45 dB傳輸零點，帶外的抑制也優于35 dB，表明濾波器具有很好的選擇性。濾波器實物，如圖5所示。

圖5 濾波器實物圖

外層金屬盒可屏蔽外部電磁干擾的影響。濾波器的尺寸為40 mm×35 mm(0.33 λg×0.29 λg)，λg為各濾波器中心頻率對應的導波波長，與文獻[3]相比，實現了濾波器的小型化。

使用矢量網絡分析儀N5230對濾波器實物進行測試，結果，如圖6所示。

(a)S11曲線

(b)S21曲線

結果顯示濾波器工作在2.5 GHz，相對帶寬4%；通帶內曲線平坦，插入損耗小于3 dB；在2.35 GHz和2.66 GHz處分別有一個大于-45 dB的傳輸零點，帶外抑制優于35 dB。結果表明該濾波器具有良好的通帶和阻帶特性，即具有很好的選擇性。而且，實物測試與版圖仿真基本一致，很好地實現了設計的要求。

5 總結

本文設計了一款新型的緊湊型帶通濾波器。該濾波器不僅實現了小型化，而且具有很好的帶外諧波抑制功能、陡峭的截止頻率及較好的回波損耗，能夠滿足現代通信系統對小型化高性能濾波器的要求。

[1] Hong Jia-Sheng, Microstrip Filters for RF/Microwave. Applications(2nd)[M]. New York: John Wiley&Sons Inc.,2011：31-160.

[2] Sharma G, Sharma S, Bhullar S, et al. Design and Simulation of Compact Hairpin Band Pass Filter[J]. International Journal of Modern Communication Technologies & Research (IJMCTR). 2014, 2(4):2321-0850.

[3] Zhao Liangliang, Yang Biao. Design of Compact Elliptic-function Low-pass Flters Using Stepped-impedance Hairpin Resonators [C]. 2015 IEEE 12th Interational Conference on Electronic Measurement & Instruments, 2015: 974:978.

[4] Mohammad Y, Hadi A, Ramezanali S. Design and Integration of a High-order Hairpin Bandpass Filter with a Spurious Suppression Circuit [C]. 2015 Loughborough Antennas & Propagation Conference (LAPC).2015.1-10.

[5] Enokthara A, Setsune K. New Cross-coupled Filter Design Using Miniaturized Microstrip Hairpin Resonator[J]. IEEE Trans. Microw Theory Tech., 2008，48(12):235-237.

ADesignofCompactHairpinSIRFilterwithQuasi-ellipticFunction

Wen Jinfang1, Liu Fang2
(College of Information Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

TP311

A

2017.06.21)

國家自然科學基金青年基金(61304172)，黃淮學院青年教師科研能力提升計劃項目(201613)

溫金芳(1985-)，女，山西平遙人，助教，研究生，研究方向：微波器件方向的研究。 劉 芳(1973-)，女，河南駐馬店人，副教授，博士，研究方向：無線通信方向的研究。

1007-757X(2017)09-0001-02