一种椭圆函数微带低通滤波器的设计与实现

李婵娟，傅世强，孙 爽

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

微波滤波器是现代通信系统中重要部件之一，其的主要作用是抑制不需要的信号，让需要的信号通过。滤波器的优劣直接影响到整个系统的性能。高性能的微带低通滤波器常被用来抑制系统的谐波输出。基于Richards 变换与Kuroda 法则的微带低通滤波器设计［1－2］和高低阻抗微带低通滤波器的设计［3－4］是两种常用的方法。然而，上述方法设计的滤波器一方面电路尺寸较大，过渡带较宽;另一方面由于相邻耦合线线宽不同产生不连续性，使带内插入损耗较大。为此，文献［5］和文献［6］采用DGS 技术，使滤波器电路结构更加紧凑;文献［7］运用分形结构设计成阶跃阻抗微带滤波器，改善通带特性;文献［8］采用扇形短截线结构设计微带滤波器，缩小尺寸的同时提升了性能。但以上设计方法复杂，对于加工精度要求较高。

为克服传统微带滤波器结构不紧凑，阻带衰减较慢，寄生通带抑制不充分等缺点，本文采用微带滤波器中比较成熟的高低阻抗线结构，设计并实现了一款截止频率为1 GHz 的椭圆函数微带低通滤波器。由于传统的切比雪夫滤波器的频率选择性要变好，只能增加谐振单元数，这通常会增大插损，而椭圆函数滤波器的无限衰减极点可设在有限频率处，则通过较少的谐振单元数便可大幅改善频率选择性，从而在减小电路尺寸的同时，提高滤波器的性能。

1 滤波器的设计

设计源和负载阻抗均为Z0=50 Ω，截止频率fc=1 GHz，通带波纹LAr＜0.2 dB，阻带边频fs=1.2 GHz时最小阻带衰减LAs＞30 dB 的微带低通滤波器。选取椭圆函数滤波器结构形式C0620c［9］，经查表可知LAr=0.18 dB，ΩS=1.194，LAs=38.1 dB 的6 支路滤波器原型满足设计要求，其LC 电路结构如图1(a)所示，用微带线实现该滤波器的等效电路结构如图1(b)所示。

查表获得椭圆函数低通滤波器的原型元件值:g0=1.000，gL1=0.8214，gL2=0.389 2，gC2=1.084，gL3=1.188，gL4=0.741 3，gC4=0.907 7，gL5=1.117，gC6=1.136。根据阻抗变换和频率变换式(1)，可得实际LC 元件值:L1=6.536 5 nH，L2=3.097 2 nH，C2=3.450 5 pF，L3=9.453 8 nH，L4=5.899 1 nH，C4=2.889 3 pF，L5=8.888 8 nH，C6=3.616 0 pF。由式(2)可求得引入的衰减极点频率在1.22 GHz 和1.54 GHz。

图1 设计的椭圆函数低通滤波器结构

用高低阻抗线进行微带滤波器物理实现，选取介电常数为2.65，损耗角正切0.002，厚度为2 mm 的微波介质板，考虑到加工可实现性，利用高阻抗线Z0L=100 Ω 等效串联电感，低阻抗线Z0C=30 Ω 等效并联电容，使用ADS LineCalc 计算出的微带线物理参数，高阻抗线宽度WL=1.5 mm，截止频率处介质波长λgL=210 mm;低阻抗线宽度WC=11 mm，截止频率处介质波长λgC=197 mm。利用式(3)可初步计算等效微带线的长度。考虑到开路微带线的终端电容效应，以及高低阻抗线不连续处的寄生参数影响，实际微带线的长度还需修正计算，具体公式参见文献［10］，得到初步电路尺寸之后，便可进行电路及电磁场仿真分析

2 仿真及实验结果

在微波传输线中，利用不同特性阻抗的传输线作为集总参数来等效，原则上高阻抗值应尽量高，低阻抗值应尽量低，这样对集总参数的接近程度越好，但也要兼顾到实际加工复杂性和功率容量的要求。根据计算得出的电路尺寸进行建模仿真分析，分别采用射频电路分析软件ADS 和三维电磁场仿真工具HFSS 进行优化设计，最终优化后得到滤波器的尺寸参数为lL1=11.8 mm，lL2=5.3 mm，lL3=21.5 mm，lL4=9.1 mm，lL5=15.2 mm，lC2=15 mm，lC4=16 mm，lC6=16 mm。图2 给出了最终电路的仿真结果，从图中可看出，设计的滤波器通带内具有较小的插损，同时具有陡峭的过渡带，并带外实现了两个预设的衰减极点。ADS 和HFSS仿真结果稍有偏差，这是因ADS 采用了电路级理想仿真，而HFSS 则是考虑了微带线寄生效应的电磁仿真。

图2 椭圆函数微带低通滤波器仿真结果

根据优化后的电路尺寸进行了实物制作和实验测量。图3 是实际加工的椭圆函数微带低通滤波器实物图，图4 是该滤波器经矢量网络分析仪的实测结果曲线，可看出在1 GHz 处实测波纹衰减0.26 dB，阻带的两个衰减极点频率稍有偏高。整体上实测结果和仿真结果具有较好的一致性，验证了设计方案的可行性，实测和仿真曲线存在的偏差主要是由于N 型接头和加工误差等造成的。

图3 椭圆函数微带低通滤波器加工实物

图4 椭圆函数微带低通滤波器实测结果

3 结束语

本文采用高低阻抗线结构，设计了一款椭圆函数型微带低通滤波器。给出了滤波器的设计思路和主要参考公式，并通过仿真软件ADS 和HFSS 对其特性进行了仿真研究，采用微波材料板制作出滤波器实物进行了测试验证，实测结果与仿真结果吻合较好，验证了设计方案的可行性。所设计的滤波器，结构紧凑，插损小，具有陡峭的过渡带，满足实际工程应用。

［1］ 王汉江，吴姣，杨维明，等.基于Richards 变换与Kuroda规则的微带低通滤波器的设计仿真［J］.湖北大学学报，2010，32(4):398－402.

［2］ 彭玉峰，林思宏，金龙，等.一种基于ADS 的微带低通滤波器优化设计［J］.微波学报，2012(S1):213－215.

［3］ 左杜军，齐中斌，蒋高桥.基于ADS 的微带高低阻抗线低通滤波器的优化设计［J］.大众科技，2010(10):25－26.

［4］ 王辉.基于阶梯阻抗的发夹结构低通滤波器设计［J］.信息通信，2011(4):25－26.

［5］ 王智广，韩亮，吕飞.基于DGS 微带低通滤波器的改进设计［J］.电子科技，2011，24(10):17－18.

［6］ 魏峰，翟阳文，史小卫，等.一种新颖的缺陷地微带线低通滤波器［J］.西安电子科技大学学报:自然科学版，2009(4):645－648.

［7］ 杨维明，吴姣，张劲，等.基于分形技术的阶跃阻抗微带低通滤 波 器 设 计［J］.电 波 科 学 学 报，2010，25(5):1000－1004.

［8］ 邓世雄，陈星，李德治.扇形短截线结构的椭圆微带低通滤波器设计［J］.电子测量技术，2012，35(8):35－37.

［9］ 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计［M］.北京:科学出版社，1974.

［10］Hong Jiasheng，Lancaster M J.Microstrip filters for RF/Microwave applications［M］.New York:John Wiley＆Sons，Inc，2001.