一种三频带微带带通滤波器的设计

刘秋慧，韩跃平，吴倩楠，李孟委，王姗姗

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 微系统集成研究中心，山西 太原 030051；3.中北大学 理学院，山西 太原 030051；4.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051)

0 引 言

近年来，无线通信技术发展突飞猛进，对无线射频系统性能要求越来越高.无线射频前端主要由滤波器、混频器、天线、低噪声放大器、中频放大器、振荡器等一些射频元器件构成[1].滤波器作为射频前端的关键器件之一，在射频微波系统中起着至关重要的作用.而滤波器按照选频作用可分为：高通、低通、带通、带阻滤波器，其中带通滤波器主要是用来通过有用的频率而滤除频谱外的无用信号，其性能直接影响着无线射频前端的通信质量，近年来受到学术界和商业界的极大关注.

目前常见的微波带通滤波器[2]主要有LC集总元件滤波器[3]、微带滤波器[4]、同轴滤波器[5]、波导滤波器[6]、介质滤波器[7]、基片集成波导滤波器[8]和声表面波滤波器[9]等.其中微带滤波器由于具有体积小、成本低、易加工、易集成等优点，被广泛应用在微波通信领域中.传统的滤波器只能工作在固定的单频带，需要通过多个单频系统并联实现多频带功能.这样不仅增大了射频前端的体积、增加了频道间相互干扰，而且降低了前端系统的稳定性.因此，研究一种多频带微带带通滤波器具有重要的意义.

多频带带通滤波器的设计可以通过枝节加载谐振器[10-11]、级联多模谐振器[12-15]以及环形谐振器[16-17]等方法实现.本文设计并制作了一种多个弯折型谐振器串联而成的三频带带通滤波器，可以缩小多频带带通滤波器的结构尺寸、降低设计难度，同时易于工艺加工.此外，本文还利用网络分析仪对三频带带通滤波器样品的滤波性能进行测试，通过对比仿真结果，验证理论设计的正确性，为多频带带通滤波器的研究提供一定的技术支撑.

1 滤波器的结构设计

本文对单频、双频、三频三种微带带通滤波器进行了设计，其中结构示意图如图 1 所示，图 1(a)～图 1 (c)分别为单频、双频和三频带微带带通滤波器平面图.它们主要由基板和弯折型谐振铜层组成，基板选用聚四氟乙烯玻璃布纳米陶瓷覆铜箔板(F4B系列)材料，介电常数为2.6.三种带通滤波器左右两侧均为端口传输线，用于信号的输入和输出，其阻抗匹配均为50 Ω.以弯折型单频谐振结构为基本单元，通过多个谐振结构的串联可实现双频和三频带滤波器，并对每个谐振结构的尺寸进行优化，获得不同中心频率下的滤波性能.其中L4为输入/输出端口传输线长度，L1,L10,L11分别为单频、双频和三频带微带带通滤波器谐振结构的最大长度.三种带通滤波器的具体尺寸如表 1 所示.

图 1三种微带带通滤波器结构示意图Fig.1 Structure of three microstrip bandpass filters

参数设计值/mm参数设计值/mmL23.1W12.1L30.5W212L46W310.6L51W49.5L62W60.4L71W81L80.2W90.5L96W124L1130.6W72

这里，三种微带带通滤波器主要采用开环阶跃阻抗谐振器、U型半波长谐振器和弯折枝节加载器，其中以三频带微带带通滤波器为例，其结构的等效理论模型如图 2 所示，θ1～θ4对应物理长度为(2L5+L6+W3)，W4，(L11+2W7)，(L5+0.5L5+W3)的电长度，Y1～Y4对应物理宽度为L5，L6，L3，L5的特性导纳.图 2(a)～图 2(c)分别对应三个谐振频率的等效电路，通过合理调节结构参数，可以使谐振频率在DC～4.5 GHz的通带范围内出现三个滤波频率，理论上频率可通过式(1)～式(3)计算得到.

(1)

(2)

(3)

式中：c表示光速；εeff表示基板的有效相对介电常数.

图 2结构等效理论模型Fig.2 Structural equivalent theory model

2 滤波器的仿真与优化

本文利用有限元仿真软件HFSS建立三种微带带通滤波器的结构模型，然后通过参数扫描优化模型尺寸.并采用ADS软件把输入输出端口设置为标准的50 Ω，计算出合适的端口微带线宽度.其中HFSS仿真模型如图 3 所示，图 3(a)～图 3(c) 分别为单频、双频和三频带微带带通滤波器的仿真模型.

图 3三种微带带通滤波器仿真模型Fig.3 Simulation model of three microstrip bandpass filters

图 4(a) 和图 4(b) 分别是基板材料的相对介电常数对插入损耗和回波损耗的影响情况.仿真结果表明，基板材料的相对介电常数对带通滤波器的中心频率和插入损耗影响很小，当基板的相对介电常数减小，其回波损耗性能变好.图 4(c) 和图 4(d) 分别是基板厚度对插入损耗和回波损耗的影响情况.保持其他参数不变，当基板的厚度从0.6 mm变化到1.4 mm时，其中心频率基本保持不变，插入损耗性能会明显变好，回波损耗在基板厚度为0.8 mm时性能最佳，因此本文选用0.8 mm的基板.

图 4基板材料和厚度对三种微带带通滤波器滤波性能的影响Fig.4 Influence of substrate material and thickness on filtering performance of three microstrip bandpass filters

考虑实物加工过程中样品的介电常数、介质厚度等参数对滤波器中心频率、插入损耗、回波损耗等性能指标的影响，本文选用聚四氟乙烯玻璃布纳米陶瓷覆铜箔板(F4B系列)作为滤波器的基板材料，其介电常数为2.6，介质损耗角正切值为0.001 5.基板表面金属层选择电导率为5.8×107S/m的铜材料，其厚度为0.036 mm.

图 5结构参数对三种微带带通滤波器滤波性能的影响Fig.5 Influence of structure parameter on filtering performance of three microstrip bandpass filters

此外，本文还对滤波器的重要结构参数进行了优化工作.其中图 5(a)、图 5(b)分别是W9对插入损耗和回波损耗的影响情况.仿真结果表明：改变W9对带通滤波器的第一个中心频率没有影响，但是随着W9减小，第二、三个中心频率会逐渐向低频方向偏移，且其回波损耗性能变好.图 5(c) 和图5(d)分别是W10对插入损耗和回波损耗的影响情况.在保持其他参数不变时，W10从3.0 mm 以0.5 mm步进增大到4.5 mm时，中心频率会明显向低频方向偏移，插入损耗和回波损耗性能也较好；当W10增大到4.5 mm时性能最佳，综上考虑，本文W9和W10的设计值分别为0.5 mm, 4.5 mm.

利用HFSS优化得到的三种微带带通滤波器S参数仿真结果如图 6 所示，其中工作频率为DC～4.5 GHz.

图 6三种微带带通滤波器仿真结果Fig.6 Simulation results of three microstrip bandpass filters

图 6(a) 和图6(b)分别为单频、双频和三频带微带带通滤波器的插入损耗、回波损耗的仿真结果，结果表明，从单频带到三频带，带通滤波器的第一个中心频率依次前移.其中三频带微带带通滤波器的中心频率分别为2.16, 2.96, 3.96 GHz，插入损耗分别为-0.95 dB@2.16 GHz，-1.02 dB@2.96 GHz, -0.44 dB@3.96 GHz，回波损耗分别为-12.24 dB@2.16 GHz, -23.59 dB@2.96 GHz, -21.21 dB@3.96 GHz.

3 滤波器的测试结果与分析

根据设计指标，本文对三频带微带带通滤波器进行了样品制作与加工.F4B系列基板采用双面印刷制作，基板上下表面敷以铜箔,铜箔厚度均为0.036 mm，利用薄膜工艺在F4B基板上完成金属层图形制作.三频带微带带通滤波器样品图如图 7 所示，整个滤波器结构尺寸为40 mm×15 mm.

本文对三频带微带带通滤波器实物进行了性能指标测试.整个测试环境均在常温下进行.在测试时，首先将SMA接头焊接在微带带通滤波器的微带线上，通过转换接头将SMA接头连接于矢量网络分析仪的接口上.然后通过矢量网络分析仪对微带带通滤波器的S参数进行测试，最终获得的测试结果如图 8(a)，图 8(b) 所示，其中图 8(a), 图8(b)分别为三频带微带带通滤波器的插入损耗、回波损耗的仿真与测试结果对比图.

图 8三种微带带通滤波器测试与仿真结果对比Fig.8 Comparison of three microstrip bandpass filters test and simulation results

通过测试发现样品的滤波中心频率有三个，分别为2.23, 2.83, 4.05 GHz，与理论仿真存在一定的频率偏移，这可能是加工精度和介质基板的不均匀造成的，但不影响三频带通滤波性能.从仿真和测试结果来看，制作的三频带通滤波器的S参数性能一致性较好，测试获得插入损耗分别为-1.36 dB@2.23 GHz, -4.37 dB@2.83 GHz, -0.91 dB@4.05 GHz，回波损耗分别为-9.59 dB@2.23 GHz, -6.16 dB@2.83 GHz, -16.65 dB@4.05 GHz，带外抑制为45.64 dB@1.18 GHz.

4 结 论

本文设计并制作了一种多个弯折型谐振器串联而成的三频微带带通滤波器，利用有限元仿真软件HFSS进行结构仿真优化，通过矢量网络分析仪对滤波性能进行测试.测试与仿真数据对比表明，该带通滤波器的性能良好，S参数性能一致性较好，可以为多频微带带通滤波器的研究与应用提供技术支持.