具有高次谐波宽带抑制新型微带发夹滤波器设计

申呈洁,钱国明

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210096）

近年来，随着微波、毫米波通信系统的不断发展，新型通信设备向电子设备提出了更高更具体的要求，尤其是对滤波器和多工器。滤波器是现代微波、毫米波通信技术中极其重要的部分，它在微波、毫米波通信、微波导航、遥测遥控、卫星通信等多个领域扮演着不可或缺的角色，其性能的优劣往往会直接影响整个通信系统质量。随着微波、毫米波技术的迅速发展，迫切需要研制具有低损耗、宽阻带带宽、高选择性、结构紧凑等特性的微波滤波器[1]。

平行耦合线滤波器、梳状线滤波器和交指滤波器等都是微带滤波器常采用的形式，但这些形式的滤波器往往存在着各自的缺陷。例如平行耦合线滤波器由于各平行耦合节在一个方向上级联，故尺寸较大。梳状线滤波器和交指滤波器则需要接地过孔，这样在高频情况下就会不可避免地引入误差，以上因素限制了这些形式的推广应用。微带发夹型谐振器作为一种常见的谐振器，通过适当的耦合拓扑结构实现的滤波器可以看成是谐振腔滤波器在平面的应用特例。它一方面结构比较紧凑，减小了尺寸、重量和成本；另一方面不需要接地，消除了过地孔引入的误差，比平行耦合线滤波器和梳状线交指滤波器有更好的电性能，因而在微波平面电路中使用较多[2]。

在一个接收机系统中，当射频信号频率与中频信号频率的关系为N:1，在进行解调时，射频信号及本振信号会作为高次谐波混入中频信号，对中频信号产生干扰。因此在进行微带滤波器的设计时，必须对高次谐波进行有效抑制，使之对中频信号不产生影响，才能达到通信系统的性能指标。

现有的对于带通滤波器产生的谐波进行有效抑制的方法有以下几种：

1)在带通滤波器后加上低通滤波器或带阻滤波器；

2)采用矩形调谐短截线的共面波导馈入电容微带折叠L型槽天线结构[3]；

3)引入阻抗阶梯跳变的阶跃阻抗谐振器[4]；

4)在传统平行耦合滤波器末端加载开路短截线[5]；

5)采用两种具有双等效电路的谐振器[6]；

6)利用电磁带隙结构的阻带特性[7]。

这几种电路虽然已经展示出一些优良的谐波抑制特性，但其设计过程比较复杂且谐波抑制效果一般。文中提出了一种用于抑制高次谐波的微带发夹型滤波器，通过在传统发夹滤波器结构之后采用短路短截线与高次谐波四分之一波长开路短截线并联谐振的结构，能够在不影响中频信号情况下，很好的抑制高次谐波带来的干扰。并采用微带径向短截线(MRSTU)扩大抑制谐波带宽，实现高次谐波宽带抑制，并可进行谐波次数选择性抑制。

1 发夹滤波器的设计

发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，设单元电路的矩阵A为：

其中Z0e为耦合微带线奇模特性阻抗，Z0o为耦合微带线偶模特性阻抗，θ为耦合微带线电长度。将该单元等效成一个导纳倒置转换器J和其两边的电长度为θ的两段传输线，特性导纳为。所示结构如图1所示。

因此可得：

由于微带线耦合单元与等效电路单元的A矩阵相等，则可求得奇偶模特性阻抗为:

图1 谐振器结构单元Fig.1 Resonator structure unit

gi为低通原型滤波器元件值[8]。

由公式(3)、(4)可确定发夹型滤波器耦合单元的奇偶模参数Z0e和Z0o。得到奇偶模参数之后，即可求得微带线条宽度、微带线间距、以及微带线条的长度。应用ADS对所得参数进行仿真，原理图如图2所示。

图2 发夹滤波器原理图Fig.2 Hairpin filter

通过仿真及优化可得此发夹滤波器参数，如图3所示。

由图3可知，2G信号衰减为0.759 dB，8G信号衰减为4.479 dB，10G信号衰减为3.911 dB，可见8G及10G的高次谐波对2G中频产生了很大干扰，这将对下一步进行信号解调产生严重影响，因此需对高次谐波进行有效抑制，才能达到系统有效性能。

2 新型谐波抑制结构及原理

针对图3所示的8G与10G高次谐波，若要滤除8G谐波，需先在发夹滤波器后加上一段8G的四分之一波长开路短截线。已知终端有载传输线的输入阻抗：

图3 发夹滤波器参数仿真图Fig.3 S(2,1)of hairpin filter

其中 β=2π/λ 。 当 d=λ/4 时有：

因为四分之一波长开路短截线ZL=∞，则Zin=0，等效于短路接地，因此8G信号被抑制[9]。

这里开路短截线起到了陷波的作用，将电路中8G的无用信号滤除。由于要求在2G处通带保持良好，因此须建立一个谐振网络以达到设计要求。在无线电技术中，通常应用并联电路谐振时呈现阻抗最大的特点来进行选频。考虑到开路短截线等效于电容，短路短截线等效于电感，两者并联等效于构成了一个LC谐振电路。

由于谐振电路中电感感抗值与电容容抗值大小相等，相位相反，即ZL≈-ZC。则可得谐振电路总阻抗Z=∞。由于2G发夹滤波器输出阻抗为50Ω，当并联谐振阻抗Z后阻抗仍为50Ω。因此这种结构在有效抑制8G信号前提下，对2G中频信号不产生影响。根据并联谐振原理建立原理图并进行仿真优化，谐波抑制原理图及仿真数据如图4、图5所示。

图4 8G谐波抑制原理图Fig.4 8G harmonic suppression

图5 8G谐波抑制图Fig.5 8G harmonic suppression

由图5所示，2G信号衰减为0.821 dB，8G信号衰减为47.658 dB，可见通过此结构可在不影响2G信号的前提下，有效的抑制了8G谐波。根据抑制8G谐波的原理，对10G信号做相同处理，即可完成对10G谐波的有效抑制。

由于谐波四分之一波长开路短截线是固定的，要使谐振电路谐振于2G，从而对2G信号不产生影响，因此必须通过改变短路短截线长度，使用ADS进行优化，使其谐振于2G。

在使用ADS进行优化仿真后，发现使用直微带短截线效果没有达到谐波宽带抑制要求。这时选用MRSTUB，即微带径向短截线来代替直微带短截线。直微带短截线具有较高的Q值，所以它适合在频带较窄的情况下使用，而微带径向短截线MRSTUB具有比直微带短截线在更宽的频率范围内实现低Q值的优点,更加适合在宽频带中使用[10]。通过对MRSTUB的宽度、长度、张开的角度值分别进行优化，同时在微带径向短截线与短路短截线之间串上一段微带线，并调节微带线长度可以更加有效的降低谐振电路Q值，扩大抑制谐波带宽。仿真原理图及结果如图5、6所示。

图6 高次谐波抑制原理图Fig.6 of high harmonics

仿真结果如图7所示。

由图6所示，2G信号衰减达到0.955 dB，8G信号衰减达到44 dB，10G信号衰减达到了65 dB。即在不影响2G信号的前提下，高次谐波被有效进行了宽带抑制，宽带达到200MHz。在对高次谐波进行宽带抑制的同时，采用此结构可进行谐波次数可选，即可有针对性的对某一谐波进行宽带抑制，满足设计指标。

图7 高次谐波抑制图Fig.7 High harmonic suppression

3 结论

针对传统发夹滤波器[11-12]中混入的高次谐波干扰问题，本文提出了一种采用短路短截线与高次谐波四分之一波长开路短截线并联谐振的方法。在不影响中频信号的前提下，可对高次谐波进行有效抑制。同时通过在开短路支节之间串联一段微带径向短截线线，可实现对高次谐波的宽带抑制。利用ADS进行仿真优化，仿真结果表明此系统可在将中频信号衰减保持在1 dB内，并将高次谐波衰减抑制于40 dB以下。这种新型的微带发夹滤波器在结构和性能上都有较大的优势，可应用于多种微波通信系统中。

[1]吴万春，梁吕洪.微波网络及其应用[M].西安 西北电讯工程学院出版社，1979.

[2]邓哲，程崇虎，吕文俊.微带发夹型谐振器滤波器的实验研究[J].微波学报，2005(4):122-126.DENG Zhe,CHENG Chong-hu,LVWen-jun.Experimental study of microstrip hairpin resonator filters[J]. Journal of Microwaves，2005(4):122-126.

[3]Ghaffarian M S,Moradi G.A Novel Harmonic Suppressed CoplanarWaveguide(CPW)-Fed Slot Antenna[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE，2011（10）788-791.

[4]Makimoto M，hita S Y.Bandpass Filters Using Parallel Coupled Stripline Stepped Impedance Resonators[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1980(12):1413-1417.

[5]Cheong P,Fok S W,Tam K W.Miniaturized Parallel Coupled-Line Bandpass Filter with Spurious-response Suppression [J].IEEE Trans on Microw Theroy Tech,2005,53(5):1810-1816.

[6]Park J,Kim JP,Nam S.Design of a Novel Harmonic-Suppressed Microstrip Low-Pass Filter[J].Microwave and Wireless Componets Letters,IEEE,2007:424-426.

[7]杨瑾屏，吴文.SP-DGS等效电路模型及其在微波电路中的应用 [J].西安电子科技大学学报，2007,34(6):1007-1010.YANG Jin-ping,WU Wen.Research on the equivalent circuitmodel of the spiral defected ground structure and its applications to microwave circuits[J].Journal of Xidian University,2007,34(6):1007-1010.

[8]Ludwig R,Pavel Bretchko.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].America:Prentice Hall,2000.

[9]David M.Pozar.Microwave Engineeing[M].America:Wiley,2004.

[10]杨雪垠，王一丁.采用ADS2006进行短截线抑制谐波的自动仿真[J].自动化与仪表,2007,2007(6):13-15.YANG Xue-yin,WANG Yi-ding.ADS2006 Stub Simulation Using in Harmonic suppression [J].Automation and Instrumentation,2007,2007(6):13-15.

[11]方志华，张忠海.一种基于介质集成波导腔的小型化滤波器[J].现代电子技术，2012（21）：65-67.FANG Zhi-hua，ZHANG Zhong-hai.Compact filter based on substrate integrated waveguide cavities[J].Modern Electronics Technique，2012（21）：65-67.

[12]薄振桐.基于FPGA的实时图像自适应中值滤波器设计[J].电子科技，2014（1）：121-124.BO Zhen-tong.Design of real-time image adaptive median filter based on FPGA[J].Electronic Science and Technology，2014（1）：121-124.