基于闭合环和短路棒的宽阻带带通滤波器

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)

1 带通滤波器简介

在现代无线通信系统中，带通滤波器被广泛使用。宽阻带作为带通滤波器设计中的一个重要参数，越来越引起研究人员的关注，一些新颖的设计方法不断涌现。在文献［1］中，为了拓宽带通滤波器的阻带，提出了一种新的小型化开环谐振器结构。文献［2－4］从平行耦合阶跃阻抗谐振器和可调带阻结构两个角度出发，将传输零点调整在高次谐波频点位置，实现对高次谐波的抑制。文献［5］将传统的开路滤波器和马刺线滤波器结合到一起，实现了更好的谐波抑制效果。在文献［6］中，提出一种在输入输出馈线上添加马刺线的方式来抑制第一谐波，拓宽高频区阻带。文献［7－8］分别提出了基于互异结构和添加系列开路线的方法实现宽阻带目的，但是，在带通滤波器的小型化和宽阻带有机统一方面，仍然需要进一步的研究，为此本文提出一种采用闭合环和短路棒的宽阻带带通滤波器，通过使用圆柱形金属短路棒连接滤波器的表面微带线到地这种结构模式，构建了改进型的λ/4谐振器，减小了滤波器的设计尺寸，为了便于抑制高次谐波引入了闭合环和开路线这两种解决方法。图1给出了本文提出的宽阻带带通滤波器的结构，滤波器结构紧凑，除短路棒外，整个结构呈现中心对称，除了与输入输出端相连的馈线的宽度尺寸外，其他微带线的宽度相等。

图1 基于闭合环和短路棒的宽阻带带通滤波器结构

2 滤波器的设计与分析

为便于分析图1所示滤波器的工作模式，忽略输入输出馈线与谐振器之间的耦合影响，重新给出滤波器内部的谐振器结构，如图2所示。

图2 采用带有开路线的闭合环和短路棒的谐振器结构

图中Z1，Z2为短路棒(q)到闭合环交叉点的输入阻抗;Z3，Z4是开路端(n 左端)到交叉点的输入阻抗，θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6为电长度，则谐振器的谐振条件可表述为

式 中:M=tanθ2+tanθ3－ tanθ1tanθ2tanθ3，N=1 －tanθ1tanθ2－tanθ2tanθ3，P=cot(θ1+ θ3)。对于该谐振器的高次谐波，可适当选取闭合环和环上的开路线尺寸调整传输零点的位置到高次谐波频点处，实现对高次谐波抑制。根据图1、图2，滤波器的传输零点可分为两类，一类是输入输出馈线形成的传输零点，近似表述为

式中:λ为微带传输线上的工作波长。另一类是图2所示结构额外增加的传输零点，呈现两种不同形式，一种是无短路棒的闭合环，考虑开路线影响，从两个闭合环的交叉点沿环一圈回到原点(交叉点)，若电长度为(2n+1)π，其中n为大于或等于0的整数，则信号在交叉点相抵消，那么在对应的频点处存在传输零点。同理，对于有短路棒的闭合环，若从短路棒的位置q沿Z1，Z2两个方向到闭合环交叉点的等效电长度的差也为(2n+1)π，n为大于或等于零的整数，那么在对应的频率处也会形成传输零点。鉴于以上分析，只要合理地调整短路棒的位置、闭合环的尺寸、开路线的长短，就可以调整通带谐振频点，抑制高次谐波。

3 实验验证与性能分析

基于上述分析，为验证设计原理的可行性，制作了一个如图1所示的滤波器，采用TACONIC TLC－32材料，材料的相对介电常数为3.2，厚度1.14 mm，使用Ansoft HFSS软件仿真及优化处理，参数如表1所示，圆柱形金属短路棒半径0.25 mm，实物及测试如图3所示。

表1 优化后的微带宽阻带带通滤波器的结构参数

图3 宽阻带带通滤波器的仿真与测试曲线

在图3中，给出了插入损耗(S21)、回波损耗(S11)随频率变化的仿真及测试曲线，实测滤波器工作频率为2.38 GHz，插入损耗 －1.01 dB，回波损耗 －21.7 dB，在0 ～2.02 GHz和 3.71 ～10.66 GHz范围内插入损耗小于－20 dB，且在通带2.38 GHz两侧各有一个传输零点，频率分别为0.99 GHz，4.72 GHz，其中0.99 GHz通过传输线计算工具计算验证是输入输出馈线形成的传输零点，符合式(6);4.72 GHz频点的传输零点经计算验证符合无短路棒的闭合环从两个闭合环的交叉点沿环一圈回到原点(交叉点)，电长度近似为π，与分析一致。可见测量结果与仿真数据吻合程度良好，表明该设计方法是可行的。

在滤波器性能方面，文献［1］提出的小型化开口环式滤波器采用2个半波发夹环形谐振器相互耦合产生4个传输零点，实现阻带扩展，每个工作单元尺寸为0.108 λg×0.108 λg，其中 λg是信号在2.2 GHz频率时的工作波长，若选用本文所采用的TACONIC TLC－32材料，则λg约为97 mm，因此与本设计采用的如图2所示的谐振器单元尺寸基本相同。但在效果方面，本文提出的滤波器实现了0～2.02 GHz和 3.71 ～ 10.66 GHz 频带内插入损耗小于－20 dB，相比文献［1］提出的滤波器阻带0～2.08 GHz和2.4 ～6.68 GHz，将高阻带区宽度扩展了约 2.7 GHz。与文献［7］相比，在滤波器尺寸，所用材料大致相同条件下，本文设计的滤波器的阻带区性能有了明显改善，插入损耗更低，且在低频区通带左侧添加了一个传输零点，通带选择性更高。文献［8］提出的滤波器在等尺寸条件下，虽然有效地降低了通带频点，实现了约1 GHz的低带通工作频点，但是通带右侧到达第一个传输零点的插入损耗曲线坡度平缓，插入损耗比本文提出的滤波器的效果要差一些。尤其是在10.66 GHz以上的很宽的频带内，本文设计的滤波器的插入损耗仍然低于－10 dB，具有较好的高频带抑制。

4 结束语

本文提出的紧凑型微带宽阻带带通滤波器将小型化与宽阻带两者有机结合到一起，采用闭合环和在闭合环上添加开路线的方式，有效抑制了滤波器的高次谐波。此外，通过添加短路棒方式改进传统的λ/4谐振器，降低滤波器的设计尺寸。实物测试表明本文提出的设计方法效果令人满意，为宽阻带带通滤波器的设计提供了新思路。

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［7］马兴兵，郑宏兴.基于互异结构的宽阻带带通滤波器的研究［J］.电视技术，2012，36(7):26－27.

［8］马兴兵，郑宏兴.一种小型化宽阻带窄带通滤波器的研究［J］.电视技术，2012，36(5):20－21.