程 巍，章騰輝，吳佳佳，楊俊秀，李 霖

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018)

基于半波長槽線的寬帶帶通濾波器設(shè)計

程 巍，章騰輝，吳佳佳，楊俊秀，李 霖

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310018)

提出了一種基于半波長槽線的寬帶帶通濾波器的設(shè)計方案。首先給出該種濾波器的物理結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的等效傳輸線模型；其次依據(jù)電路模型進(jìn)行理論分析，從預(yù)先確定的電路響應(yīng)特性推導(dǎo)出帶通濾波器的電參數(shù)；最后通過建立電磁仿真和電路板制作驗證方案的可行性。采用以上方法設(shè)計了一個中心頻率為3 GHz、頻帶寬為100%的寬帶帶通濾波器。傳輸線模型、電磁仿真與實物測量結(jié)果表明：該方案準(zhǔn)確快速，可顯著縮短濾波器的設(shè)計周期，并實現(xiàn)濾波器的寬帶寬和低插入損耗特性。

槽線；寬帶；帶通濾波器

0 引 言

無線通信技術(shù)的高速發(fā)展對無線通信的帶寬提出了更高的要求。濾波器作為無線信號的頻率選擇器件，在很大程度上影響無線通信的頻率帶寬，因此研究寬帶特性的濾波器具有重要的科研價值。槽線結(jié)構(gòu)具備寬通帶、低剖面和易于集成等優(yōu)點，近年來已成為實現(xiàn)寬帶濾波器的重要方式，并已在寬帶帶通濾波器設(shè)計[1-3]中得到應(yīng)用。Chu等[1]、艾明貴等[2]和方婷[3]分別采用槽線諧振器、環(huán)形槽線諧振器和折疊槽線實現(xiàn)了相對帶寬為67%、123%和100%的寬帶帶通濾波器。王善進(jìn)等[4]、Deleniv等[5]、Dong等[6]和李素萍等[7]分別采用階躍阻抗多模槽線諧振器、S型槽線、開槽基片集成波導(dǎo)單元和正交槽線給出了帶通濾波器設(shè)計，均實現(xiàn)了寬通帶響應(yīng)，且電路面積較小，易于集成。然而這些濾波器設(shè)計通常采用試驗性方法，只能從濾波器已知的尺寸中獲得相應(yīng)的濾波特性，不利于設(shè)計的準(zhǔn)確性與快速性。為了解決這個問題，Li等[8]研究了采用串聯(lián)微帶線與并聯(lián)槽線混用結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的寬帶濾波器。該濾波器可從濾波響應(yīng)特性提取電路參數(shù)，但電路面積較大。因此，在改善濾波器性能的同時，實現(xiàn)更小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單且可在預(yù)定的濾波響應(yīng)特性下提取電路參數(shù)的槽線型寬帶濾波器，仍有待進(jìn)一步的研究。

本文提出了一種基于半波長槽線的寬帶帶通濾波器設(shè)計方案。首先分析了濾波器的物理結(jié)構(gòu)和等效模型，然后結(jié)合切比雪夫多項式得出了濾波器的設(shè)計方法，最后通過高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator， HFSS)仿真和電路板制作及測試驗證方案的可行性。該方案不僅比文獻(xiàn)[8]的方案尺寸更小，且可依據(jù)設(shè)定的響應(yīng)綜合獲得濾波器的電氣參數(shù)，顯著降低帶通濾波器的計算時間與設(shè)計周期。

1 寬帶帶通濾波器設(shè)計的理論分析

本文設(shè)計的寬帶帶通濾波器的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由兩段四分之一波長微帶線和一段半波長槽線組成。其中，半波長槽線的物理長寬分別為Ls和Ws，四分之一波長微帶線的物理長寬分別為Lm1和Wm1，微帶饋線的長度為Lm2。濾波器采用厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02的FR4介質(zhì)板制作。該物理結(jié)構(gòu)對應(yīng)的等效傳輸線模型如圖2所示。圖2中兩側(cè)阻抗值為Zol、電長度為θc的開路傳輸線分別表示圖1(a)中頂層介質(zhì)板和底層介質(zhì)板上的四分之一波長微帶線；而中間地面層上蝕刻的半波長槽線則由圖2中阻抗值為Zsl、電長度為θc的短路傳輸線表示。此外，每段傳輸線在帶通濾波器的下限截止頻率fc處對應(yīng)的電長度均為θc。

圖1 帶通濾波器物理結(jié)構(gòu)

圖2 帶通濾波器等效傳輸線模型

傳輸線模型的正向散射參數(shù)S21可以表達(dá)為：

(1)

其中：特征函數(shù)F=(B-C)/2，B和C均為圖2電路的ABCD矩陣中的矩陣參數(shù)值?？汕蟮茫?/p>

(2)

(3)

cos(nφ+qξ)=Tn(x)Tq(y)-Un(x)Uq(y)

(4)

其中：Tn(x)和Un(x)分別為切比雪夫一類多項式和切比雪夫二類多項式。令n=0、q=3，則：

(5)

a) 確定待實現(xiàn)的濾波響應(yīng)的特性，即ε和θc的值；

b) 由式(2)和式(5)提取出Zol和Zsl的值；

c) 根據(jù)θc、Zol和Zsl的值計算出槽線以及微帶線的物理長度；

d) 在HFSS軟件中建立物理模型，進(jìn)行電磁仿真，并適當(dāng)優(yōu)化物理參數(shù)，使濾波器響應(yīng)逼近理想特性；

e) 加工制作帶通濾波器電路板，并且通過測試電路板驗證方案的可行性。

2 寬帶帶通濾波器的制作與測量

根據(jù)圖2關(guān)于寬帶帶通濾波器傳輸線模型的分析，本文設(shè)計了一個中心頻率為3 GHz、頻帶寬為100%、紋波系數(shù)為0.1 dB的帶通濾波器。依據(jù)上文的設(shè)計步驟，求出電路參數(shù)為Zol=51.64 Ω，Zsl=43.57 Ω，θc=45°。根據(jù)該電路參數(shù)，由微帶線和槽線物理長寬的經(jīng)驗公式[9-10]，分別計算出微帶線和槽線的物理長寬。然后在HFSS 13軟件中建立物理模型，通過電磁仿真、優(yōu)化擬合確定最優(yōu)的物理尺寸。電路的最終物理尺寸為：Lm1=13.649 mm，Lm2=12 mm，Wm=1.8 mm，Ls=31.8 mm，Ws=0.425 mm。

傳輸線模型仿真、電磁仿真和實物測量的S參數(shù)見圖3。通過圖3中的曲線可知，傳輸線模型仿真結(jié)果、電磁仿真結(jié)果與實物測量在0～6 GHz的頻率范圍內(nèi)基本一致。由于設(shè)計過程中忽略了頻率色散、不連續(xù)效應(yīng)和導(dǎo)體/材料/輻射損耗等因素，因此傳輸線模型仿真、電磁仿真與實物測量結(jié)果之間產(chǎn)生了微小差別。電磁仿真與實物測量結(jié)果表明，該濾波器可在中心頻率3 GHz附近提供相對帶寬達(dá)100%的寬帶濾波特性。測量結(jié)果驗證了該設(shè)計方法的可行性與準(zhǔn)確性。表1對該帶通濾波器與文獻(xiàn)設(shè)計的帶通濾波器的性能做了比較。本文設(shè)計的帶通濾波器在電路尺寸、寬帶寬和低插入損耗之間有一個較好的平衡。雖然本文中設(shè)計的帶通濾波器帶寬小于文獻(xiàn)[2]和[8]所提出的帶通濾波器，但是相比于文獻(xiàn)[8]設(shè)計的帶通濾波器，本文中設(shè)計的帶通濾波器具有更低的插入損耗和更小的電路尺寸。

圖3 傳輸線模型、電磁仿真與實物測量的S參數(shù)曲線

設(shè)計方案文獻(xiàn)[1]文獻(xiàn)[2]文獻(xiàn)[8]本文中心頻率f0/GHz6.006.805.513.00帶寬FBW/%67.00123.00101.60100.00插入損耗/dB>0.97<1.20<2.32<0.10電路面積/mm0.45λg20.16λg21.74λg20.23λg2

注：λg為傳輸線在其中心頻率處對應(yīng)的引導(dǎo)波長。

3 結(jié) 論

本文提出了基于槽線的寬帶帶通濾波器的設(shè)計方法。理論分析和測量結(jié)果表明：采用該結(jié)構(gòu)可有效縮小電路尺寸，并實現(xiàn)了濾波器的寬帶寬與低插損。采用該方法設(shè)計帶通濾波器，可直接從電路響應(yīng)特性求出電路參數(shù)，大大縮短濾波器設(shè)計的計算時間和設(shè)計周期。

[1] CHU Q X, QIU L L. Wideband balanced bandpass filter using slot resonators and back-to-back structure[C]// Wireless Symposium (IWS), 2015 IEEE International. IEEE,2015:1-4.

[2] 艾明貴,梁顯鋒.一種小型化的超寬帶微帶帶通濾波器的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2015(24):113-115.

[3] 方婷.微帶/槽線結(jié)構(gòu)平衡帶通濾波器的研究與設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014：39-44.

[4] 王善進(jìn),劉華珠,賴穎昕,等.基于微帶線-槽線轉(zhuǎn)換的具有陷波特性的超寬帶帶通濾波器[J].電子器件,2016,39(3):522-525.

[5] DELENIV A, GASHINOVA M, ERIKSSON A, et al. Novel band-pass filter utilizing s-shaped slot line resonators[C]// Microwave Symposium Digest, 2003 IEEE MTT-S International. IEEE,2003,2:1081-1084.

[6] DONG K, HE Y, YANG X, et al. Millimeter-wave wideband bandpass filter using novel slotted substrate integrated waveguide[C]// Asia-Pacific Microwave Conference. IEEE,2015:1-3.

[7] 李素萍,蔡洪濤,吳偉.帶有方形切角和正交槽線的帶通濾波器設(shè)計[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報,2011,32(1):104-106.

[8] LI R, SUN S, ZHU L. Synthesis design of ultra-wideband bandpass filters with composite series and shunt stubs[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2009,57(3):684-692.

[9] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013：81-82.

[10] GUPTH K C, GARG R, BAHL I J. Microstrip Lines and Slotlines[M]. 2nd ed. Boston, London: Artech House,1979:283-286.

(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Design of Wideband Band-Pass Filter Based on Half-Wavelength Slotline

CHENG Wei， ZHANG Tenghui， WU Jiajia， YANG Junxiu， LI Lin

(School of Information Science and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

A novel wideband band-pass filters based on 1/2 wavelength slotline is proposed in this paper. The wideband filter structure and the corresponding equivalent transmission line model are given in this design scheme. The equivalent circuit analysis reveals that the electrical and then geometric parameters of the filter structure can be obtained by theoretical calculation under the specific filter response conditions.The feasibility of the scheme is well verified by the EM simulation and measurements of the fabricated exemplary filter using the proposed structure and design method. A broadband band-pass filter with a center frequency of 3 GHz and a bandwidth of 100% is designed by using the above method. The results of electromagnetic simulation and physical measurement indicate that the scheme is accurate and fast, and the design cycle of the filter can be shortened significantly while achieving the wide bandwidth and low insertion loss characteristics of the filter.

slot; wideband; band-pass filter

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.09.014

2017-01-03 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-05-24

浙江省教育廳科研項目(Y201329492)

程 巍(1993-)，女，湖北孝感人，碩士研究生，主要從事微波電路設(shè)計、天線技術(shù)的研究。

李 霖，E-mail:lilin_door@hotmail.com

TN713+.5

A

1673- 3851 (2017) 05- 0687- 04