一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器

王仕章，彭菊紅，王旭光，楊維明

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430062)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.17

王仕章,彭菊紅,王旭光,等.一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器[J].無(wú)線電通信技術(shù),2018,44(1):82-85.

[WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,et al.A Wide Stop-band Low-pass Filter Based on T-shape Parallel Branch[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):82-85.]

一種基于并聯(lián)T型枝節(jié)的寬阻帶低通濾波器

王仕章，彭菊紅，王旭光，楊維明

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖北 武漢 430062)

針對(duì)高低阻抗線結(jié)構(gòu)的平面低通濾波器的阻帶不夠?qū)挕⒔刂诡l率的2倍頻或3倍頻處出現(xiàn)寄生通帶、尺寸較大的問(wèn)題,采用并聯(lián)T型枝節(jié)代替高阻抗傳輸線的方法，利用T型枝節(jié)構(gòu)成的帶阻濾波支路，可以抑制寄生通帶，增加阻帶寬度，提高濾波器性能。以截止頻率為4.25 GHz的七階切比雪夫低通濾波器為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通帶插損和回波損耗較小，過(guò)渡帶陡峭，頻率在13 GHz處的衰減低于-20 dB，阻帶較寬，可以抑制3次諧波，同時(shí)濾波器的體積減小了，改善了濾波器的性能，可為低通濾波器寬阻帶和小型化的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)提供參考。

微帶低通濾波器；并聯(lián)T型枝節(jié)；寬阻帶；小型化

TN713

A

1003-3114(2018)01-82-4

2017-11-07

東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(K201811)

AWideStop-bandLow-passFilterBasedonT-shapeParallelBranch

WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,YANG Weiming

(School of Computer and Information Engineering,Hubei University,Wuhan Hubei 430062,China)

In traditional high-low impedance micro-stripe low-pass filter,the stop band is not wide enough,the additional parasitic pass band produces in 2 or 3 times frequency and the size of the filter is too large.In order to solve these problems,this paper proposes a method of replacing high-impedance transmission line by T-shape parallel branch.The band-stop filter branch constituted by T-shaped branch can be used to suppress the parasitic pass-band,increase the width of stop band and improve the performance of filter.By taking 7-step Chebyshev low-pass filter with cut-off frequency of 4.25 GHz as an example,the experimental results show that the pass-band insertion loss and the return loss are small,the excessive band is steep,the attenuation at the frequency of 13 GHz is less than -20 dB,the stop band is wide,which can reach the harmonics suppression of 3 times,and the size of the filter is reduced and its performance is improved,and it can supply references to the design of broad stop band and miniaturization of low-pass filter.

micro-strip low-pass filter;T-shape parallel branch;broad stop-band;miniaturization

0 引言

目前，平面低通濾波器通常采用的結(jié)構(gòu)是開(kāi)路短截線結(jié)構(gòu)或高低阻抗線結(jié)構(gòu)[1-4]，這種結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，但其阻帶一般不夠?qū)?，在截止頻率的2倍頻或3倍頻處常會(huì)出現(xiàn)寄生通帶；此外，一般高低阻抗線結(jié)構(gòu)是采用1/4λ高低阻抗線，尺寸可能較大。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的電路，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振單元和耦合單元的參數(shù)，改善了濾波器的寄生通帶，阻帶較寬，但濾波器的尺寸較大；文獻(xiàn)[6-7]利用開(kāi)路T型枝節(jié)等效串聯(lián)微帶傳輸線的方法，電路阻帶抑制效果良好，但等效設(shè)計(jì)過(guò)程較復(fù)雜，而且當(dāng)電長(zhǎng)度較小同時(shí)微帶線的阻抗較大時(shí)，采用開(kāi)路T型枝節(jié)等效高阻抗串聯(lián)傳輸線，尺寸會(huì)增大，而且此設(shè)計(jì)方案還會(huì)增加制作工藝和加工的難度。

為提高低通濾波器的阻帶性能，本文提出用并聯(lián)T型枝節(jié)直接代替高阻抗串聯(lián)傳輸線，相當(dāng)于在原來(lái)設(shè)計(jì)的低通濾波器中引入帶阻單元，從而提高濾波器的阻帶的帶寬?，F(xiàn)以七階切比雪夫低通濾波器為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，結(jié)果表明，濾波器通帶插損和回波損耗較小，過(guò)渡帶陡峭，阻帶較寬，可抑制3倍頻的寄生通帶。

1 并聯(lián)T型枝節(jié)特性分析

1.1 T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€原理

并聯(lián)T型枝節(jié)[8-11]代替低通濾波器[12-13]中的串聯(lián)傳輸線的原理如圖1所示。

圖1 T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€原理圖

常規(guī)傳輸線的轉(zhuǎn)移矩陣M1為：

(1)

T型節(jié)中，特性阻抗為Z2的傳輸線的轉(zhuǎn)移矩陣M2為：

(2)

特性阻抗為Z3的傳輸線的轉(zhuǎn)移矩陣M3為：

(3)

如果忽略T型節(jié)的不連續(xù)性和開(kāi)路終端效應(yīng)，用T型枝節(jié)代替?zhèn)鬏斁€，則轉(zhuǎn)移矩陣應(yīng)滿足:

M1=M2*M3*M2。

可得：

(4)

(5)

1.2 并聯(lián)T型枝節(jié)的特性仿真分析

本文采用的并聯(lián)T型枝節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。設(shè)T型節(jié)中特性阻抗Z3的傳輸線長(zhǎng)度變量為length，加載的開(kāi)路枝節(jié)長(zhǎng)度變量為L(zhǎng)，寬度變量為W。

圖2 并聯(lián)T型節(jié)的結(jié)構(gòu)圖及尺寸圖

利用HFSS仿真軟件對(duì)圖2結(jié)構(gòu)的并聯(lián)T型節(jié)進(jìn)行仿真，觀察它的帶阻特性[14]。其中，仿真參數(shù)的選取為：微帶線的介質(zhì)厚度h=0.8 mm，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，輸入阻抗和輸出阻抗為50 Ω。

① 變量length對(duì)諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的L=2.75 mm，W=1 mm，取變量length分別為4 mm、5 mm、6 mm、7mm、8 mm時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)掃描，得到仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 并聯(lián)T型節(jié)的變量length對(duì)諧振頻率的影響

從圖3可以看到，length=4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為6.1 GHz；length=8 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為4.2 GHz。可見(jiàn)，隨著特性阻抗Z3的傳輸線長(zhǎng)度length的增大，其諧振頻率減小。

② 變量L對(duì)諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的length=6 mm，W=1 mm，取變量L分別為2.6 mm、2.7 mm、2.75 mm、2.8 mm時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)掃描，得到仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看到，L=2.6 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為8.5 GHz；L=2.8 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為4.8 GHz?？梢?jiàn)，隨著開(kāi)路枝節(jié)長(zhǎng)度L的增大，其諧振頻率在減小。

圖4 并聯(lián)T型節(jié)的變量L對(duì)諧振頻率的影響

③ 變量W對(duì)諧振頻率的性能分析

令T型枝節(jié)的L=2.75 mm，length=6 mm，取變量W分別為0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.25 mm時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)掃描，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 并聯(lián)T型節(jié)的變量W對(duì)諧振頻率的影響

從圖5可以看到，寬度W對(duì)諧振頻率影響不明顯，但當(dāng)寬度比較小時(shí)，其阻帶衰減比較大。

通過(guò)上述仿真結(jié)果分析，可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)T型枝節(jié)的length、L、W變量對(duì)諧振頻率有一定的影響。

2 寬阻帶低通濾波器設(shè)計(jì)

微帶低通濾波器的設(shè)計(jì)要求為：通帶截止頻率為4.25 GHz，通帶內(nèi)波紋小于1 dB，頻率為6 GHz時(shí)的衰減大于40 dB，在3倍截止頻率處具有不小于20 dB的帶外衰減。

2.1 高低阻抗線結(jié)構(gòu)的低通濾波器設(shè)計(jì)

微帶低通濾波器常用的結(jié)構(gòu)為開(kāi)路端短截線結(jié)構(gòu)和高低阻抗線結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程都較為成熟，易于實(shí)現(xiàn)。一般的設(shè)計(jì)過(guò)程是，先設(shè)計(jì)出集總參數(shù)的歸一化的低通濾波電路，再變換為高低阻抗線結(jié)構(gòu)的微帶濾波器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇介質(zhì)基片厚度為0.8 mm，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，選用1 dB等波紋切比雪夫?yàn)V波電路。在ADS平臺(tái)中，設(shè)計(jì)出七階高低阻抗結(jié)構(gòu)的微帶濾波器電路，如圖6(a)所示，其仿真結(jié)果如圖6(b)所示，由仿真結(jié)果可以看出，濾波器的過(guò)渡帶較緩， 頻率為6 GHz時(shí)衰減小于-25 dB，但存在寄生通帶，不能抑制多倍頻的諧波分量，阻帶帶寬較窄。因此不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，由圖6還可算出，高低阻抗線結(jié)構(gòu)的濾波器尺寸為35.11 mm×5.85 mm。

圖6 高低阻抗微帶低通濾波器電路和仿真結(jié)果

若將高低阻抗線轉(zhuǎn)換為串聯(lián)的傳輸線和并聯(lián)的開(kāi)路短截線相級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，采取基于Richards變換與Kuroda規(guī)則的微帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，濾波器的性能會(huì)有所優(yōu)化，但是濾波器的面積還會(huì)進(jìn)一步增大[15]。

2.2 基于并聯(lián)T型枝節(jié)的低通濾波器設(shè)計(jì)

由于并聯(lián)T型枝節(jié)結(jié)構(gòu)在其諧振頻率處有極大的衰減，且在通帶內(nèi)插入損耗極小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把并聯(lián)T型枝節(jié)的諧振頻率設(shè)在要限制的寄生通帶的中心頻率處，就能很好地抑制諧波[16-17]。為了更好地利用并聯(lián)T型枝節(jié)的帶阻特性，可以加載多個(gè)并聯(lián)T型枝節(jié)，將上述高低阻抗結(jié)構(gòu)中的高阻抗串聯(lián)傳輸線，用T型枝節(jié)替代，得到七階濾波器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在圖7中，并聯(lián)T型枝節(jié)的length為6 mm，L為2.75 mm，寬W為1 mm。微帶線兩端的2個(gè)并聯(lián)枝節(jié)長(zhǎng)度為5.2 mm，寬度為1.5 mm；中間的并聯(lián)枝節(jié)長(zhǎng)為5.2 mm，寬為2 mm；濾波器的尺寸為24 mm×7 mm，比高低阻抗結(jié)構(gòu)濾波器面積小一些。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 基于并聯(lián)T型枝節(jié)的七階低通濾波器

圖8 基于并聯(lián)T型枝節(jié)低通濾波器的仿真曲線

從圖8可以看到，截止頻率4.25 GHz內(nèi)的插損和回波損耗?。?.8 GHz頻率處衰減最大，過(guò)渡帶陡峭；13 GHz頻率處的衰減低于-20 dB，阻帶較寬，而且到了近3倍頻的寄生通帶，能抑制多次諧波，尺寸面積減小，可為濾波器寬阻帶和小型化設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種銳截止、寬阻帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的新型的并聯(lián)T型枝節(jié)低通濾波器。以七階切比雪夫微帶低通濾波器為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，結(jié)果表明：低通濾波器通帶插損小于0.5 dB，過(guò)渡帶陡峭，-20 dB阻帶達(dá)到了13 GHz，能抑制3次諧波，濾波器面積比高低阻抗結(jié)構(gòu)濾波器的面積有所減小。本設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，便于加工，僅需要調(diào)節(jié)對(duì)T型節(jié)的諧振頻率，即可以擴(kuò)展阻帶的帶寬。這種插損低，銳截止、尺寸小、寬阻帶的結(jié)構(gòu)，可以推廣到寬阻帶的帶通濾波器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，為實(shí)際電路提供參考。

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王仕章(1996—)，男，本科，電子信息工程專業(yè)，主要研究方向：微波濾波器；

彭菊紅(1978—)，通訊作者，女，碩士，講師，主要研究方向：射頻微電子學(xué)。