0 引言

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展，小型化、寬阻帶性能的濾波器在實(shí)際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器和半波長(zhǎng)平行耦合線濾波器的寄生通帶都位于中心頻率的2倍處，而傳統(tǒng)的階躍阻抗諧振濾波器的寄生通帶在中心頻率的2.5倍處左右，應(yīng)用時(shí)很難獲得寬阻帶的抑制效果。而且此類(lèi)濾波器的尺寸較大，阻帶窄，受微帶加工最小寬度的限制，濾波器的性能受到一定的制約。為了得到陡峭的衰減邊沿及更好的阻帶特性，需要增加短路或開(kāi)路短截線數(shù)，但這會(huì)進(jìn)一步增大電路尺寸，并且在通帶內(nèi)引入更多的插入損耗。通過(guò)在有限頻率處引入傳輸零點(diǎn)可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑制。在濾波器的設(shè)計(jì)中，交叉耦合被廣泛用來(lái)在阻帶引入有限傳輸零點(diǎn)，這些傳輸零點(diǎn)可以很好地改善帶邊過(guò)渡特性及阻帶抑制能力。

本文首先分析了階躍阻抗諧振器的結(jié)構(gòu)原理、三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理,隨后提出了一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，其寄生通帶在中心頻率的約4倍處，比一般的濾波器具有更寬的阻帶，并對(duì)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，且得到了較好的一致性。

1 基本設(shè)計(jì)理論

1.1 階躍阻抗諧振器原理

階躍阻抗諧振器常采用λg /4 型、λg/ 2 型或λg 型三種基本諧振結(jié)構(gòu)，其中λg /2 型諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為非等電長(zhǎng)度半波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，由特征阻抗分別由Z1 和Z2 的傳輸線組成，其對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度為θ1 和θ2.

如果忽略結(jié)構(gòu)中的階躍非連續(xù)性和開(kāi)路端的邊緣電容，從開(kāi)路端看的輸入導(dǎo)納Yin 為：

式中：K 為阻抗比，定義為K = Z2 Z1.為設(shè)計(jì)方便，取θ1 = θ2 = θ，則式(1)簡(jiǎn)化為：

其諧振條件為：Yin = 0,得其基頻振蕩條件為K = Z2 Z1 = tan 2θ。由此公式可知，階躍阻抗諧振器的諧振條件取決于電長(zhǎng)度θ 和阻抗比率K.

1.2 三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于窄帶濾波器，其三階交叉耦合濾波器的等效電路如圖2 所示。

相鄰諧振器間的耦合用M12 和M23 表示，交叉耦合用M13 表示。外部品質(zhì)因數(shù)Qe1 和Qe3 各表示輸入和輸出耦合。圖2所示的耦合濾波器等效電路可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)低通原型濾波器形式，如圖3所示。

其中每個(gè)矩形框代表一個(gè)頻率不變的J 導(dǎo)納變換器。在一個(gè)對(duì)稱(chēng)的二端口電路中，J12 = J23 = 1,g0 = g4 = 1,g1 = g3,B1 = B3.

2 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)以上介紹的基本原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3 550 MHz,相對(duì)帶寬10%(絕對(duì)帶寬為355 MHz)，通帶內(nèi)回波損耗為-20 dB,高端4~13 GHz的抑制要大于20 dB的濾波器。采用的板材是Rogers 5880,其介電常數(shù)為2.2,介質(zhì)損耗角正切為tan δ = 0.000 9,厚度為0.508 mm,銅箔厚度為0.018 mm,其電導(dǎo)率為5.7×107 S/m.

根據(jù)上面的三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理，可以得到三階交叉耦合濾波器的低通原型參數(shù)值為[5]:

g1 = g3 = 0.757,g2 = 0.921 ; B1 = B3 = 0.098,B2 = - 0.46 ;J12 = J23 = 1,J13 = -0.237.且可得：

式中：f0 為諧振頻率;f3 dB 為單端激勵(lì)時(shí)諧振器的輸入或輸出3 dB帶寬。[!--empirenews.page--]

從而可以得到濾波器的初步的物理尺寸，再接合全波仿真軟件仿真優(yōu)化，最終得到濾波器的版圖如圖4所示，其具體的物理尺寸見(jiàn)表1.

圖5 為該濾波器的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到在3.95~13.27 GHz的阻帶內(nèi)，其抑制在-20 dB以下。

其在高端產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2,其頻率分別為3.99 GHz 和4.55 GHz,其衰減分別為-53.83 dB和-61.25 dB.從圖5中可以看到寄生通帶的中心頻率為13.98 GHz,使其諧波抑制達(dá)到3.92倍頻，可以看到其寬阻帶抑制的特性。

圖6為加工實(shí)物圖，可以看到其尺寸相對(duì)于傳統(tǒng)的濾波器小了很多，說(shuō)明了此結(jié)構(gòu)具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸(除了饋線外)僅為12.2 mm×11.5 mm,即0.21λg × 0.2λg,λg 是在中心頻率處的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

由表2可知，本文所提的小型化寬阻帶濾波器的各項(xiàng)性能大大優(yōu)于已有文獻(xiàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[7]是基于接地開(kāi)口環(huán)的微帶濾波器。

是微帶發(fā)夾型SIR 濾波器，與它們相比，本文提出的濾波器的面積最大減小了63.5%,由此可見(jiàn)，此濾波器具有小型化寬阻帶的特性。

使用的測(cè)試儀器為Agilent 公司的E5071C 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在常溫條件下對(duì)該濾波器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，如圖7 所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，中心頻率為3.63 GHz,帶內(nèi)最小插入損耗為1.01 dB,帶內(nèi)反射優(yōu)于17.25 dB.在高端有2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2,其衰減分別為-33.12 dB和-52.87 dB.從圖7中可以看到，在4.106~13.1 GHz內(nèi)，其抑制達(dá)22.45 dB以上，這說(shuō)明此濾波器具有很寬的阻帶抑制特性。

從仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比可以看出，仿真與實(shí)測(cè)穩(wěn)合較好，具有較好的一致性。只是中心頻率稍微有點(diǎn)偏移，且?guī)捝晕⒆儗捔艘稽c(diǎn)，造成這樣誤差的主要原因可能是由于制作工藝上的偏差，由于此結(jié)構(gòu)中最小的間距是0.1 mm,通常要求的最小間距是0.2 mm;還有板材的不均勻性、不一致性，以及各種損耗，包括SMA接頭損耗、介質(zhì)基板銅箔的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等，這些因素都會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果造成相應(yīng)的影響。

3 結(jié)論

本文提出了一種小型化寬阻帶特性的濾波器的設(shè)計(jì)方案。該方案設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3 550 MHz,相對(duì)帶寬為10%,高端抑制有2 個(gè)傳輸零點(diǎn)的濾波器，使阻帶抑制在3.95~13.27 GHz小于-20 dB,使寄生通帶在中心頻率的3.92倍處。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸僅為0.21λg × 0.2λg,相比于其他發(fā)夾型SIR 濾波器，此濾波器的體積減小了63.5%.仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都都達(dá)到了較好的一致性，并且具有很寬的阻帶，較低的插入損耗，呈現(xiàn)出很好的選擇性和寬阻帶特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，顯示了很好的優(yōu)越性。因此本方案具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。