交叉耦合微带带通滤波器

孙 超，丰 涛

（中国电子科技集团公司第36研究所，浙江 嘉兴 314000）

交叉耦合微带带通滤波器

孙 超，丰 涛

（中国电子科技集团公司第36研究所，浙江 嘉兴 314000）

针对无线通信系统小型化的要求，设计了一种带有交叉耦合的带通滤波器，该滤波器采用带过孔的终端短路式耦合线为谐振单元，同时加入了交叉耦合线改善滤波特性；整个结构紧凑，具有插入损耗低、选择性高、带外抑制度佳等特点，实测结果与仿真吻合较好，中心频率为4.2 GHz，3 dB带宽为400 MHz，驻波比小于1.5，体积仅为8 mm×6 mm×0.7 mm。

微带；滤波器；带通；交指耦合线；交叉耦合；高抑制

随着无线通信系统的快速发展，微波滤波器的小型化日益受到关注。特别是微带滤波器，具有小型化、工艺简单、易于集成等优点成为研究的主要方向之一。对于无线通信以及卫星通信系统而言，使用了多个相近频段的滤波器，它们之间会产生串扰，这就对滤波器的限波特性提出很高的要求[1-4]。

为使滤波器具有高抑制的特性，一般可以采用三种方法：一是用多个滤波器串接，二是增加滤波器内部的阶数，三是引入交叉耦合。采用多个滤波器的串接可能会存在阻抗匹配的问题，而且不利于设计的小型化；增加滤波器的阶数会带来更多的耦合变量加大滤波器的调试难度。

本文对终端短路交指型带通滤波器进行了修改，提出一种新型交叉耦合带通滤波器。以 3个三阶短路交指型带通滤波器为谐振单元，通过其相邻耦合构成了一种新型带通滤波器，同时引入交叉耦合以改善带外特性，该滤波器结构简单、便于加工、性能优异，仿真结果验证了本文所设计的滤波器的传输特性。

1 平行耦合线滤波器

一个由平行耦合线构成的二端口网络，通过把四个端口中的两个端口开路或短路，以得到不同的频率响应。如图1所示的一段终端短路耦合线，θ为每段耦合线的电长度，Z0o和 Z0e为两段耦合线的奇偶模阻抗[5-6]。其中

图1 耦合线二端口网络Fig.1 Two-port network with couple line

通过调节平行耦合线间的线间距和线宽，调节耦合系数，从而调节频率响应。将多段平行耦合线构成耦合线阵，每个矩形杆一端短路，一端开路，构成终端短路型交指滤波器，如图 2所示，矩形杆长约1/4λ0，载TEM模。

从W2到Wn-1都为谐振器，而W1和Wn的一端短路，一端与外电路联接，只起阻抗变换作用，不作为谐振器。谐振器既可用矩形杆，也可用圆杆，还可以用集总电容加载的办法减小体积和增加阻带宽度，并有适宜于各种带宽和不同精度的设计方法。

图2 终端短路型交指滤波器Fig.2 1nterdigital filter with final short

2 滤波器设计

采用终端短路交指型滤波器为谐振单元设计三阶带通滤波器，同时引入交叉耦合以改善带外特性，其结构如图3（a）所示，整个滤波器结构左右对称，等效电路如图 3（b）所示。首先根据中心频率确定矩形杆l的长度和宽度，通过改变杆的宽度来调节阻抗比；然后改变谐振单元内部耦合间隙 g调节耦合度；根据微带线计算公式和HFSS软件本征模求解方式算出单个谐振单元的大小；用HFSS双模提取法确定各谐振单元间的耦合系数，计算各谐振级单元间距离d；最后运用交叉耦合理论加入交叉耦合，对仿真结果进行优化。

根据以上步骤选用ROGERS 6010板材，厚度为0.635 mm进行设计。优化后的仿真参数如下：l1=3.85 mm，l2=3.78 mm，l3=4.25 mm，l4=4.1 mm，l5=1.5 mm，g=0.11 mm，d=0.82 mm，w1=1.41 mm，w2=1.9 mm，过孔直径为0.2 mm；优化后的仿真结果如图4所示，结果显示滤波器谐振中心频率位于4.3 GHz，带内插入损耗小于2 dB，带内波动小于1 dB，带内驻波小于-18 dB，带外抑制良好，仿真表明该滤波器有良好的电性能指标。

图3 滤波器结构及其等效电路Fig.3 The structure and equivalent circuit of the filter

图4 优化后的仿真波形Fig.4 The result of simulation optimization

为了进一步研究滤波器各个参数对滤波器性能的影响，分别改变谐振级间距离d以及耦合间隙g，保持其他参数不变，观察波形改变的趋势。图 5为改变谐振级间距离 d波形的变化情况，由图可知随着 d的变大，滤波器带宽变窄，抑制加深。表明带宽随谐振级间的耦合增强而减小，抑制随谐振级间的耦合增强而减小。

图6为改变耦合间隙g对性能的影响，由图可知耦合间隙 g对波形的影响更为显著，因为其同时影响了谐振单元内部的耦合以及相邻谐振的关系。随着 g的减小，谐振单元内部耦合显著增强，中心频率偏低频。

通过以上的仿真分析可知，频率的调整主要通过改变的谐振单元内部的耦合；带宽的调整应调节谐振单元间的耦合。

图5 谐振单元距离d对仿真波形的影响Fig.5 The effect of distance d on the simulation result

图6 耦合间隙g对仿真波形的影响Fig.6 The effect of distance g on the simulation result

3 测试和分析

为验证仿真模型特性，按照优化后的上述参数采用ROGERS RT 6010板材，对所设计的三阶交叉耦合带通滤波器进行加工，并用矢量网络分析仪进行测试。滤波器实物图及其测试条件如图 7所示，测试采用自行设计的腔体外壳，滤波器粘在独立可拆卸的载体上，载体用螺钉与腔体固定；通过微带线金丝键合进行过渡连接滤波器，滤波器二维尺寸为8 mm×6 mm×0.7 mm。

图7 滤波器实物及其测试环境Fig.7 The filter and its test condition

滤波器实物测试数据与仿真结果对比如图 8所示，结果显示滤波器的中心频率位于4.2 GHz，3 dB带宽为400 MHz，驻波比小于1.5，差值损耗在中心有波动，小于3 dB，与仿真曲线趋势吻合度较高，验证了本设计的有效性。

图8 滤波器仿真测试结果对比Fig.8 Comparison between the simulation and test results

在电子显微镜下观察滤波器如图 9所示，发现滤波器的直角均有不同程度的圆弧化，这会导致耦合间隙 g大小不一致，从而影改变了频率以及带宽。此外滤波器加工采用金属化通孔接地，而仿真则是采用全金属铜柱，接地性能也有所不足，影响了滤波器的驻波和插损的恶化。

图9 滤波器电镜照片Fig.9 SEM graph of the filter

4 结论

对终端短路交指型滤波器进行改进，设计并制作了一款工作于C波段的小型化带通滤波器，并利用三维仿真软件HFSS搭建了3D模型，从实测结果来看，测试曲线和仿真曲线吻合良好。该滤波器具有插入损耗低、选择性高、带外抑制度佳等特点，加工尺寸为8 mm×6 mm×0.7 mm。

[1] ABBOSH A. Design method for ultra-wideband bandpass filter with wide stopband using parallel-coupled microstrip lines [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2012, 60(1): 31-38.

[2] ABBOSH A. Planar bandpass filters for ultra-wideband applications [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(10): 2262-2269.

[3] LIN Y. Novel compact parallel-coupled microstrip bandpass filters with lumped-element K-inverters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(7): 2324-2327.

[4] 陈相治, 戴永胜. 具有高阻带衰减的 LTCC级联带通滤波器 [J]. 微型机与应用, 2014, 33(29): 27-33.

[5] MATTHAEI G L. Interdigital band-pass filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1962, 6: 479-491.

[6] DAVID M P. 微波工程 [M]. 张肇仪, 周乐柱, 吴德明, 等, 译. 北京:电子工业出版社, 2006: 359-370.

（编辑：陈渝生）

Cross-coupled bandpass filter with microstrip lines

SUN Chao, FENG Tao
(No.36 Institute, China Electronic Technology Group Co., Jiaxing 314000, Zhejiang Province, China)

A cross-coupled bandpass filter with microstrip lines was proposed for the miniaturization of wireless communication system. This filter used coupled microstrip line with short circuited via as resonance unit and added cross-coupled line to improve the performance. The test results show that the filter has the advantages of small size, high selectivity, sideband steep and high stopband rejection. The measured results of the filter agree well with the simulation. The filter has a central frequency of 4.2 GHz, a 3 dB bandwidth of 400 MHz, VSWR of less than or equal to 1.5. The size of the filters is only 8 mm×6 mm×0.7 mm.

microstrip line; filter; bandpass; interdigital coupled lines; cross-coupled; high rejection

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.012

TN713

A

1001-2028（2016）12-0054-03

2016-10-14

孙超

孙超（1987-），男，浙江嘉兴人，助理工程师，研究方向为微波器件与无线通信系统，E-mail: yangyi250000@163.com 。< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2016-11-29 11:41:40网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.012.html