基于阶梯阻抗谐振器的宽带带通滤波器设计

贵州师范大学机械与电气工程学院 刘凯正

0 引言

由于宽带滤波器的带宽优势，令其在通信领域备受瞩目[1]，同时引起了相关专家学者对宽带滤波器的进一步研究，提出了多种设计方法[2-6]。程巍[2]等利用半波长槽线结构设计的宽带滤波器，相对带宽达到100%，具有明显的带宽优势，但通带两侧并未产生传输零点，从而限制了滤波器的频选特性及阻带抑制力。赵兰、刘伟[3]利用高低通滤波器级联法设计了一款具有陡峭边带特性的宽带滤波器，但级联法不利于滤波器的小型化。宛新文[4]等利用缺陷地结构（DGS）设计的宽带滤波器，实测与仿真结果吻合较好，但其相对带宽只有7%，且模型结构复杂。钱颖[5]等利用三线耦合线结构设计了一款具有三个传输零点的宽带滤波器，在带宽、频选、通带边缘陡峭度及带外杂散抑制等方面均具有较好的性能。

本文基于三阶阶梯阻抗谐振器（SIR）结构设计了一款宽带带通滤波器。利用加载终端短路枝节、开路枝节的两个谐振器的相互作用，使谐振模式发生变化（双模变为三模），利于滤波器的宽带特性及灵活调节性。通过谐振器之间、输入/输出馈线与谐振器之间的缝隙耦合，令通带两侧产生了两个传输零点，有效提升了滤波器的频选特性。

1 阶梯阻抗谐振器分析

图1 三阶阶梯阻抗谐振器基本结构

图1所示为三阶阶梯阻抗谐振器基本结构，由a,b,c三段传输线连接而成（另一谐振器终端开路，即c段传输线无接地过孔，其他结构均相同，故只用图1说明）。

根据传输线理论，图1所示三阶阶梯阻抗谐振器发生谐振的条件为[7]：

短路时谐振条件为：

其中Zi（i=1,2,3）分别为a,b,c三段传输线的阻抗值，Zi/ Zj（i,j=1,2,3,i≠j）为每两段传输线之间的阻抗比，θi（i=1,2,3）为对应的电长度，β为相位常数。

由公式(1)-(3)可知，在SIR各段传输线间阻抗比一定时，其谐振条件主要取决于各段传输线的物理长度。

为探究终端开路、终端短路的三阶阶梯阻抗谐振器的谐振模式，将图1中谐振器结构在HFSS13.0电磁仿真软件中进行仿真，选用Rogers 4350介质板，相对介电常数为3.48，损耗角正切值0.0002，厚度为0.508mm。模型参数为：L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，接地过孔半径r1=0.2mm。其仿真结果如图2所示。

图2 三阶阶梯阻抗谐振器频响曲线

由图2可知，终端开路及终端短路型三阶SIR结构均在某频率范围内产生两个谐振频率，即其实质为双模谐振器。

2 宽带带通滤波器设计

图3所示为本文所述宽带滤波器拓扑结构。两个三阶SIR对称分布，输入/输出馈线与谐振器之间采用缝隙耦合方式。

图3 宽带带通滤波器拓扑结构

在上一节的讨论分析中已经证实了三阶SIR为双模谐振器。通过两个主体结构相同，终端结构不同的SIR相互作用，在输入/输出馈线与谐振器之间合理耦合的条件下，可改变滤波器整体的谐振模式。图4为上图中滤波器结构在弱耦合条件下的仿真结果，各参数同上，其他参数为：L0=10mm，L4=5mm，W0=1.06mm，W4=0.2mm，缝隙值S1=S2=0.5mm。

图4 滤波器弱耦合仿真曲线

由图可知，SIR间的相互作用，加之合理调节各部分模型参数，使滤波器整体表现出三模特性，改变了单一三阶阶梯阻抗谐振器的谐振模式，更加利于滤波器的宽带特性。经过仿真优化，图3中滤波器模型的最终参数为：L0=10mm，L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，L4=8.8mm，W0=1.06mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，W4=0.2mm，缝隙值S1=S2=0.2mm过孔半径人r1=0.2mm。仿真结果如图5所示。

图5 滤波器最终仿真频响曲线

由图可知，本文所设计的基于三阶SIR谐振器结构的滤波器具有明显的宽带特性。仿真结果显示，3dB带宽约为4GHz，（频率范围为3.42-7.42GHz），相对带宽达到73.73%，中心频率约为5.42GHz，通带内最小插入损耗S21约为-0.41dB，最大回波损耗S11约为-13.66dB。两个传输零点坐标分别为（2.8，-49.47）和（8.2，-46.61）。

3 结论

通过理论分析三阶阶梯阻抗谐振器的谐振条件，并经过仿真实验证明了其双模谐振器的本质特征。通过合理调节终端开路及终端短路的两个三阶SIR结构参数，使单一SIR的双模谐振特性变为滤波器的三模特性，利于通频带的灵活调节。通过SIR谐振器之间、SIR与输入/输出馈线之间的适度耦合，使滤波器具有一定带宽特性，且通带两侧的两个传输零点有效提升了滤波器的频选特性及通带边缘陡峭度。

[1]黄凯,张申,卑璐璐.基于反耦合线的宽带带通滤波器设计[J].电子元件与材料,2015,34(4):39-42.

[2]程巍,章腾辉,吴佳佳,等.基于半波长槽线的宽带带通滤波器设计[J].浙江理工大学学报,2017,37(5):687-690.

[3]赵兰,刘伟.级联法实现宽带LC带通滤波器设计[J].无线电工程,2010,40(8):42-45.

[4]宛新文,何宏庆,李民权,等.一种新型DGS宽带带通滤波器[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2017,40(1):59-62.

[5]钱颖,张凤娟,靳静.结构紧凑的高选择性宽带带通滤波器[J].电子器件,2016,39(5):1059-1062.

[6]杨勇,孙利国,漆威,等.一种新颖羊角形缺陷地结构宽带带通滤波器[J].压电与声光,2016,38(1):28-31.

[7]吴奕霖,王新怀.E型可调多枝节SIR双通带滤波器[J].微波学报,2016:230-233.