0 引言

近年來，隨著移動通信系統(tǒng)、雷達系統(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際應用中受到了廣泛關注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器和半波長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，應用時很難獲得寬阻帶的抑制效果。而且此類濾波器的尺寸較大，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，需要增加短路或開路短截線數(shù)，但這會進一步增大電路尺寸，并且在通帶內(nèi)引入更多的插入損耗。通過在有限頻率處引入傳輸零點可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑制。在濾波器的設計中，交叉耦合被廣泛用來在阻帶引入有限傳輸零點，這些傳輸零點可以很好地改善帶邊過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)構原理、三階交叉耦合結(jié)構原理,隨后提出了一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設計方案，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，并對仿真與實測結(jié)果進行了分析，且得到了較好的一致性。

1 基本設計理論

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，其中λg /2 型諧振器的基本結(jié)構如圖1所示，為非等電長度半波長結(jié)構，由特征阻抗分別由Z1 和Z2 的傳輸線組成，其對應電長度為θ1 和θ2.

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

式中：K 為阻抗比，定義為K = Z2 Z1.為設計方便，取θ1 = θ2 = θ，則式(1)簡化為：

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度θ 和阻抗比率K.

1.2 三階交叉耦合結(jié)構原理

對于窄帶濾波器，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)換為一個低通原型濾波器形式，如圖3所示。

其中每個矩形框代表一個頻率不變的J 導納變換器。在一個對稱的二端口電路中，J12 = J23 = 1,g0 = g4 = 1,g1 = g3,B1 = B3.

2 濾波器設計實例

根據(jù)以上介紹的基本原理，本文設計了一個中心頻率為3 550 MHz,相對帶寬10%(絕對帶寬為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,其電導率為5.7×107 S/m.

根據(jù)上面的三階交叉耦合結(jié)構原理，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 為單端激勵時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個傳輸零點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,使其諧波抑制達到3.92倍頻，可以看到其寬阻帶抑制的特性。

圖6為加工實物圖，可以看到其尺寸相對于傳統(tǒng)的濾波器小了很多，說明了此結(jié)構具有小型化的優(yōu)點。濾波器的最終設計尺寸(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波長。

由表2可知，本文所提的小型化寬阻帶濾波器的各項性能大大優(yōu)于已有文獻結(jié)果。文獻[7]是基于接地開口環(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，此濾波器具有小型化寬阻帶的特性。

使用的測試儀器為Agilent 公司的E5071C 矢量網(wǎng)絡分析儀，在常溫條件下對該濾波器進行測試，實際測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，如圖7 所示。從實測結(jié)果來看，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個傳輸零點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22.45 dB以上，這說明此濾波器具有很寬的阻帶抑制特性。

從仿真與實測對比可以看出，仿真與實測穩(wěn)合較好，具有較好的一致性。只是中心頻率稍微有點偏移，且?guī)捝晕⒆儗捔艘稽c，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)基板銅箔的導體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等，這些因素都會對實測結(jié)果造成相應的影響。

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計方案。該方案設計了一個中心頻率為3 550 MHz,相對帶寬為10%,高端抑制有2 個傳輸零點的濾波器，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。濾波器的最終設計尺寸僅為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)果和實測結(jié)果都都達到了較好的一致性，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)構簡單，易于實現(xiàn)，顯示了很好的優(yōu)越性。因此本方案具有實際的應用價值。