張立明，馮全源

(西南交通大學微電子研究所，成都 610031)

隨著電子戰(zhàn)、衛(wèi)星通信和個人移動通信等領域的迅速發(fā)展，作為關鍵射頻器件的濾波器的作用越來越重要?，F代微波通信系統(tǒng)對帶通濾波器的要求，不僅僅是有良好的帶內性能，如較小的插損，良好的匹配，有衰減極點等，而且要求其有良好的帶外性能即有足夠寬的阻帶。特別是用在微波振蕩器或放大器輸出端的濾波器，要求具有良好的諧波抑制性能[1]。

M.Makimoto和S.Yamashita提出的應用階梯阻抗諧振器(SIR-Stepped Impedance Resonators)構成濾波器，通過調節(jié)新的設計參量-阻抗比K，既能實現濾波器小型化的目的，同時還可以實現抑制諧波提高阻帶頻率響應指標。另外，雖然理論已經證明了四分之一波長SIR最適于微型化結構，但在實際中，半波長SIR比四分之一波長SIR用于更多的射頻器件。這是由于半波長SIR是由帶狀線結構組成，允許有更廣的幾何結構，且和有源器件有很好的兼容性[2]。

本文應用SIR結構特性分別設計了相同阻抗比和不同阻抗比的半波長SIR帶狀線平行耦合帶通濾波器，通過控制SIR的阻抗比，控制各階諧波通帶的中心頻率位置，間接實現抑制諧波的目的。同時為了減小濾波器的體積，所有組成濾波器的單元諧振器都采用了緊湊的發(fā)夾形結構。

1 半波長SIR-BPF的設計原理

1.1 半波長型SIR-BPF的基本結構

平行耦合開路端的半波長SIR被用來實現適合于MIC的BPF。當采用SIR作為單元諧振元件時，輸入輸出耦合和諧振器的級間耦合仍能通過相同的平行耦合線實現，但耦合角并不限于π/4弧度。帶狀線平行耦合BPF的分布式耦合電路如圖1所示，這一電路的電學參量由偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Zoo及電耦合角θ來表示[3]。

圖1 采用帶狀線SIR n級BPF的一般結構

如圖2所示，平行耦合節(jié)可以等效為由兩根單線和一個導納反相器組成的等效電路。因此，只要制定被設計的濾波器的反相器參數，就可以確定平行耦合節(jié)的綜合電學參數。

圖2 平行耦合帶狀線和它的等效電路電學參數

1.2 半波長型SIR諧波特性分析

半波長型SIR的基本結構如圖3所示，現在取θ1=θ2=θ，則從開路端看去，它的輸入導納為：

圖3 半波長SIR諧振單元

設雜散諧振頻率為fSB1fSB2fSB3，對應的θ為θS1θS2θS1，諧振時輸入導納Yi=0。

于是：

第一雜散響應

第二雜散響應

第三雜散響應

可以看出， SIR的雜散諧振頻率受阻抗比K的控制，通過K的選取，可以改變寄生雜散諧振條件，使某些f0的整數倍處出不產生寄生條件，得到寬阻帶特性的BPF濾波器。

1.3 半波長型SIR在諧波抑制中的應用

半波長型平行耦合SIR-BPF一般有兩種結構：一種結構是由相同阻抗比的單元SIR組成，如圖4所示，其雜散諧振頻率發(fā)生在由整數倍基頻f0衍生的頻率上，這一特性對于抑制產生于非線性電路中的諧波成分的輸出濾波器的設計是十分有價值的。

阻抗比的選擇應滿足：

這是根據第一次諧波出現位置的要求而求得的阻抗比K的最大值。一般情況下為了計算方便，可以適當選擇K。

另外一種結構是不同阻抗比的單元SIR組合的BPF，通過改變多個SIR阻抗比來控制雜散諧振頻率而又保持主諧振頻率不變，主要應用于有寬阻帶需求的抑制雜散頻率響應的BPF.在平行耦合線等分布耦合電路中，由電路的電特性和頻率固有的依賴性可知，雜散響應的抑制在不同結構的SIR-BPF中得以提高。

圖4 相同結構SIR-BPF傳輸響應

如圖5所示，不同阻抗比的SIR-BPF可以看做由多個不同阻抗比的單元SIR級聯(lián)而成，這些單元SIR具有共同的基本諧振頻率，不同的雜散響應，級聯(lián)后，可以有選擇的將部分雜散諧振頻率抑制。因此，不同結構的SIR-BPF能得到更好的雜散相應抑制和阻帶擴展。

圖5 不相同阻抗比組合SIR-BPF的傳輸響應

在設計過程中，首先要考慮的是SIR的結構組成，但是目前不存在系統(tǒng)的方法由指定的雜散響應電平以確定合適組合。本節(jié)主要針對阻抗比的選擇情況進行探討。

根據”通過改變多個SIR阻抗比來控制雜散諧振頻率而又保持主諧振頻率不變”這一要求，阻抗比K的選擇應該注意以下三點：

(1)各個耦合節(jié)的第一和第二次雜散響應分散分布，不要重疊，以實現交互抑制；

(2)在滿足諧波抑制的前提下，兼顧小型化，也就是選擇盡可能小的阻抗比K；

(3)阻抗比K的選擇并不唯一，可以選取不同的組合進行設計，根據仿真結果確定最優(yōu)組合。

2 SIR濾波器設計

設計指標：通帶3.0 ～3.2 GHz，帶內波動Lr≤0.01 dB，帶外抑制在f≥3.6 GHz或f≤3.6 GHz處大于40 dB，雜散諧振頻率fs≥2.5f0。

2.1 設計指標分析

濾波器響應類型為切比雪夫，經計算級數為n=4，相對帶寬BW=6.25 %。

(1)相同結構的SIR-BPF

(2)對不同結構的SIR-BPF

由平行耦合BPF結構的對稱性，一般將對稱的平行耦合節(jié)取相同的阻抗比。本設計中，為了滿足第一寄生通帶這一指標，取第二和第三耦合節(jié)的阻抗比k=0.5， 雜散響應在 2.55f0，4.1f0， 5.1f0， …。對第一和第四耦合節(jié)，為了設計簡便，取K=1，其雜散響應相應發(fā)生在中心頻率的整數倍2f0， 3f0， 4f0， 5f0， …。由于耦合節(jié)的級聯(lián)關系，只有不同結構SIR共有的或者距離比較近的雜散響應才會成為SIR-BPF的雜散響應，而其它他的雜散相應被抑制了。因此，最終得到的SIR-BPF僅有三個明顯的雜散相應2.55f0， 4.1f0， 5.1f0。

2.2 電路仿真

為了使濾波器的結構緊湊，有利于實現小型化，所有組成濾波器的SIR單元均采用了發(fā)夾型結構[4]。在ADS中建立電路原理圖如圖6所示。

選擇襯底材料如下。

襯底材料 玻璃纖維薄片

圖6 設計的相同和不同SIR結構的濾波器原理圖

相對介電常數 Er=2.6

襯底高度 H=3.13 mm

中心導體厚度 t=0.018 mm

損耗角 Tand=1e-3

為了獲得更加準確的濾波器結構，在濾波器的設計過程中，利用仿真軟件ADS2008對初始設計參數進行了優(yōu)化[4]，設計的SIR-BPF的初始設計尺寸和優(yōu)化后的尺寸如表1所示，優(yōu)化后的仿真結果如圖7所示。

表1 初始設計和優(yōu)化后的平行耦合線設計參數

圖7

可以看出：相同阻抗比的SIR-BPF其雜散響應出現在 2.55f0、5.1f0，在2f0處并沒有出現寄生通帶，說明阻帶已經擴展到2.5f0，仿真結果和理論分析是一致的；不同阻抗比的SIR-BPF其雜散響應是由多個SIR的雜散響應組合而成的， 分散在2 f0、2.55f0、3f0、4.1f0處，雖然在2f0處出現了寄生通帶，但是其傳輸響應已經下降到了-45 dB以下，還是滿足設計指標的，并且，和相同阻抗比的SIR-BPF相比，它所有雜散響應的傳輸函數都比較低，這是由于不同SIR的諧波相互抑制作用產生的。

2.3 Momentum電磁仿真

版圖的仿真是采用Momentum(矩量法)直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要更加接近實物的響應。一般情況下，由原理圖直接生成的版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，產生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過大或者其它的參數取值不合適。本文的做法是根據曲線與指標的差別情況，適當調整優(yōu)化目標的參數，重新對原理圖進行優(yōu)化仿真。重復版圖——原理圖——版圖的優(yōu)化過程，直到版圖仿真的結果達到要求。

圖8 三維版圖俯視圖

最終得到Momentum電磁仿真結果如圖9和圖10所示。

圖9 正向傳輸系數仿真曲線

圖10 輸入端口反射系數仿真曲線

3 結論

本文介紹了半波長SIR-BPF的設計原理和設計步驟，對其諧波抑制原理進行了分析，并且討論了相同阻抗比和不同阻抗比這兩種結構的SIR-BPF傳輸響應，目的是說明根據不同的應用背景，可以選擇不同的結構來達到抑制雜散響應的目的對于不同阻抗比的SIR-BPF，其阻抗比K的組合并不唯一，而是根據實際應用而有多種選擇，使用這種結構可以得到更好的傳輸響應，但是設計過程要相對復雜一些。

[ 1] Cristal E G， Frankel S.Hairpin-Line and Hybrid Hairpinline/Half-Wave Parallel-Coupled-Line Filters[ J].IEEE Trans Microwave Theory Tech， 1972， 20：719-728.

[ 2]Makimoto M， Yamashita S.無線通信中的微波諧振器與濾波器[M].趙宏錦，譯.北京：國防工業(yè)出版社， 2002.

[ 3] 甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[ M].北京：科學出版社， 1973.

[ 4]Agilent Technologies.“Line Calc Program” Advanced Design System ver.1.3， Palo Alto， CA， November 1999.

[ 5]Nikholas G.Practical Techniques for Designing Microstrip Tapped Hairpin Resonator Filterson FR 4 Laminates[ M] .Toledo， 2001.