一種高抑制小型化帶通濾波器

張友俊，宋婉萍，朱祥李

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

0 引言

隨著無線通信技術的不斷發展，頻譜資源日益緊張，具有緊湊尺寸、低損耗和良好帶外抑制的微帶帶通濾波器成為必不可少的元器件[1-5]。微帶線具有與低頻集成電路[6]兼容的結構，它可實現小型化，并與無源和有源微波設備集成[7]。

文獻[8]提出由2條耦合線和2條傳輸線組成的一種新型等紋波響應帶通濾波器，它具有4個反射零點和高衰減率，但其回波損耗較差，電路尺寸較大。文獻[9]提出了一種傳輸零點可重構的帶通濾波器，在不影響插入損耗時，該濾波器可增加額外的傳輸零點，其回波損耗和帶外抑制較差。文獻[10]將基片集成波導與互補分環諧振器組合，實現緊湊型濾波器組件，但其電路的設計尺寸較大。文獻[11]設計了一種頻率可調階梯阻抗諧振器(SIR)帶通濾波器,具有帶外抑制好及結構緊湊的特點，但其插損和回波損耗較差。由此可見，設計具有小型化，緊湊尺寸，低損耗和良好帶外抑制的帶通濾波器較難。

本文濾波器采用一對長度為λ/4(λ為波長)的短路傳輸線來等效電容和電感[12]。通過引入馬刺線，利用源/負載耦合設計了一種具有低損耗、高帶外抑制的小型化帶通濾波器,在不增加電路尺寸的情況下可獲得更好的帶外抑制。通過HFSS 15.0仿真設計和實物加工測試，對該濾波器進行了驗證。

1 馬刺線結構理論分析

1.1 馬刺線的基本結構與特性

Bates最早提出馬刺線結構，其由一個L形狹槽嵌入到微帶線構成(見圖1)，常用于微帶傳輸線。馬刺線部分具有緊湊特性和良好的帶外抑制性能[13]，并能簡單地嵌入到濾波器、耦合器和其他器件的微帶傳輸線中[14]，無需增加貼片尺寸。圖1用3個參數描述該結構:s為槽寬,l為槽長，b為槽高。

圖1 馬刺線結構示意圖

與傳統的分流短截線和耦合濾波器相比，馬刺線濾波器輻射減少。加入馬刺線結構的濾波器，其尺寸增加不明顯，更易形成小型化。

1.2 馬刺線的等效電路

根據耦合線理論與奇偶模分析方法, Bates提出了馬刺線結構的等效電路，并給出了該等效電路的推導過程。一般該插槽的間隙(只有末端)提供了容性效應，而槽長度提供電感效應。

圖2為平行雙線耦合結構圖。圖中，Zoo,Zoe分別為用奇偶模分析耦合線電路模型得到的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗。當兩根傳輸線相互靠近時，它們之間的電磁場會發生耦合反應。從平行雙線耦合結構的對稱性可以計算得到其阻抗陣元式為

(1)

圖2 平行雙線耦合結構的電路圖

圖3為一個馬刺線的耦合線網絡。圖中，L為電感；Cend為馬刺線末端的不連續性電容, 其作用是增加馬刺線的有效長度。根據平行耦合線的阻抗矩陣式(1),得到圖3中短路馬刺線結構的轉移矩陣陣元式[15]為

(2)

圖3 馬刺線結構的電路模型

由式(2)級聯得到馬刺線的等效電路如圖4(a)所示。

圖4 馬刺線的等效電路及結構傳輸線型等效電路

圖4(a)中：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中vpe、vpo分別為偶模和奇模的相速度。當l=vpe/(4f)時，短路串聯短截線的阻抗為無窮大，相當于一個帶阻濾波器；當l=vpo/(2f)時，其阻抗為0，相當于一個帶通濾波器。假設耦合微帶線上的奇模和偶模的相速度相等, 考慮其中的微帶不連續性影響，利用Kuroda變換，電路可用一段特性阻抗為Z′1的開路支節傳輸線和一段特性阻抗為Z′2的主傳輸線表示, 如圖4(b)所示。其中，Z′1和Z′2為

θ=θe=θo

(7)

(8)

(9)

圖5為基于LCR電路元件的馬刺線部分的等效電路。輻射效應和損耗通過電阻R表示。基于傳輸線理論和譜域方法[16]，電路中電阻R、電容C及電感L分別為

R=2Z0(1/|S21|-1)|f=f0

(10)

(11)

(12)

式中：Z0為傳輸線50 Ω特性阻抗；f0為諧振頻率；S21為插入損耗；Δf為S21的-3 dB帶寬。

圖5 馬刺線的等效電路模型

2 濾波器設計

基于上述的馬刺線理論，結合一對λ/4諧振器，本文設計了一種具有多個傳輸零點、低插損和高帶外抑制的小型化帶通濾波器。濾波器設計在相對介電常數εr=2.65、厚h=1.0 mm的介質基板上，阻抗匹配設置為50 Ω。通過HFSS 15.0仿真設計及優化處理，提出的帶通濾波器拓撲圖如圖6所示。所選濾波器的尺寸參數如表1所示。

圖6 所設計的濾波器拓撲結構圖

表1 所選濾波器的尺寸參數 mm

本文所設計的小型化帶通濾波器中，由長度L1和寬度W1表示的一對耦合λ/4諧振器被間距S2隔開，并與相隔間距S3的饋線耦合，每個λ/4諧振器上的短路過孔直徑為D。所用馬刺線的槽寬W2、槽長L2和槽高L3。

選取切比雪夫低通原型濾波器的集總參數元件值為g0=1,g1=0.843 1,g2=0.622,g3=1.355 4，分別計算可得耦合系數M12=0.055，外部品質因數Qe=20.07[17]，通過調整S3和S2可得到適當的Qe和M12。圖7為使用商用仿真器HFSS繪制的M12與S2的關系。隨著S2的增大，M12減小，導致耦合強度降低，當S2=0.31 mm時，M12=0.055。

圖7 M12與S2的關系

在HFSS中分別建立了未加入馬刺線和加入馬刺線的模型。對二者分別進行仿真優化，結果如圖8所示。

圖8 加入馬刺線前后S11、S21參數

對比圖8(a)、(b)可知，引入馬刺線后，濾波器的回波損耗由11 dB變為35 dB，插入損耗由0.55 dB降到0.18 dB，且由于馬刺線結構具有帶阻特性，在2.85 GHz處新引入一個傳輸零點，使濾波器的遠端由-20 dB降到-36 dB。高頻段的零點位置主要與馬刺線的槽長度L2有關。由于引入傳輸零點的品質因數較高，不會影響濾波器的通帶性能，因此，引入的傳輸零點可顯著提高上阻帶抑制，但不會對通帶性能造成影響，濾波器性能得到明顯改善。

圖9 不同S1下S11參數

進一步優化傳輸線的耦合間距，通過調整控制饋線耦合強度參數S1可改變回波損耗。圖9為不同S1下S11參數。在一定范圍內，隨著S1變大，通帶區域的回波損耗變好，但當S1>0.6 mm時，回波損耗變差。仿真發現,當S1=0.6 mm時，通帶內的回波損耗優于40 dB，故最終選取S1=0.6 mm。

圖10為該帶通濾波器的最終電磁仿真結果。由圖可看出，中心頻率為2.12 GHz，工作帶寬為20%，回波損耗優于43.5 dB，插入損耗小于0.2 dB，具有3個傳輸零點，帶外抑制小于38 dB，達到帶通濾波器的設計要求。

圖10 濾波器最終仿真結果

3 實物加工與測試

為驗證上述分析，本文設計并制作了一款1～3 GHz的高抑制小型化帶通濾波器，實物如圖11所示，濾波器整體尺寸為29.2 mm×22.6 mm。利用矢量網絡分析儀對該濾波器的實物進行測試，實物測試數據與仿真結果對比如圖12所示。由圖12可見，兩者的偏差是因實物的加工精度造成，實測結果與仿真結果基本一致。

圖11 濾波器實物圖

圖12 實測與仿真結果對比

表2為本文濾波器與其他文獻濾波器性能的對比。由表可知，本文設計的濾波器具有低插損、高帶外抑制和小型化的良好性能。

表2 本文濾波器與文獻濾波器的對比

4 結束語

本文提出并分析了一種高抑制小型化帶通濾波器。對該濾波器進行實物加工測試，測得仿真與實際結果基本一致，驗證了此設計方法的可行性。該濾波器的整體尺寸為29.2 mm×22.6 mm，滿足小型化的要求，且具有低損耗、高帶外抑制、結構簡單緊湊和易加工的優點。