基于SIR的准椭圆函数微带带通滤波器设计

刘凯正，刘仕琴，向天宇，郑晓缘，雷 涛

（1. 贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 吉安职业技术学院 机械与电子工程学院，江西 吉安 343000）

现代无线通信系统对射频滤波器的小型化、高性能方面的要求越来越高，而提高滤波器的选择性与带外抑制度是提高射频滤波器性能的主要发展方向之一。对于微带滤波器而言，目前提高滤波器的选择性与带外抑制度的主要方法包括：1、增加传统单模滤波器的阶数来提高滤波器的选择性和带外抑制度，如梳状结构、交指结构、发夹结构等[1-2]；2、通过交叉耦合[3]或源负载耦合[4]等方式引入带外传输零点来提高滤波器的选择性和带外抑制度，如级联三胞（CT）结构、级联四胞（CQ）结构等[5]。此两种方法都存在着电路尺寸过大，带内插入损耗较高的缺点，并且由于这两类滤波器耦合结构较复杂，优化参数较多，优化设计时间成本较高；3、通过双模或多模滤波器方法实现具有多传输零点的微带滤波器，其主要优点是设计简单，滤波器尺寸较小，带内插入损耗较低，但此方法大多采用单阶谐振器，因而带外抑制度大多在25 dB左右，带外抑制度比较低[6-8]。本文首次提出一种基于阶梯阻抗谐振器（SIR）的两阶带通滤波器，采用边缘耦合的方式，实现具有两个传输零点的小型化准椭圆函数带通滤波器。该款滤波器结构简单，易于设计，具有较高的选择性与带外抑制度，并且带外一次杂散得到有效抑制。

1 滤波器结构设计与分析

滤波器主要由输入/输出（I/O）微带传输线结构与两个SIR组成。输入/输出微带传输线结构包括与SIR进行耦合的部分以及与外电路进行连接的部分，该部分的传输线特性阻抗为50 Ω。SIR包括高阻抗线部分与低阻抗线部分，具体结构见图1。

图1 带通滤波器结构Fig.1 Structure of bandpass filter

滤波器奇偶模等效电路如图2所示，Z1、θ1表示低阻抗线的特性阻抗与电长度，Z0o、Z0e、θ0表示耦合线的奇模阻抗与偶模阻抗以及耦合线的电长度。由于该滤波器具有对称结构，因此可以采用奇偶模方法对滤波器的传输零点进行分析[9]。奇偶模等效电路如图2所示，假设θ0=θ1=θ，偶模输入阻抗Zine与奇模输入阻抗Zino分别为：

图2 滤波器奇偶模等效电路Fig.2 Odd-even mode equivalent circuits

根据传输零点的产生条件Zine=Zino，可以得到传输零点的频率为：

公式(3)、(4)表明滤波器上下阻带各有一个传输零点，提高了滤波器的选择性与带外抑制度。

2 滤波器设计

介质材料为Rogers4350，相对介电常数为3.48，厚度为0.508 mm，铜模厚度为0.035 mm。采用ADS电磁仿真软件对滤波器进行仿真分析，设置初始参数L1=12.2 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.25 mm，S2=0.2 mm，S3=0.2 mm，高阻抗线长度L1、低阻抗线的长度L2以及低阻抗线宽度W2对滤波器频率响应的影响如图3、4、5所示，L1、L2、W2越大，滤波器通带中心频率越低，可以通过调节长度L1、L2、W2改变滤波器的中心频率；L1、L2、W2不仅影响滤波器的带宽，而且影响一次杂散的频率以及一次杂散处的抑制度。

图3 高阻抗线长度L1对滤波器响应的影响Fig.3 Effects of length L1 on frequency response

图4 低阻抗线长度L2对滤波器响应的影响Fig.4 Effects of length L2 on frequency response

图5 低阻抗线宽度W2对滤波器响应的影响Fig.5 Effects of width W2 on frequency response

滤波器频率响应随两个SIR的耦合间隙S1的变化如图6所示，耦合间隙S1主要影响滤波器的带宽，S1越小，带宽越大。滤波器频率响应随 I/O馈线与谐振器的耦合间距S2的变化如图7所示，耦合间距S2主要影响滤波器的回波损耗S11。

图6 谐振器耦合间距S1对滤波器响应的影响Fig.6 Effects of distance S1 on frequency response

图8 滤波器实物图Fig.8 Photograph of the fabricated filter

图9 滤波器仿真测试结果Fig.9 Simulated and measured filter performances

优化得到滤波器的尺寸为L1=11.8 mm，W1=0.6 mm，L2=4 mm，W2=1.5 mm，S1=0.32 mm，S2=0.18 mm，S3=0.2 mm。加工的滤波器实物如图8所示，滤波器有效尺寸为 16 mm×3.32 mm，等于 0.45λg×0.093λg（λg为通带中心频率的波导波长），采用矢量网络分析仪Agilent N5230A对滤波器的S参数进行测试，滤波器仿真测试结果如图9所示，滤波器通带中心频率为4.95 GHz，带宽为762 MHz，相对带宽为15.4%，带内最小插入损耗为1.6 dB，两个传输零点分别位于2.34 GHz、6.3 GHz，回波损耗大于15 dB，通带附近的下阻带抑制度大于 40 dB，上阻带抑制度大于35 dB，阻带一次杂散的抑制度大于25 dB，上阻带宽度为9 GHz。该款滤波器与参考文献中微带结构滤波器的指标对比如表1所示，对比可知，该款滤波器带内插损较小，结构更加紧凑，选择性与带外抑制度更高。

表1 与其他文献滤波器技术指标的对比Tab.1 Comparison with other titles reported bandpass filters

3 结论

本文基于 SIR，采用边缘耦合的方式，实现了具有两个传输零点的准椭圆函数带通滤波器，采用两阶 SIR，在几乎不增加滤波器尺寸的情况下，有效提高了滤波器的带外抑制度，并且有效抑制了阻带的一次杂散，SIR谐振器的低阻抗线增加了滤波器设计的自由度。该款滤波器设计简单，结构紧凑，带内插损低，选择性与带外抑制度高，能够广泛应用于无线通信系统中。

参考文献：

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