錢　穎，張鳳娟，靳　靜

（1.無錫科技職業(yè)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214028；2.中國電子科技集團(tuán)第五十五研究所，南京210016）

結(jié)構(gòu)緊湊的高選擇性寬帶帶通濾波器

錢穎1*，張鳳娟1，靳靜2

（1.無錫科技職業(yè)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214028；2.中國電子科技集團(tuán)第五十五研究所，南京210016）

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊和高選擇性的寬帶濾波器，在傳統(tǒng)平行耦合線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作了適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)新穎的三線耦合結(jié)構(gòu)，均能夠?qū)崿F(xiàn)具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)的寬帶響應(yīng)，且其中兩個(gè)零點(diǎn)分別緊靠通帶的上下邊緣。加工并測試了基于其中一種結(jié)構(gòu)的寬帶濾波器，工作頻率為2.6 GHz，3 dB相對帶寬為63%，3個(gè)傳輸零點(diǎn)分別位于1.46 GHz，3.77 GHz和5.13 GHz，介質(zhì)基板采用Rogers 4003，厚度0.813 mm。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的有效性。

寬帶帶通濾波器；三線耦合結(jié)構(gòu)；奇偶模分析法；階梯阻抗諧振器；傳輸零點(diǎn)

寬帶濾波器作為微波通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵無源器件，不僅在工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注，在學(xué)術(shù)界也有非常高的研究價(jià)值。寬帶濾波器的設(shè)計(jì)有如下幾種方法：級聯(lián)濾波器的方法［1-4］，這種方法比較簡單，可以靈活設(shè)計(jì)一個(gè)極寬的阻帶，缺點(diǎn)是電路尺寸大且插入損耗較高；優(yōu)化高通短路枝節(jié)的方法［5-8］，利用這種方法設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工；利用微帶和共面波導(dǎo)混合結(jié)構(gòu)的方法［9-12］，利用這種方法設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，帶外抑制良好；采用多模諧振器的方法［13］；利用平行耦合線的方法，通過這種方法可以獲得結(jié)構(gòu)簡單且具有良好帶外抑制的寬帶濾波器，如反耦合線結(jié)構(gòu)［14-15］、三線耦合結(jié)構(gòu)［16］等。

本文在傳統(tǒng)平行耦合線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，作了適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)新穎的三線耦合結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更加緊湊且具有更高的頻率選擇性。文中給出了傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理的分析，并加工測試了一款寬帶濾波器，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

1　三線耦合線結(jié)構(gòu)

圖1所示的寬帶濾波器1是基于傳統(tǒng)平行耦合線結(jié)構(gòu)的寬帶濾波器［17］，由2個(gè)四分之一波長的開路枝節(jié)和一個(gè)二分之一波長的微帶線組成。將微帶線上方和下方的四分之一波長的開路枝節(jié)設(shè)計(jì)在關(guān)于中間微帶線對稱的位置上，端口2也設(shè)計(jì)在和端口1關(guān)于微帶線對稱的位置就得到了改進(jìn)后的寬帶濾波器2，如圖2所示。

圖1　寬帶濾波器1

圖2　寬帶濾波器2

圖2給出了寬帶濾波器2的結(jié)構(gòu)尺寸，與濾波器1的尺寸相比基本相同。圖3給出了兩種濾波器的仿真散射曲線的對比結(jié)果，可以看出，濾波器2具有與濾波器1相同的帶寬，不同的是，濾波器2增加了兩個(gè)靠近通帶的傳輸零點(diǎn) fz1和 fz2，具有了更高的頻率選擇性。

圖3　濾波器1和2的仿真散射曲線對比結(jié)果

為了進(jìn)一步減小濾波器2的尺寸，對中間的微帶線的右端進(jìn)行彎折處理，形成了一個(gè)終端開路的SIR諧振器結(jié)構(gòu)，此時(shí)濾波器2變?yōu)閳D4所示的濾波器3。

圖4　寬帶濾波器3

對濾波器3的尺寸進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化后得到的散射曲線如圖5所示，可以看出，與濾波器2的仿真結(jié)果相比，除了零點(diǎn) fz1的位置和回波損耗存在輕微的偏差外，兩個(gè)濾波器的仿真結(jié)果幾乎一致。

圖5　濾波器2和3的仿真散射曲線對比結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，濾波器3具有與濾波器2相同的頻率響應(yīng)，相同的選擇性，且具有更緊湊的結(jié)構(gòu)。由于濾波器3的尺寸參數(shù)比較多，影響頻率響應(yīng)的因素比較多，因此，考慮對濾波器3作進(jìn)一步改進(jìn)，即將濾波器3中0.5 mm寬的彎折線去掉，對余下0.1 mm寬的微帶線做短路處理，改進(jìn)后的濾波器4結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　寬帶濾波器4

需要注意的是，由于中間微帶線需要通過金屬化過孔短路，但考慮到耦合線的間距比較窄，所以對濾波器4的四分之一波長開路枝節(jié)的末端分別做了向上和向下的彎折處理。寬帶濾波器4的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7　濾波器3和4的仿真散射曲線對比結(jié)果

2　傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理的分析

上述濾波器2、3、4均具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了濾波器的頻率選擇性。下面我們對濾波器產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的機(jī)理進(jìn)行分析。圖3、圖5和圖7為濾波器1、2、3、4散射曲線的對比結(jié)果，可以看出，濾波器2、3、4的仿真結(jié)果的趨勢是基本一致的。從微波網(wǎng)絡(luò)的角度分析，3個(gè)具有基本相同頻率響應(yīng)的二端口網(wǎng)絡(luò)，可以看作具有相同的等效電路。為了便于分析，以濾波器4為例。文獻(xiàn)［18］對類似濾波器4結(jié)構(gòu)的濾波器采用文獻(xiàn)［19］的方法做了分析，但文獻(xiàn)［18］中的分析并不十分詳細(xì)，且文獻(xiàn)［19］中的方法比較復(fù)雜。

濾波器4的等效傳輸線電路模型可以簡化成如圖8所示，其中Z0e和Z0o分別表示偶模阻抗和奇模阻抗，θ表示四分之一波長傳輸線的電長度。

圖8　濾波器4的等效傳輸線電路模型

根據(jù)圖8所示的等效電路，可以得到輸入阻抗為：

其中

作為并聯(lián)枝節(jié)，其轉(zhuǎn)移矩陣為：

進(jìn)一步，可得：

令式（5）等于零，則

式中，f0是中心頻率，式（6）、式（7）說明圖8所示的等效電路可以產(chǎn)生一對傳輸零點(diǎn)，即 fz1和 fz2，這一對傳輸零點(diǎn)分別位于中心頻率的兩側(cè)。傳輸零點(diǎn)fz3是由于兩個(gè)四分之一波長開路枝節(jié)存在耦合，導(dǎo)致交叉耦合產(chǎn)生的，當(dāng)增加耦合線間的距離時(shí)，傳輸零點(diǎn) fz3就會逐漸消失。

另外，平行耦合線耦合的越緊密，耦合線的偶模阻抗就越大，奇模阻抗就越小。也就是說，耦合線的間距越小，傳輸零點(diǎn)的位置離中心頻率越遠(yuǎn)，帶寬越寬；相反，耦合線的間距越大，傳輸零點(diǎn)的位置離中心頻率越近，帶寬越窄。對于濾波器4，間距的變化對頻率響應(yīng)的影響如圖9所示，仿真結(jié)果與理論是相一致的。

圖9　濾波器4的仿真散射曲線對比結(jié)果

3　濾波器的加工測試

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的有效性，對濾波器3進(jìn)行加工測試，濾波器的介質(zhì)基板采用Rogers 4003，厚度為0.813 mm，饋線寬度為1.5 mm，濾波器3的實(shí)物如圖10所示。

圖10　濾波器3的實(shí)物

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230C對實(shí)物進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果如圖11所示。濾波器3的中心頻率為2.6 GHz，3 dB相對帶寬為73%，通帶最大插入損耗約為1 dB，帶內(nèi)回波損耗小于-20 dB，傳輸零點(diǎn)分別位于1.49 GHz、3.84 GHz、5.5 GHz處，分別具有大于42 dB、24 dB、34 dB的衰減。

圖11　濾波器的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果

將濾波器3的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相比，可以看到除了傳輸零點(diǎn)的位置發(fā)生輕微偏移和帶內(nèi)回波損耗的輕微惡化外，兩者基本吻合。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果存在偏差，主要是因?yàn)榻橘|(zhì)材料和導(dǎo)體存在損耗，且由于耦合線的間距比較窄，導(dǎo)致存在一定的加工誤差。

4　結(jié)論

本文對傳統(tǒng)平行耦合線結(jié)構(gòu)做了逐步的改進(jìn)，給出了3種結(jié)構(gòu)不同的三線耦合結(jié)構(gòu)，均具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)，并對傳輸零點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)理作了簡單的分析。與基于傳統(tǒng)平行耦合線結(jié)構(gòu)的寬帶濾波器相比，文中給出的濾波器具有更高的頻率選擇性和更小的尺寸。最后，加工并測試了一款寬帶濾波器，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明了理論分析的正確性和設(shè)計(jì)的有效性。

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錢穎（1982-），女，漢族，碩士，講師，主要從事射頻技術(shù)與器件的研究，qianying525@163.com。

Compact Wideband Bandpass Filters with High Selectivity

QIAN Ying1*，ZHANG Fengjuan1，JIN Jing2
（1.Department of Electronic Technology，Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi Jiangsu 214028，China；2.The 55th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210016，China）

To achieve compact and highly selective wideband filter，on the basis of the traditional parallel coupled line structure，we make the appropriate improvements.Three novel coupled line structures are designed.All structures exhibit a wideband response to three transmission zeros and two of them are close to the upper and lower edges of the passband.One filter has been designed，fabricated and measured.The operating frequency of filter is 2.6 GHz，3 dB fractional bandwidth（FBW）of the filter is 63%，transmission zeros are located at 1.46 GHz，3.77 GHz and 5.13 GHz respectively.The filter is designed on a Rogers 4003 dielectric substrate and the thickness of filter is 0.813 mm.Good agreement between the measured results and simulation ones is obtained，verifying the validity of structures.

wideband bandpass filter；three coupled line structure；the even-odd-mode analysis；stepped impedance resonator（SIR）；transmission zeros

TN713

A

1005-9490（2016）05-1059-04

2016-07-06修改日期：2016-08-10

EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.008