基于双边平行带线的新型微波差分低通滤波器

陆清源

摘要：本文介绍了一种基于双边平行带线的新型微波频段低通滤波器。由于双边平行带线其本身固有差分传输特性，其中一条金属带条可作为另一条的地或者是信号线。通过相反的端口结构实现了滤波器差模响应的低通特性。提出了差模和共模不同的L-C等效电路，并用来分析这两种模式的频率响应。为了该验证理论，设计了一个3dB截止频率为1GHz的低通滤波器滤波器，制造并进行了测试。所设计的滤波器具有低插入损耗和宽带的共模抑制能力等优点。仿真和测试结果吻合良好，验证了所提出的结构和设计方法。

关键词：双边平行带线；平衡式滤波器；低通滤波器

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（a）-0000-00

A Novel Microwave Differential Lowpass Filter Based on Double-sided Parallel-strip Line

Qing-Yuan Lu

（Xinglin College， Nantong University， No.999， East Outer Ring Road， Nantong， 226000）

Abstract ─ In this letter， a novel microwave differential lowpass filter （LPF） is firstly proposed based on the double-sided parallel-strip line （DSPSL）. As the DSPSL is with the inherent differential transmission property， one of identical metal strips in DSPSL can be either signal line or ground for the other strip. The lowpass characteristic for the differential-mode operation is achieved when port 1（ 2 ） possess opposite signal lines as compared with port 1 （2）. L-C equivalent circuits for both differential-mode and common-mode are given to illustrate the frequency responses of the two modes. A demonstrated filter with 3 dB cut-off frequency at 1 GHz has been designed， fabricated and measured for the purpose of verification. The designed LPF features advantages of low in-band insertion loss and wide-band common-mode suppression. Good matching between the simulated and measured results has been observed， which verifies the proposed structure and its design concept.

Index Terms - double-sided parallel-strip line （DSPSL），Differential filter，lowpass filter.

一、 引言

隨着现代无线通信系统的快速发展，平衡式电路因为许多的优点如抑制噪声能力、低串扰和低电磁干扰等优点，而受到了越来越多研究者的关注。滤波器作为一个频率选择器件，在无线通信系统中起着重要的作用。许多形式的传输线被用来设计平衡式滤波器，比如：微带线、带状线、双边平行带线和基片集成波导等[1]-[6]。

传统的平衡式滤波器设计方法并不容易实现具有高共模抑制度的平衡式低通滤波器。因为对于一对差分传输线而言，其差模情况下的等效电路始终会存在虚拟接地点。比如文献[1]-[4]中的结构并不能用来设计低通滤波器，因为其差模等效电路中拥有短路接地点。因此，很少有相关的论文涉及微波频段的平衡式低通滤波器设计。据作者所知，只有文献[8]-[9]提出了一种可以用来设计平衡式低通滤波器的方法，但是这种利用缺陷地结构来抑制共模信号的方法很难在实现较宽频带范围。

如图1所示，本文提出了一种新型的微波平衡式低通滤波器。该滤波器设计基于双边平行带线结构，拥有低带内插损和较宽的共模抑制能力等优点。并且介绍了一种滤波器的简单设计方法。

二、 滤波器设计

图1为所设计的平衡式低通滤波器的结构示意图。传统的双边平行带线是一种平衡式传输线，其结构中间层为介质，介质两面为对称的信号线。因为双边平行带线的对称特性，我们可以将“地”线和“信号”线互换使用。通过将端口处成对的SMA接头中的一个反接，可以实现差模等效电路与共模等效电路的互换，反之亦然。

差模情况下的低通特性是利用端口1（2）与端口1（2）相反的信号线来实现的。图2为平衡式低通滤波器的差模和共模的等效电路以及L-C原型。

图2 所设计的低通滤波器模的等效电路以及L-C原型电路

（a） 差模等效电路

（b） 共模等效电路

（c） 差模L-C原型电路

（d） 共模L-C原型电路

对于差模情况，如文献[11]第5章所述，可利用开路枝节实现低通响应。具有较高阻抗的传输线可以等效为电感（L1、L2和L3），那么开路枝节可以等效为接地电容（C1和C2）。在本设计中，我们将3dB截止频率设定为1GHz，两个传输零点分别设置在1.66GHz和2.3GHz用来提高低通滤波器的频率选择性。其零点的计算公式如下：

（1）

对于共模响应，短路枝节可以等效为电感（L4和L5）和电容（C3和C4）的并联。其共模的谐振点由并联的L4C3和并联的L5C4控制。而且这些共模谐振频点远离差模的通带响应，所以该平衡式低通滤波器可以在较宽的频带内抑制共模信号。

表1为实现上述差模低通滤波器所需的L-C的值。图3中的蓝线部分为该低通滤波器利用L-C原型电路进行仿真的频率响应。

基于上述理论分析设计了一款差分低通滤波器。其结构参数如下：l1 = 20 mm， l2 = 20 mm， l3 = 16 mm， l4 = 14 mm， w1 = 0.5 mm， w2 = 4.5 mm， w3 = 5.75 mm。基板采用罗杰斯4003C，其介电常数为3.38，厚度32mil，损耗角为0.0027。图3中带有红色三角的曲线为该滤波器通过软件仿真得出的频率响应。由图可见，与利用L-C原型电路的仿真结果吻合良好。

三、 测试结果

为了验证其理论的正确性，我们加工了该滤波器的样品。图4为该样品的照片。该滤波器的仿真结果是通过软件Aglient ADS 和Ansoft HFSS。电路样品测试采用Aglient公司的四端口矢量网络分析仪N5230A，该仪器可以同时测出差模和共模的S参数。图3为该平衡式电路的仿真与测试结果，两者吻合良好。从该滤波器的测试结果中可以看出，低通滤波器的3dB截止频率为1GHz，插入损耗小于0.22dB。该滤波器拥有良好的通带性能，而且10dB的共模抑制能力可以达到2.7GHz。

四、 结论

本文提出了一种基于双边平行带线的平衡式低通滤波器。通过相反的端口结构实现了平衡式滤波器差模响应的低通特性。为验证该理论，设计并制造了该滤波器样品，仿真与测试吻合良好。该滤波器的通带性能良好，并擁有较宽的共模抑制能力，适用于现代无线通信系统。

致谢

项目基金：南通市科技计划项目（GY12015021）。

参考文献

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