一种基于并联T型枝节的宽阻带低通滤波器

王仕章，彭菊红，王旭光，杨维明

(湖北大学 计算机与信息工程学院,湖北 武汉 430062)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.17

王仕章,彭菊红,王旭光,等.一种基于并联T型枝节的宽阻带低通滤波器[J].无线电通信技术,2018,44(1):82-85.

[WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,et al.A Wide Stop-band Low-pass Filter Based on T-shape Parallel Branch[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):82-85.]

一种基于并联T型枝节的宽阻带低通滤波器

王仕章，彭菊红，王旭光，杨维明

(湖北大学 计算机与信息工程学院,湖北 武汉 430062)

针对高低阻抗线结构的平面低通滤波器的阻带不够宽、截止频率的2倍频或3倍频处出现寄生通带、尺寸较大的问题,采用并联T型枝节代替高阻抗传输线的方法，利用T型枝节构成的带阻滤波支路，可以抑制寄生通带，增加阻带宽度，提高滤波器性能。以截止频率为4.25 GHz的七阶切比雪夫低通滤波器为例，实验结果表明，通带插损和回波损耗较小，过渡带陡峭，频率在13 GHz处的衰减低于-20 dB，阻带较宽，可以抑制3次谐波，同时滤波器的体积减小了，改善了滤波器的性能，可为低通滤波器宽阻带和小型化的设计及实现提供参考。

微带低通滤波器；并联T型枝节；宽阻带；小型化

TN713

A

1003-3114(2018)01-82-4

2017-11-07

东南大学毫米波国家重点实验室开放课题(K201811)

AWideStop-bandLow-passFilterBasedonT-shapeParallelBranch

WANG Shizhang,PENG Juhong,WANG Xuguang,YANG Weiming

(School of Computer and Information Engineering,Hubei University,Wuhan Hubei 430062,China)

In traditional high-low impedance micro-stripe low-pass filter,the stop band is not wide enough,the additional parasitic pass band produces in 2 or 3 times frequency and the size of the filter is too large.In order to solve these problems,this paper proposes a method of replacing high-impedance transmission line by T-shape parallel branch.The band-stop filter branch constituted by T-shaped branch can be used to suppress the parasitic pass-band,increase the width of stop band and improve the performance of filter.By taking 7-step Chebyshev low-pass filter with cut-off frequency of 4.25 GHz as an example,the experimental results show that the pass-band insertion loss and the return loss are small,the excessive band is steep,the attenuation at the frequency of 13 GHz is less than -20 dB,the stop band is wide,which can reach the harmonics suppression of 3 times,and the size of the filter is reduced and its performance is improved,and it can supply references to the design of broad stop band and miniaturization of low-pass filter.

micro-strip low-pass filter;T-shape parallel branch;broad stop-band;miniaturization

0 引言

目前，平面低通滤波器通常采用的结构是开路短截线结构或高低阻抗线结构[1-4]，这种结构原理简单，设计简便，易于实现，但其阻带一般不够宽，在截止频率的2倍频或3倍频处常会出现寄生通带；此外，一般高低阻抗线结构是采用1/4λ高低阻抗线，尺寸可能较大。文献[5]设计的电路，通过调节谐振单元和耦合单元的参数，改善了滤波器的寄生通带，阻带较宽，但滤波器的尺寸较大；文献[6-7]利用开路T型枝节等效串联微带传输线的方法，电路阻带抑制效果良好，但等效设计过程较复杂，而且当电长度较小同时微带线的阻抗较大时，采用开路T型枝节等效高阻抗串联传输线，尺寸会增大，而且此设计方案还会增加制作工艺和加工的难度。

为提高低通滤波器的阻带性能，本文提出用并联T型枝节直接代替高阻抗串联传输线，相当于在原来设计的低通滤波器中引入带阻单元，从而提高滤波器的阻带的带宽。现以七阶切比雪夫低通滤波器为例进行了设计和仿真，结果表明，滤波器通带插损和回波损耗较小，过渡带陡峭，阻带较宽，可抑制3倍频的寄生通带。

1 并联T型枝节特性分析

1.1 T型枝节代替传输线原理

并联T型枝节[8-11]代替低通滤波器[12-13]中的串联传输线的原理如图1所示。

图1 T型枝节代替传输线原理图

常规传输线的转移矩阵M1为：

(1)

T型节中，特性阻抗为Z2的传输线的转移矩阵M2为：

(2)

特性阻抗为Z3的传输线的转移矩阵M3为：

(3)

如果忽略T型节的不连续性和开路终端效应，用T型枝节代替传输线，则转移矩阵应满足:

M1=M2*M3*M2。

可得：

(4)

(5)

1.2 并联T型枝节的特性仿真分析

本文采用的并联T型枝节结构，如图2所示。设T型节中特性阻抗Z3的传输线长度变量为length，加载的开路枝节长度变量为L，宽度变量为W。

图2 并联T型节的结构图及尺寸图

利用HFSS仿真软件对图2结构的并联T型节进行仿真，观察它的带阻特性[14]。其中，仿真参数的选取为：微带线的介质厚度h=0.8 mm，介质的相对介电常数εr=2.2，输入阻抗和输出阻抗为50 Ω。

① 变量length对谐振频率的性能分析

令T型枝节的L=2.75 mm，W=1 mm，取变量length分别为4 mm、5 mm、6 mm、7mm、8 mm时，对电路进行参数扫描，得到仿真结果如图3所示。

图3 并联T型节的变量length对谐振频率的影响

从图3可以看到，length=4 mm时对应的谐振频率为6.1 GHz；length=8 mm时对应的谐振频率为4.2 GHz。可见，随着特性阻抗Z3的传输线长度length的增大，其谐振频率减小。

② 变量L对谐振频率的性能分析

令T型枝节的length=6 mm，W=1 mm，取变量L分别为2.6 mm、2.7 mm、2.75 mm、2.8 mm时，对电路进行参数扫描，得到仿真结果如图4所示。从图4可以看到，L=2.6 mm时对应的谐振频率为8.5 GHz；L=2.8 mm时对应的谐振频率为4.8 GHz。可见，随着开路枝节长度L的增大，其谐振频率在减小。

图4 并联T型节的变量L对谐振频率的影响

③ 变量W对谐振频率的性能分析

令T型枝节的L=2.75 mm，length=6 mm，取变量W分别为0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.25 mm时，对电路进行参数扫描，得到仿真结果如图5所示。

图5 并联T型节的变量W对谐振频率的影响

从图5可以看到，宽度W对谐振频率影响不明显，但当宽度比较小时，其阻带衰减比较大。

通过上述仿真结果分析，可见，通过调节T型枝节的length、L、W变量对谐振频率有一定的影响。

2 宽阻带低通滤波器设计

微带低通滤波器的设计要求为：通带截止频率为4.25 GHz，通带内波纹小于1 dB，频率为6 GHz时的衰减大于40 dB，在3倍截止频率处具有不小于20 dB的带外衰减。

2.1 高低阻抗线结构的低通滤波器设计

微带低通滤波器常用的结构为开路端短截线结构和高低阻抗线结构，这两种结构的设计过程都较为成熟，易于实现。一般的设计过程是，先设计出集总参数的归一化的低通滤波电路，再变换为高低阻抗线结构的微带滤波器。根据设计要求，选择介质基片厚度为0.8 mm，介质的相对介电常数为2.2，选用1 dB等波纹切比雪夫滤波电路。在ADS平台中，设计出七阶高低阻抗结构的微带滤波器电路，如图6(a)所示，其仿真结果如图6(b)所示，由仿真结果可以看出，滤波器的过渡带较缓， 频率为6 GHz时衰减小于-25 dB，但存在寄生通带，不能抑制多倍频的谐波分量，阻带带宽较窄。因此不满足设计要求，需进一步优化。此外，由图6还可算出，高低阻抗线结构的滤波器尺寸为35.11 mm×5.85 mm。

图6 高低阻抗微带低通滤波器电路和仿真结果

若将高低阻抗线转换为串联的传输线和并联的开路短截线相级联的结构，采取基于Richards变换与Kuroda规则的微带滤波器的设计方法，滤波器的性能会有所优化，但是滤波器的面积还会进一步增大[15]。

2.2 基于并联T型枝节的低通滤波器设计

由于并联T型枝节结构在其谐振频率处有极大的衰减，且在通带内插入损耗极小，因此在设计时，只要把并联T型枝节的谐振频率设在要限制的寄生通带的中心频率处，就能很好地抑制谐波[16-17]。为了更好地利用并联T型枝节的带阻特性，可以加载多个并联T型枝节，将上述高低阻抗结构中的高阻抗串联传输线，用T型枝节替代，得到七阶滤波器结构如图7所示。

在图7中，并联T型枝节的length为6 mm，L为2.75 mm，宽W为1 mm。微带线两端的2个并联枝节长度为5.2 mm，宽度为1.5 mm；中间的并联枝节长为5.2 mm，宽为2 mm；滤波器的尺寸为24 mm×7 mm，比高低阻抗结构滤波器面积小一些。仿真结果如图8所示。

图7 基于并联T型枝节的七阶低通滤波器

图8 基于并联T型枝节低通滤波器的仿真曲线

从图8可以看到，截止频率4.25 GHz内的插损和回波损耗小；4.8 GHz频率处衰减最大，过渡带陡峭；13 GHz频率处的衰减低于-20 dB，阻带较宽，而且到了近3倍频的寄生通带，能抑制多次谐波，尺寸面积减小，可为滤波器宽阻带和小型化设计提供参考。

3 结束语

本文设计了一种锐截止、宽阻带、结构简单、易于实现的新型的并联T型枝节低通滤波器。以七阶切比雪夫微带低通滤波器为例进行了设计与仿真，结果表明：低通滤波器通带插损小于0.5 dB，过渡带陡峭，-20 dB阻带达到了13 GHz，能抑制3次谐波，滤波器面积比高低阻抗结构滤波器的面积有所减小。本设计方法简单，便于加工，仅需要调节对T型节的谐振频率，即可以扩展阻带的带宽。这种插损低，锐截止、尺寸小、宽阻带的结构，可以推广到宽阻带的带通滤波器的设计当中，为实际电路提供参考。

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王仕章(1996—)，男，本科，电子信息工程专业，主要研究方向：微波滤波器；

彭菊红(1978—)，通讯作者，女，硕士，讲师，主要研究方向：射频微电子学。