基于互异结构的宽阻带带通滤波器研究

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。在带通滤波器的设计中有时为了降低或消除邻近高次谐波的干扰，需要对滤波器进行特定的设计处理。常见的方法是在输入、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［1-6］，这些方法能有效地对设定的频段进行抑制，以降低该频段内的插入损耗。基于以上设计方法，一种新型互异结构的宽阻带带通滤波器被提出。该方法在常规的添加λ/4波长开路微带线基础上，利用阶跃阻抗谐振器的设计原理，将两个耦合谐振器设计为基频相同，高次谐波频率不同的工作模式，这样就能实现高次谐波工作的不一致性，实现谐振点分离，达到有效降低插入损耗，拓宽阻带频率的目的。

1 结构设计

采用互异结构的宽阻带带通滤波器有两部分构成:两个结构相同的添加有开路线的输入、输出微带馈线，两个互异的阶跃阻抗开环谐振器。添加有开路线的输入、输出微带馈线在设计中具有两个作用，一方面实现信号的耦合传输，另一方面具有抑制高次谐波的作用。两个互异阶跃阻抗开环谐振器在设计时根据需要将基频设定在特定的通带中心频点，高次谐波频率设定在不同的频点，同时可以通过调节添加到谐振器中间位置上的开路线长度调整相关的高次谐波频点，实现高次谐波的分离和抑制，实现宽阻带。滤波器结构如图1所示，在整个结构设计中，除了与输入、输出端口相连微带线的宽度d、两个阶跃阻抗谐振器的顶端宽度g，t，其余所有微带线宽度均相同。

图1 具有互异结构的宽阻带带通滤波器

输入、输出端微带馈线结构中，开路线长度为s，对应的阻带中心频率f满足的表达式为

式中:λ为微带传输线上的工作波长，因此可以根据式（1）计算出需要被抑制频点的传输线工作波长，将开路线长度设定为该值的1/4即可实现特定频率处的高次谐波抑制。为实现输入输出微带馈线端口与50 Ω电阻在基频时的阻抗匹配，在设计中可以通过调整开路线长度s、以及耦合部分微带线e的长度来实现。

对信号完成选频，实现耦合的两个互异阶跃阻抗开环谐振器的工作原理可以采用电长度的方法分析，为此画阶跃阻抗开环谐振器结构如图2所示。

图2 中间添加开路线的阶跃阻抗开环谐振器

式中:基频由式（2）决定，式（3）决定的高次谐波频点可以通过添加的开路线长度来调整。这样两个互异的阶跃阻抗谐振器就可以设计为基频相同，高次谐振频点不一致的工作状态，使高次谐波无法谐振在同一频点。

2 仿真及实验验证

谐振时，频率满足下述表达式

为验证互异阶跃阻抗谐振器对高次谐波的抑制效果，滤波器设计在相对介电常数3.2，厚度1.14 mm的介质板上，通带中心频率设定在2.4 GHz附近，输入、输出端的微带馈线上先不添加开路线，滤波器结构如图3所示，具体结构参数如表1所示，使用Ansoft HFSS软件进行仿真，宽阻带带通滤波器的插入损耗随参数m的变化情况如图4所示，从图中看出第一个高次谐振点随m的增大而变小，与第二个高次谐振点间的间距变大，降低了第二个高次频点的插入损耗，第一个高次频点的插入损耗变化不明显。

图3 输入输出馈线上不添加开路线的互异结构宽阻带带通滤波器

表1 输入输出馈线不添加开路线的互异结构宽阻带带通滤波器结构参数 mm

图4 输入输出馈线不添加开路线的互异结构宽阻带带通滤波器插入损耗随参数m的变化

在图3所示结构及表1所给数据基础上，进一步验证输入输出馈线上添加开路线后的互异阶跃阻抗谐振器对高次谐波的抑制效果，滤波器结构如图1所示，其中p=2 mm，使用Ansoft HFSS软件进行仿真，宽阻带带通滤波器插入损耗随参数s的变化情况如图5所示，从图中变化可以发现适当选择s长度，能进一步有效地抑制高次谐波，特别在s=3.64 mm长度时，频率从3.2～10.3 GHz附近一个宽频带内插入损耗基本维持在-20 dB以下。

图5 输入输出馈线添加开路线后的互异结构宽阻带带通滤波器插入损耗随参数s的变化

通过以上对两种情况的分析及仿真，验证了本文提出的互异结构宽阻带带通滤波器对高次谐波的抑制作用，基于表1，p=2 mm，s=5.64 mm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，得到回波损耗和插入损耗的仿真与测试比较曲线，如图6所示，从图中可以看出两者吻合情况良好。

图6 互异结构宽阻带带通滤波器回波损耗和插入损耗的仿真与测试比较

3 小结

为解决带通滤波器的高次谐波干扰，结合常用的在输入输出微带馈线上添加开路线构成带阻的方法，采用两个互异的中间添加开路线的阶跃阻抗开环谐振器实现高次谐波的相互分离，达到抑制高次谐波实现宽阻带的目的，HFSS仿真及网络分析仪的实物测试均表明此方案具有良好的效果，能广泛应用于无线通信系统中带通滤波器高次谐波的抑制处理。

：

［1］ZHOU Liang，LIU Shaobin，KONG Xiangkun，et al.Novel cross-coupled filter design using improved split-ring resonators based on stepped impedance resonator［J］.Microwave and Optical Technology letters，2011，53（9）:1976-1980.

［2］HUNG C，WENG M，YANG R.A dual-mode bandpass filter with a wide stopband using a controllable bandstop structure ［J］.Microwave and Optical Technology letters，2008，50（8）:2214-2216.

［3］KUO J，SHIH E.Microstrip stepped impedance resonator bandpass filter with an extended optimal rejection bandwidth［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51（5）:1554-1559.

［4］TANG C，CHEN M.Wide stopband parallel-coupled stacked SIRs bandpass filters with open-stub lines［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，16（12）:666-668.

［5］TU W，CHANG K.Compact microstrip bandstop filter using open stub and spurline［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，15（4）:268-270.

［6］HSIEH Y，LEE C，HSU C.Design of spur-line-loaded cross-coupled dualband bandpass filter with wide upper-end stopband ［J］.Microwave and Optical Technology letters，2008，50（3）:691-694.