一种小型化宽阻带窄带通滤波器的研究

马兴兵，郑宏兴

(天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222)

在现代无线通信系统中，带通滤波器作为一个重要的组成部分被广泛应用。作为一个器件，小型化一直是研究人员在滤波器设计中特别感兴趣的一个方向，为实现这一目的，一般采用1/2或1/4波长谐振器设计原理，在有限的设计尺寸内尽可能延长微带线长度以达到降低谐振频点［1－4］。此外，因为设计需要，要求降低或消除邻近高次谐波的干扰，解决这一问题的常见方法是在输入、输出端传输馈线上添加λ/4波长开路微带线或采用两个相同的添加开路线的阶跃阻抗谐振器结构［5－8］，这些方法均能有效地对目标频段进行抑制，降低该频段内的插入损耗。基于以上设计思路，提出一种新型的小型化宽阻带窄带通滤波器，在传统的1/4波长谐振器构造基础上，通过添加适当的开路线，改变原始谐振器的谐振特性，达到抑制高次谐波，降低基频频率，实现阻带拓宽和小型化。

1 结构设计

采用1/4波长谐振器结构的宽阻带窄带通滤波器由两部分组成:2个结构相同且与50 Ω电阻匹配的输入、输出微带馈线，1个添加开路线的1/4波长谐振器。输入、输出微带馈线与添加开路线的1/4波长谐振器通过缝隙耦合，实现信号的传输;添加开路线的1/4波长谐振器在设计时根据需要将基频设定在特定的通带频点附近，因为微带开路线的添加会对该频点产生小的偏离，需要反复校准。通过改变添加到谐振器上的开路线长度调节滤波器的谐振特性，达到降低滤波器插入损耗目的，以便最终获得宽阻带。滤波器结构如图1所示，整个结构呈中心对称，内部谐振器的两边各添加了3个微带开路线。其中，中间开路微带线与相邻2个开路微带线之间的空隙相等;两边2个开路线与1/4波长谐振器的微带主线间的空隙也相等。除了与输入、输出端口相连微带线的宽度a，其他微带线宽度相同。输入、输出微带馈线与添加开路线的1/4波长谐振器之间的耦合缝隙相等，参数为e。

图1 基于1/4波长谐振器的宽阻带窄带通滤波器

为便于分析图1的工作原理，图2给出了传统的1/4波长谐振器的结构图。假设λ为微带线上的工作波长，那么谐振频率满足以下表达式

式中:n≥0且为整数。从式(1)容易发现如图2所示的传统1/4波长谐振器具有一系列的谐振频点，这对要求工作在宽阻带的单一频点带通滤波器是不利的，为此需要改进此结构，减小除基本谐振频点外其他高次谐波的影响，为此设计了如图1所示的这种添加开路微带线的新结构，开路微带线的加入改变了原先谐振器的谐振特性，降低了基本谐振频点，从而有效地实现了对高次谐波的抑制和设计小型化。

图2 基于1/4波长谐振器的无开路线添加的窄带通滤波器

2 仿真及实验验证

为验证所提出的这种基于1/4波长谐振器设计的宽阻带窄带通滤波器对高次谐波的抑制作用和小型化效果，实验中将滤波器设计在相对介电常数3.2，厚度1.14 mm的介质板上。为便于比较，首先对图2所示的传统结构进行测试，具体结构参数如表1所示，使用Ansoft HFSS软件进行仿真，该带通滤波器的插入损耗如图3所示，从图中看出基本频点在1.05 GHz，第一个高次谐波出现在3.32 GHz，第二个高次谐波的插入损耗影响已经很小。

表1 无开路线添加的带通滤波器结构参数 mm

图3 基于1/4波长谐振器的无开路线添加的带通滤波器的插入损耗和回波损耗

在图2所示传统结构基础上进一步验证添加开路微带线后带通滤波器的插入损耗变化情况，滤波器结构如图1所示，使用Ansoft HFSS软件进行仿真优化，确定f=1.5，g=1，m=5.5，n=2.5，单位为 mm，与无开路线添加的传统结构之间的效果比较如图4所示，从图中变化可以发现适当选择开路微带线的长度，能有效地抑制高次谐波，同时也能降低基频频点，便于实现小型化。

图4 开路线添加与无添加两种情况下带通滤波器的插入损耗比较

通过以上对两种情况的仿真和比较，验证了提出的宽阻带窄带通滤波器对高次谐波的抑制作用，基于表1，f=1.5，g=1，m=5.5，n=2.5，制作了如图 1 所示的带通滤波器，经过网络分析仪测量及数据处理，得到如图5所示的插入损耗仿真与测试比较曲线，发现该窄带通滤波器在1.06～6.07 GHz频带内插入损耗基本维持在－17 dB以下，具有宽阻带特性，并且仿真与测试结果吻合情况良好。

图5 基于1/4波长谐振器的小型化宽阻带窄带通滤波器插入损耗的仿真与实验比较

3 小结

为解决带通滤波器设计的小型化及高次谐波干扰问题，本文给出一种在传统1/4波长谐振器结构上添加开路线的方法实现器件小型化、降低高次谐波插入损耗，消减谐波影响。在小型化设计方面，1/4波长谐振器能有效减小器件尺寸，开路线的加入不仅改善了传统1/4波长谐振器的谐振特性，消减了高次谐波的影响，而且还降低了基频谐振点，促进了小型化。通过仿真软件对该方案的验证及网络分析仪的实物测试表明，此方案具有良好的效果，能广泛应用于窄带通滤波器的高次谐波抑制处理和小型化设计。

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