调谐短截线弯曲方环宽带带通滤波器设计

李雅静，冯立营，刘新月

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）

调谐短截线弯曲方环宽带带通滤波器设计

李雅静，冯立营，刘新月

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津300222）

设计了一种紧凑的新型宽带双模带通滤波器。该滤波器基于一个直连馈线弯曲方环谐振器的带阻结构，加载调谐短截线构成带通滤波器，通过将所加载短截线弯曲实现滤波器的小型化。此外，方环1/4角上放置微扰并在侧面阻带位置激起的模式可以实现带通滤波器的选择性。实验结果表明：滤波器的中心频率为5.41 GHz，3 dB带宽为59.5%，插入损耗为0.16 dB，带内的反射损耗大于11 dB，符合设计要求。

双模；调谐短截线；带通滤波器；弯曲方环谐振器

高品质、小型化、低成本的微带滤波器在现代无线通信系统中发挥着越来越重要的作用。微带环形谐振器可以满足这些特点，在带通滤波器的设计中有着广泛的应用［1］。为更好地发挥环形滤波器的优势，1972年Wolff等［2］提出了微带环形双模滤波器。然而传统的端到线耦合结构容易引入较大的插入损耗［3］，馈线和微带线之间的耦合缝隙也会影响谐振器的谐振频率。文献［4-5］提出使用加强耦合结构或加载电容等方式来降低较高的插入损耗。但使用加强耦合结构的谐振器仍然存在耦合缝隙，而使用加载电容耦合的谐振器也不易实现。文献［6］提出采用高温超导材料设计环形谐振器来降低插入损耗，但其加工工艺复杂。文献［7］提出使用方环谐振器直连馈线的带阻结构，加载短截线形成宽带带通滤波器，这种结构不存在耦合缝隙，克服了较大插入损耗的缺陷，但短截线增加了电路尺寸。本文提出一种带有调谐短截线的弯曲方环宽带带通滤波器。该带通滤波器基于直连馈线的环形谐振器带阻结构，将调谐短截线加载在与1/4波长弯曲方环输入输出端口正交的角上，采用弯曲折线调谐短截线减小滤波器的尺寸。这些调谐短截线既产生了通带，又可以调节中心频率。另外，该滤波器还在弯曲方环正交的角上引入微扰，在带通滤波器右侧阻带的位置激起简并模式，从而产生通带的传输零点，提高了通带的频率选择性。

1　正交直连馈线弯曲方环带阻特性

正交直连馈线弯曲方环双模带阻滤波器如图1所示。该带阻滤波器的简并模式由加在弯曲方环正交角上的微扰激起，中心频率为5.39 GHz。滤波器采用相对介电常数为6.15、厚度为0.64 mm的介质基片制作，通过HFSS10.0进行设计和仿真。所设计滤波器各部分的尺寸分别为L1=3 mm、L2=2.89 mm、L3=2.75 mm、W1=0.72 mm。由于该滤波器结构对称，可以采用奇偶模理论进行分析，该滤波器的奇偶模等效电路如图2所示。微扰p取不同值时所产生的频率响应情况如图3所示，从图3中可以看出微扰的加入可以展宽阻带范围，当微扰p取0.72 mm时得到较好的频率响应，且得到从1 GHz到5.9 GHz较宽的阻带范围。

图1　正交直连馈线弯曲方环带阻滤波器

图2　带阻滤波器的奇偶模等效电路

图3　带阻滤波器不同微扰大小的频率响应

2　加载调谐短截线的弯曲方环宽带带通滤波器

基于上文所设计的带阻滤波器结构，将一对调谐短截线加载在与其输入输出端口相对的面上，得到一个宽带带通滤波器结构，如图4所示。为节省空间，将所加载短截线弯曲得到滤波器结构如图5所示。当不加微扰时所设计滤波器的中心频率为5.49 GHz。由于右侧阻带的简并模式可以引起通带的传输零点，因此通带的选择性可以通过改变微扰的尺寸来控制。不同微扰尺寸所对应的频率响应如图6所示。从图6中可以看出微扰尺寸为零时，阻带的简并模式不能被激起。同时，改变微扰的尺寸可以影响带通滤波器的边带。

图4　加载直调谐短截线的弯曲方环滤波器

图5　加载弯调谐短截线的弯曲方环滤波器

图6　带通滤波器不同微扰大小的频率响应

3　滤波器测试

根据以上分析，通过调整优化，得到该滤波器的具体参数为L1=3 mm、L2=2.89 mm、L3=2.75 mm、L4=4.08 mm、W1=0.72 mm、W2=0.36 mm、微扰p= 0.72 mm。对所设计的滤波器进行加工后的实物如图7所示。通过AV3629矢量网络分析仪测试所设计滤波器的S参数。滤波器的仿真结果和实测结果如图8所示，两者吻合良好。测量结果中，中心频率为5.41 GHz，3 dB带宽为59.5%，插入损耗为0.16 dB，带内的反射损耗大于11 dB。4个传输零点分别位于3.17 GHz、3.66 GHz、7.33 GHz和7.58 GHz。

图7　设计滤波器的实物图

图8　滤波器仿真和测试结果图

4　结束语

本文设计了一种新型紧凑双模宽带带通滤波器。该滤波器基于直连馈线的弯曲方环带阻结构，50 Ω输入输出馈线放置于1/4波长弯曲谐振环上，同时将调谐短截线加载在与输入输出馈线相对的角上，产生的两侧窄带形成宽带，从而构成宽带带通滤波器。通过改变加载在谐振器正交角上微扰的尺寸可以控制带通滤波器的传输零点。此外，将所加载的调谐短截线弯曲减小了滤波器的尺寸。仿真和实测结果验证了该滤波器的优良性能，它可以广泛地应用于各种无线通信系统中。

［1］CHANG K.Microwave ring circuits and antennas［M］.New York：Wiley，1996.

［2］WOLFF I.Microstrip bandpass filters using degenerate modes of a microstrip ring resonators［J］.Electronic Letter，1972，8（12）：163-164.

［3］HSICH L H，CHANG K.Compact dual-mode elliptic-function bandpass filter using a single ring resonator with one coupling gap［J］.Electronic Letter，2000（19）：1626-1627.

［4］GOPALAKRISHNAN G K，CHANG K.Novel excitation schemes for the microstrip ring resonator with lower insertion loss［J］.Electronic Letter，1994，30（2）：148-149.

［5］MATSUO M，YABUKI H，MAKIMOTO M.Dual-mode stepped impedance ring resonator for bandpass filter applications［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory Technique，2001，49（3）：1235-1240.

［6］HONG J S，LANCASTER M，JEDAMZIK D.On the development of superconducting microstrip filters for mobile communications applications［J］.IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique，1999，47（2）：1656-1663.

［7］HSIEH L H，CHANG K.Compact，low insertion-loss，sharprejection and wide-band microstrip bandpass filters［J］. IEEE Transaction on Microwave Theory and Technique，2003，51（4）：1241-1246.

Wideband bandpass filter based on meander square loop using tuning stub

LI Ya-jing，FENG Li-ying，LIU Xin-yue
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A dual-mode wide-band bandpass filter is proposed with a compact size.The designed filter is based on a bandstop configuration of direct-connected feed lines to meander ring resonator.The wide-band bandpass can be constructed according to locate the tuning stub.In order to reduce the size of the filter，located tuning stub is bent.In addition，the perturbation patch placed on the orthogonal corners of the square ring can excite the degenerate modes of the side stop band，which can realize the selectivity of bandpass filter.The center frequency of the design and fabrication filter is 5.41 GHz，3 dB bandwidth is 59.5%，insertion loss is 0.16 dB，the reflection loss is greater than 11 dB.

dual-mode；tuning stub；bandpass filter；meander square loop resonator

TN713.5

A

2095－0926（2016）03－0040－03

2016-08-29

天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（14JCQNJC01100）；天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目（KJ14-36）.

李雅静（1980—），女，讲师，硕士，研究方向为电磁场与微波技术、计算电磁学.