余澤，和歷陽(yáng)，許立強(qiáng)，劉長(zhǎng)軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

微波濾波器廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)，傳輸有用信號(hào)并抑制干擾信號(hào)[1-2]。如果某頻段有較強(qiáng)干擾信號(hào)，通常采用帶阻濾波器進(jìn)行抑制[3]。與傳統(tǒng)微帶線和共面波導(dǎo)相比，懸置帶狀線(suspended strip-line, SSL)具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如低介質(zhì)損耗、低輻射損耗、穩(wěn)定性好等[4-7]。因此，SSL傳輸線常被用于設(shè)計(jì)低插損濾波器[8-10]。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于帶狀線具有寬阻帶的超寬帶低插損帶通濾波器，但是帶狀線加工難、成本高。文獻(xiàn)[9]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的SSL諧振器，實(shí)現(xiàn)諧振器尺寸的小型化。文獻(xiàn)[10]提出了在諧振器開路端進(jìn)行電容加載實(shí)現(xiàn)諧振器的小型化，設(shè)計(jì)了一種具有可控傳輸零點(diǎn)的SSL帶通濾波器。這些原諧振器改進(jìn)在一定程度上影響了濾波器的性能。

在這些傳統(tǒng)的SSL濾波器設(shè)計(jì)中，支撐SSL的金屬外殼通常有一定厚度，兼具接地和電磁屏蔽功能[11-14]。本文提出了在SSL的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，形成具有帶阻特性的SSL傳輸線?；谠撝C振器，設(shè)計(jì)了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，阻帶中心頻率為12.5 GHz，帶寬為1.35 GHz，阻帶衰減大于25 dB。

1 矩形腔諧振腔

懸置帶狀線是一種具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的傳輸線，具有損耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。SSL傳輸線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬外殼用斜線填充，中心空白區(qū)域?yàn)榭諝馇?。網(wǎng)格填充部分為介質(zhì)基板R05880(εr為2.2)，豎線填充部分為基板上的敷銅貼片。由于SSL兩端要固定同軸接頭，金屬外殼一般具有一定厚度。金屬外殼占據(jù)了器件絕大部分的重量和體積。

圖1 SSL傳輸線橫截面

微帶線中的缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure, DGS)是通過(guò)在微帶接地板上開槽，形成具有帶阻特性的微帶傳輸線[15-19]。類比于該原理，本文提出了在SSL的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，形成帶阻特性的SSL傳輸線。具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線模型如圖2所示，具體尺寸如表1所示。

圖2 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線

表1 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線 mm

在SSL傳輸線空氣腔上方構(gòu)造矩形腔，SSL兩端通過(guò)端口加激勵(lì)，四周均設(shè)為金屬。SSL傳輸線上方的矩形腔可以看作是一個(gè)終端短路的理想波導(dǎo)傳輸線，其輸入阻抗與矩形諧振腔深度d的關(guān)系為

式中：a和b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊；ω0為諧振角頻率；m和n代表諧振模式。對(duì)于TE10模式，隨著諧振腔長(zhǎng)度a和深度d的增加，諧振頻率將減小。

圖3 矩形腔諧振腔的等效電路

對(duì)圖2提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，S參數(shù)如圖4所示：矩形腔諧振腔在SSL上呈現(xiàn)帶阻特性，并在17.19 GHz產(chǎn)生諧振。諧振器的諧振頻率與長(zhǎng)度a和深度d的關(guān)系，分別如圖5和圖6所示。當(dāng)保持d=8 mm不變，諧振頻率隨著a的增大而向低頻偏移；當(dāng)保持a=12 mm不變，諧振頻率隨著d的增大也向低頻偏移。因此，通過(guò)改變諧振腔的尺寸，可以抑制Ku波段內(nèi)的任意頻率的干擾信號(hào)。

圖4 矩形腔諧振腔的SSL傳輸線的S參數(shù)

圖5 腔體長(zhǎng)度a與諧振頻率關(guān)系

圖6 腔體深度d與諧振頻率關(guān)系

一般SSL濾波器的諧振單元都是沿著傳輸線依次排列，導(dǎo)致SSL較長(zhǎng)，增加了濾波器的體積和重量。本文提出的諧振結(jié)構(gòu)垂直于帶狀線排列，減少了SSL傳輸線的長(zhǎng)度，使得SSL濾波器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

具有單個(gè)矩形腔諧振腔的SSL傳輸線阻帶窄，帶寬僅為180 MHz，如圖4所示。為了增加阻帶帶寬，在SSL的上方和下方引入了2個(gè)相同的λg/4的矩形腔諧振腔，組成一個(gè)λg/2的矩形腔諧振腔，結(jié)構(gòu)如圖7所示。仿真的結(jié)果如圖8所示。該結(jié)構(gòu)的阻帶增加到了600 MHz，阻帶中心頻率偏移到了16.17 GHz。

圖7 λg/2的矩形腔諧振腔結(jié)構(gòu)

圖8 λg/2的矩形腔諧振腔的S參數(shù)

2 帶阻濾波器設(shè)計(jì)

基于上述矩形腔諧振腔，設(shè)計(jì)了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器，結(jié)構(gòu)如圖9所示。其尺寸如表2所示。濾波器由4個(gè)λg/4的矩形腔諧振腔組成，其中每2個(gè)組成一個(gè)λg/2的矩形腔諧振腔。2個(gè)λg/2的矩形腔諧振腔產(chǎn)生2個(gè)相鄰的諧振點(diǎn)，組成一個(gè)位于Ku波段的阻帶。

圖9 SSL帶阻濾波器結(jié)構(gòu)

表2 SSL帶阻濾波器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。阻帶的中心頻率從12.5 GHz偏移到12.6 GHz，偏移了100 MHz，阻帶衰減大于25 dB，其中衰減10 dB的帶寬為1.35 GHz。通帶內(nèi)反射損耗RL大于10 dB，通帶插入損耗IL小于0.3 dB。

圖10 SSL帶阻濾波器仿真與實(shí)測(cè)S參數(shù)

3 結(jié)論

區(qū)別于傳統(tǒng)的SSL帶阻濾波器設(shè)計(jì)，本文提出了在SSL傳輸線的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，實(shí)現(xiàn)Ku波段的SSL帶阻濾波器。

1) 具有矩形腔諧振腔的SSL等效為在傳輸線上串聯(lián)一個(gè)并聯(lián)的LC諧振電路，呈現(xiàn)帶阻特性。該阻帶可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，不影響SSL的傳輸特性。

2) 在SSL上引入矩形腔諧振腔，設(shè)計(jì)了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器。測(cè)試表明，該濾波器具有阻帶衰減大、通帶插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。對(duì)于抑制Ku波段的強(qiáng)干擾信號(hào)具有良好的應(yīng)用價(jià)值。