基于阶跃阻抗谐振器的耦合微带带通滤波器设计

徐利，廖惜春，陈婷婷

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

基于阶跃阻抗谐振器的耦合微带带通滤波器设计

徐利，廖惜春，陈婷婷

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

针对寄生通带降低了耦合微带带通滤波器选择性的问题，设计了1/4波长型阶跃阻抗谐振器（SIR）的微带带通滤波器.以平行耦合微带线为基础，从上层微带线结构着手，对SIR的谐振特性和设计参量进行了推导，根据微带带通滤波器的设计指标，在馈线端端接相应的SIR谐振结构，使带通滤波器在寄生通带处的衰减达到了-45 dB，提高了带通滤波器的选择性.采用插入损耗和网络综合的方法，利用ADS仿真工具对该滤波器进行优化仿真设计，结果表明，基于SIR结构的滤波器克服了寄生通带对设计通带的影响，提高了滤波器的带外抑制能力.

无线通信；微带滤波器；寄生通带；阶跃阻抗谐振器

在现代微波通信系统中，平行耦合微带带通滤波器是较为常见的微波带通滤波器[1].由于分布参数微带传输线频率响应的周期性，微带滤波器在通频带的整数倍处会出现寄生效应[2-3]，造成中心频率两边阻带衰减的不对称，限制了对谐波输出有要求的电路.为了使滤波器适用于有较高抑制带宽的场合，提高设计通带的稳定性，本文采用了一种基于SIR谐振结构的微带带通滤波器设计方法，并进行了仿真研究。

1 耦合微带线寄生效应分析

微带线谐振器具有许多谐振频率，当某一频率改变时，微带线谐振器会出现多次谐振，造成通带和阻带在频率轴上不断交替出现.平行耦合微带线等效为四端口网络，可以将平行耦合微带线视为偶模激励和奇模激励的叠加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，其特性阻抗分别为Z0e，Z0o，利用平行耦合微带线设计带通滤波器时，会因偶模与奇模相速不匹配产生寄生效应.

因为滤波器的品质因数Q比实际阻抗或实际导纳更容易测量（如采用网络分析仪），所以采用品质因数分析带通滤波器易于测量滤波特性.图1为耦合微带线等效电路，其传输线的特性阻抗为Z0，传输线在信号端和负载端均处于匹配状态（ ZL=Zg= Z0=Z01=Z02）.

在图1a）中，负载上得到的功率PL就是信号源输出的全部资用功率Pin，即

图1b）中，接入滤波器，电路的功率损耗通常被认为是外接负载上的功率损耗和滤波器本身功率损耗的总和，由此定义的品质因数QLD取倒数，可以得到：

图1 耦合微带线的等效电路

由于总功率包含滤波器的功率以及外接负载的功耗，上式可以简化为：

其中QE、QF、QLD分别为外品质因数、滤波器固有品质因数和有载品质因数.

滤波器按图1b）所示方式插入，负载上得到的功率变为

ε为失谐系数，滤波器以dB表示的插入损耗为：

利用软件ADS Layout，中心频率为2.4 GHz、相对带宽为10%、通带内衰减小于3 dB、带外抑制（2.15 GHz和2.65 GHz时）不小于40 dB、特性阻抗为50 Ω的平行耦合微带带通滤波器，其Momentum版图仿真如图2a）所示.其中介质基片的相对介电常数为rε=2.7，基板的厚度h=1mm，封装高度 Hu= (1.0e+033)mm ，根据设计指标，选择标准低通滤波器为5节切比雪夫滤波器.其S参数仿真结果如图2b）所示，从图中可以看出第2个寄生通带中心频率在2f0（4.8 GHz）处，其衰减值为17.305 dB，不能满足滤波器的带外抑制指标.因此，必须克服或抑制微带线多谐性产生的寄生通带，滤波器才能应用于对谐波输有要求的电路.

图2 耦合微带线带通滤波器

2 SIR简介

2.1 SIR结构分析

图3 SIR的基本几何结构单元图

图3所示是SIR的基本单元结构，它是由2个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器.图 3a-c分别是λg/4、λg/2、λg谐振器（λg为波长）.在微带线开路端和短路端之间的特性阻抗和等效电学长度分别为Z1、Z2和θ1、θ2，其中，阻抗比 RZ=Z2/Z1是表征SIR特性的最重要的参数[4].

2.2 λg/4型SIR谐振结构的工作原理

在谐振频率附近的SIR等效电路如图4所示，推导出的谐振器斜率参数由集总元件L0、C0、R0来表示[5-6].磁化率参数bs的定义为：

图4 SIR谐振时的等效电路

图3中λg/4型SIR基本几何结构单元的输入端的阻抗和导纳分别定义为Zi和Yi(=1/Zi).如果忽略阶跃非连续性和开路端的边缘电容，Zi的表达式如下：

设λg/4型SIR的磁化率为BSA，相应的斜率参数为bSA，即：

式（8）中，θ01是谐振时θ1的值，l1、l2是谐振器的物理长度.

集总参数谐振器磁化率斜率与等效电路中L0、C0、R0之间的关系为：

其中，Q0为谐振频率点的品质因数值.

3 基于SIR结构的带通滤波器设计与仿真

3.1 基于SIR结构的带通滤波器仿真分析

SIR结构是一种简洁的电路结构，它由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现.一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感，传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，传输线的特性阻抗越低所需要的传输线长度也越短.[7]根据λg/4型SIR谐振结构的工作原理，在馈线端端接SIR谐振结构可以抑制平行耦合带通滤波器的寄生通带，其等效示意图如图5a）所示.根据带通滤波器的设计参数[8]，SIR结构微带线特性阻抗最大值Zmax可取为120 Ω，特性阻抗最小值Zmin可取为15 Ω，采用5段高低阻抗谐振结构，SIR结构的物理尺寸如表1所示.

馈线端端接SIR谐振结构的仿真结果如图5b)中点状线所示，在2f0处寄生通带的衰减值已经达到45.428 dB(m4)（滤波器的设计指标要求带外抑制大于30 dB），此时寄生通带对设计通带的影响基本可以忽略.即SIR谐振结构很好地解决了设计过程中出现的寄生通带，提高了滤波器的带外抑制能力.

图5 基于SIR结构的仿真

表1 SIR结构物理尺寸

为了使仿真结果更符合电路实际环境，进一步对平行耦合微带滤波器的版图用Momentum仿真.在Momentum中，构成电路的各种微带线元件模型已经转化成实际微带线，如图6a）所示，版图的仿真结果如图6b）所示，从图5b）和图6b）可看出版图的仿真数据与原理图的仿真数据有一些微小的差异，这是因为版图的仿真考虑了电路中辐射、耦合和散射效应等因素的影响.理论分析和全波仿真结果均表明，相对于传统的滤波器设计方法，基于SIR结构的滤波器性能较好，适用于有较高抑制带宽的场合.

图6 版图Momentum仿真的S参数曲线

4 结论

本文提出了一种新的谐波抑制结构，用来抑制耦合微带滤波器的谐波寄生通带.该方法设计简单、抑制效果好，对一个1/4波长阶跃阻抗谐振器实例进行的理论分析和EM仿真都表明了这种结构有比较理想的抑制效果.该谐波抑制结构实际上是多导体传输线的变形，按照这种思路可进一步研究这种结构的等效电路，以便于设计.

[1]甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学技术出版社，1993：40-52.

[2]清华大学微带电路编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1979：99-132.

[3]王子宇，徐承和.射频电路设计：理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2007：125-165.

[4]AMARI S.Synthesis of cross-coupled resonator filters using an analytic gradient-based optimization technique[J]. IEEE MTT,2000,48(9)：1559-1564.

[5]MAKIMOTO M,YAMASHITA S.无线通信中的微波谐振器与滤波器[M].北京：国防工业出版社，2002：23-34.

[6]GARCIA J.Spurious passband suppression in microstrip coupled line band pass filters by means of split ring resonators[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(9)：416-418.

[7]LEE S Y,TSAI C M.New cross-coupled filter design using improved hairpin resonator[J].IEEE MTT,2000, 48(20)：2482-2490.

[8]陈琦.微带滤波器综合技术[D].西安：西安电子科技大学，2007.

The Design of the Coupling Microstrip Bandpass Filter Based on the Stepped Impedance Resonator

XU Li,LIAO Xi-chun,CHEN Ting-ting
(School of Information Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

In the process of designing coupled microstrip bandpass filter,the parasitic bandpass reduces the filter’s selectivity.The study designed a microstrip bandpass filter with 1/4 wavelength type of step-impedance resonator(SIR)based on parallel coupled microstrip lines.The study began with the upper microstrip line structure and deduced the SIR’s resonant characteristics and design parameters.According to the design index of the microstrip bandpass filter,corresponding SIR resonant structure was added on the feeder end to make the attenuation in parasitic bandpass reach -4 5 dB and improve the band-pass filter selectivity.The study adopted the methods of Insertion Loss and Comprehensive Network and used ADS to simulate and optimize design.The simulation results showed that the filter based on the structure of the SIR overcame the influence of parasitic bandpass and improved the filter’s out-of-band inhibitory ability.

wireless communication;microstrip filter;parasitic passband;stepped impedance resonator

?

TP202+.7

A

1006-7302（2011）03-0065-05

2011-04-01

徐利（1986—），男，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向为短距离无线通信技术；廖惜春，教授，硕士生导师，通信作者，从事射频通信与智能信息处理技术研究.