劉凱正，劉仕琴，向天宇，鄭曉緣，雷 濤

（1. 貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 吉安 343000）

現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)射頻濾波器的小型化、高性能方面的要求越來(lái)越高，而提高濾波器的選擇性與帶外抑制度是提高射頻濾波器性能的主要發(fā)展方向之一。對(duì)于微帶濾波器而言，目前提高濾波器的選擇性與帶外抑制度的主要方法包括：1、增加傳統(tǒng)單模濾波器的階數(shù)來(lái)提高濾波器的選擇性和帶外抑制度，如梳狀結(jié)構(gòu)、交指結(jié)構(gòu)、發(fā)夾結(jié)構(gòu)等[1-2]；2、通過(guò)交叉耦合[3]或源負(fù)載耦合[4]等方式引入帶外傳輸零點(diǎn)來(lái)提高濾波器的選擇性和帶外抑制度，如級(jí)聯(lián)三胞（CT）結(jié)構(gòu)、級(jí)聯(lián)四胞（CQ）結(jié)構(gòu)等[5]。此兩種方法都存在著電路尺寸過(guò)大，帶內(nèi)插入損耗較高的缺點(diǎn)，并且由于這兩類(lèi)濾波器耦合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，優(yōu)化參數(shù)較多，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間成本較高；3、通過(guò)雙模或多模濾波器方法實(shí)現(xiàn)具有多傳輸零點(diǎn)的微帶濾波器，其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，濾波器尺寸較小，帶內(nèi)插入損耗較低，但此方法大多采用單階諧振器，因而帶外抑制度大多在25 dB左右，帶外抑制度比較低[6-8]。本文首次提出一種基于階梯阻抗諧振器（SIR）的兩階帶通濾波器，采用邊緣耦合的方式，實(shí)現(xiàn)具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的小型化準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器。該款濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，具有較高的選擇性與帶外抑制度，并且?guī)庖淮坞s散得到有效抑制。

1 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

濾波器主要由輸入/輸出（I/O）微帶傳輸線結(jié)構(gòu)與兩個(gè)SIR組成。輸入/輸出微帶傳輸線結(jié)構(gòu)包括與SIR進(jìn)行耦合的部分以及與外電路進(jìn)行連接的部分，該部分的傳輸線特性阻抗為50 Ω。SIR包括高阻抗線部分與低阻抗線部分，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 帶通濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bandpass filter

濾波器奇偶模等效電路如圖2所示，Z1、θ1表示低阻抗線的特性阻抗與電長(zhǎng)度，Z0o、Z0e、θ0表示耦合線的奇模阻抗與偶模阻抗以及耦合線的電長(zhǎng)度。由于該濾波器具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可以采用奇偶模方法對(duì)濾波器的傳輸零點(diǎn)進(jìn)行分析[9]。奇偶模等效電路如圖2所示，假設(shè)θ0=θ1=θ，偶模輸入阻抗Zine與奇模輸入阻抗Zino分別為：

圖2 濾波器奇偶模等效電路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuits

根據(jù)傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生條件Zine=Zino，可以得到傳輸零點(diǎn)的頻率為：

公式(3)、(4)表明濾波器上下阻帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，提高了濾波器的選擇性與帶外抑制度。

2 濾波器設(shè)計(jì)

介質(zhì)材料為Rogers4350，相對(duì)介電常數(shù)為3.48，厚度為0.508 mm，銅模厚度為0.035 mm。采用ADS電磁仿真軟件對(duì)濾波器進(jìn)行仿真分析，設(shè)置初始參數(shù)L1=12.2 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.25 mm，S2=0.2 mm，S3=0.2 mm，高阻抗線長(zhǎng)度L1、低阻抗線的長(zhǎng)度L2以及低阻抗線寬度W2對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響如圖3、4、5所示，L1、L2、W2越大，濾波器通帶中心頻率越低，可以通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度L1、L2、W2改變?yōu)V波器的中心頻率；L1、L2、W2不僅影響濾波器的帶寬，而且影響一次雜散的頻率以及一次雜散處的抑制度。

圖3 高阻抗線長(zhǎng)度L1對(duì)濾波器響應(yīng)的影響Fig.3 Effects of length L1 on frequency response

圖4 低阻抗線長(zhǎng)度L2對(duì)濾波器響應(yīng)的影響Fig.4 Effects of length L2 on frequency response

圖5 低阻抗線寬度W2對(duì)濾波器響應(yīng)的影響Fig.5 Effects of width W2 on frequency response

濾波器頻率響應(yīng)隨兩個(gè)SIR的耦合間隙S1的變化如圖6所示，耦合間隙S1主要影響濾波器的帶寬，S1越小，帶寬越大。濾波器頻率響應(yīng)隨 I/O饋線與諧振器的耦合間距S2的變化如圖7所示，耦合間距S2主要影響濾波器的回波損耗S11。

圖6 諧振器耦合間距S1對(duì)濾波器響應(yīng)的影響Fig.6 Effects of distance S1 on frequency response

圖8 濾波器實(shí)物圖Fig.8 Photograph of the fabricated filter

圖9 濾波器仿真測(cè)試結(jié)果Fig.9 Simulated and measured filter performances

優(yōu)化得到濾波器的尺寸為L(zhǎng)1=11.8 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.32 mm，S2=0.18 mm，S3=0.2 mm。加工的濾波器實(shí)物如圖8所示，濾波器有效尺寸為 16 mm×3.32 mm，等于 0.45λg×0.093λg（λg為通帶中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)），采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A對(duì)濾波器的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，濾波器仿真測(cè)試結(jié)果如圖9所示，濾波器通帶中心頻率為4.95 GHz，帶寬為762 MHz，相對(duì)帶寬為15.4%，帶內(nèi)最小插入損耗為1.6 dB，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別位于2.34 GHz、6.3 GHz，回波損耗大于15 dB，通帶附近的下阻帶抑制度大于 40 dB，上阻帶抑制度大于35 dB，阻帶一次雜散的抑制度大于25 dB，上阻帶寬度為9 GHz。該款濾波器與參考文獻(xiàn)中微帶結(jié)構(gòu)濾波器的指標(biāo)對(duì)比如表1所示，對(duì)比可知，該款濾波器帶內(nèi)插損較小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，選擇性與帶外抑制度更高。

表1 與其他文獻(xiàn)濾波器技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比Tab.1 Comparison with other titles reported bandpass filters

3 結(jié)論

本文基于 SIR，采用邊緣耦合的方式，實(shí)現(xiàn)了具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器，采用兩階 SIR，在幾乎不增加濾波器尺寸的情況下，有效提高了濾波器的帶外抑制度，并且有效抑制了阻帶的一次雜散，SIR諧振器的低阻抗線增加了濾波器設(shè)計(jì)的自由度。該款濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，帶內(nèi)插損低，選擇性與帶外抑制度高，能夠廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。

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