一种新型发夹线耦合窄带带通滤波器的设计与实现

李 骏, 黄姗姗

(南京理工大学 电光学院， 江苏 南京 210094)

1 研究背景

随着现代通信技术的飞速发展，人们需求特定的频段进行移动通信，所以频率的选择特别重要，恰恰滤波器能够满足频率选择性的要求.现代通信便携式的元器件成为发展的主流，结构小型化是现代设计的必然要求.滤波器设计是系统设计的一个不可或缺的部分，滤波器结构小型化对系统的小型化起到非常有效地作用.发夹线带通滤波器具有结构简单的特点，它相当于折叠的平行耦合谐振器，二分之一波长谐振滤波器，用U型表示[1]，它等效于平行耦合谐振器，但平行线耦合所占据的空间远远大于折线耦合，为了使滤波器实现小型化，我们采用U型结构.对于传统的滤波器，如果带宽较窄则滤波器的尺寸较大，或者通带衰减过多，不利于滤波器的小型化和高性能的实现，比如：耦合微带滤波器[2]，对于带宽较窄的滤波器则耦合微带线之间的距离较大，使得通带衰减过多.传统的微带带通滤波器则使得微带的阻抗值很大，微带线的宽度太窄，有的甚至达到1um以下，普通工艺难以实现[3].为了克服传统滤波器的缺点，本文采用了新型发夹型结构来实现滤波器的设计[4-5].

2 发夹型滤波器的设计原理

传统的发夹型滤波器是由微带线弯折构成的，它的体积相对于直接平行线耦合有所减小，仅仅适用于中心频率较大，相对带宽较宽的滤波器设计，如果不符合该条件则滤波器的性能严重下降.为了克服这一缺点，在发夹型滤波器的中心处添加一条微带线并在上面开一个小口，使滤波器形成级内加载电容，打破了仅形成级间耦合的局面.发夹型滤波器的设计与每节之间的距离S有密切的关系，也与抽头馈线至U型线的距离t有很大的关系.由公式(1)[6]和(2)可以看出，当滤波器的相对带宽太窄时，Q值太大使S的数值过大，即级间距离增大，级间耦合减小致使滤波器的差损增大，频率选择性降低，滤波器性能较差，无法满足滤波器的使用要求.

本文采用了新型的发夹型滤波器结构，当设计相对带宽较窄时，在第三节U中添加一个加载开路短截线，形成倒E型谐振器，并且在该开路短截线的中心减去一个小正方形.仿真结果显示，该滤波器减小了带内衰减使带宽减小，且性能良好、设计简单，满足设计要求.本文通过设计、仿真、制造、测试一个中心频率f0=2.64GHz，带宽为20 MHz的窄带滤波器来验证设计方法的正确性.该滤波器的具体指标为：f0=2.64GHz，FBW=0.76%，带内波动为0.1dB，2.61GHz时的衰减大于20dB.由衰减可知5阶(n=5)的滤波器可行，按照Chebyshev原型构建低通滤波器原型，再按照比例转化为带通滤波器.查表可知g0=g6=1.0,g1=g5=1.146 8,g2=g4=1.371 2,g3=1.975 0[7].

(1)

(2)

计算出Qe、Qen和Mi,i+1的值可得到U型线之间的距离S和微带线到U型线底部中间部位的数值t，如图1、图2所示.

图1 外部品质因数与t的关系

图2 耦合系数与S的关系

3 发夹型滤波器的设计与实现

本文中发夹型滤波器的U型谐振器的长度由四分之一个波长决定[8]，特性阻抗为50Ω，为了使微带线阻抗与特性阻抗匹配，所以微带线的阻抗也为50Ω，微带线的宽度可由相关软件计算得出.本文采用的介质板的厚度为1mm，材料为Rogers RO4003，发夹型滤波器的设计采用Ansoft HFSS 13.0实现.设计原理图及等效电路如图3、图4所示。图4为传统发夹型滤波器等效电路图，图5为本文提出的新型发夹滤波器等效电路图。传统的发夹线滤波器就是简单的级间耦合，通过控制U型线之间的距离和耦合系数之间的关系得到精确地S值，除此之外增加了级间电容降及级间电感形成慢波效应，减小了带内差损.

由式(1)可知，Q值与带宽有很大关系，在无损的情况下，有载Q值等于外部Q值.外部Q值为

(3)

Qe受抽头线位置的影响较大，图1显示了Qe与抽头线的位置t的关系，Qe随t的增大而减小.通过改变抽头线的位置，即改变t的大小，仿真得到的Qe与t的关系曲线.

由文献[6]知，计算两谐振器之间的耦合系数M，可以在弱耦合的情况下，得到两个谐振频率f0、f1，由公式(4)计算耦合系数M：

(4)

U型谐振器之间的距离S决定两谐振器之间的耦合系数M，图2为通过改变耦合间距S的大小，仿真得到的耦合系数M与S的关系曲线，M随S的增大而减小.

通过选择合适的t与S，即选择恰当的外部Q值Qe与耦合系数M，可以得到要求的滤波器频率响应.本文设计的滤波器的设计参数如图3所示，其中，t=4.72mm，S1=1.4mm，S2=2.7mm.经过EM仿真与实物测试，得到了仿真与测试结果，如图6所示.可以看出，仿真与测试的结果基本一致，中心频率为2.64GHz，插损为1.5dB，回波损耗大于20dB，2.61GHz处的衰减为20.7dB，2.67GHz处的衰减为19.4dB，满足设计指标.

图3 新型发夹型滤波器设计俯视图

图4 传统滤波器等效电路

图5 新型滤波器等效电路

图6 仿真与测试结果图

4 结束语

本文采用了新型的发夹线结构，参考相关的研究成果，得到S波段的窄带带通滤波器，采用电磁仿真软件HFSS 13.0进行全波仿真优化，得到了滤波器的结构尺寸参数，以及频率响应结果.实物测试的结果与仿真结果基本吻合，满足设计指标，符合实际应用要求.这种滤波器的优势在于它的结构与传统的滤波器相比更加小型化，并且能得到更好的滤波器性能，窄带结构更好.

[1] 许悦，王胜福，鲁国林，世娟.一种新型超宽带小型化U型微带滤波器[J].半导体技术，2012,37(4):291-294.

[2] 陈仕虎. L波段窄带带通滤波器研究[J].大众科技, 2010,30(8): 46-47.

[3] Zhang K, Xia L, Xie Q,etal. A compact high-selective microstrip bandpass filter used in up-converter modules[C]//IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 2006.

[4] 王亚亚.微带带通滤波器的研究及设计[D].西安：西安工业大学，2013.

[5] 杨丽，马健，陈辉.微波窄带带通滤波器的设计[J].重庆：数字通信，2011,10(4):86-88.

[6] Hong J S,Lancaster M J. Microstrip filters for RF/microwave applications[C]//IEEE Trans, Microwave Theory Tech, 2001:109-159.

[7] Ludwig R, Bretchko P.R F circuit design:theory and applications[M].张肇仪，徐承和，译.北京：电子工业出版社，2010:134-174.

[8] 苏永川，何子述，高瑜翔，等. L波段发夹型微带滤波器的设计[J].电子科技大学学报，2004,33(1):17-18.