浅析平衡式双通带独立可控带通滤波器设计

方晓明

摘 要 随着社会经济的发展，我国提出一种基于多模谐振器的平衡式双通带带通滤波器。该设计合理利用谐振器和加载枝节的长度分别调节2个通带的中心频率；利用金属化通孔耦合以及谐振器之间的宽边耦合分别控制2个通带的耦合系数；通过控制馈线与谐振器以及与加载枝节之间的间距分别控制2个通带的外部品质因数，最终实现双通带频率和带宽的独立控制。为了验证所提出的结构，设计了一款平衡式二阶带通滤波器，其测试与仿真结果较吻合，表明了滤波器具有较好的差模通带性能以及良好的共模抑制能力。

关键词 平衡滤波器；独立控制；共模抑制

引言

随着无线通信技术的快速发展，具有多频特性的微波电路和系统前端越来越受到学术界和工业界的关注。在这个报告中，将介绍几款具有丰富设计自由度的新型多模谐振结构，并应用于多频平衡滤波电路设计。我们还将重点介绍基于多模谐振结构和高温超导材料的高阶平衡式多频带滤波器设计和应用。基于高温超导材料的平衡滤波器电路具有低损耗、高选择特性和强共模噪声抑制，可以极大提高接收机前端灵敏度和抗干扰性能，在极端条件移动通信系统、射电天文和深空探测中具有潜在、广阔的应用空间。

1 双通带平衡式滤波器

为了充分利用现阶段的频谱和通信设备资源，保证通信系统能够同时工作在多个频段，这一问题的有效解决途径是使用多通带的微波通信系统。而平衡式双通带滤波器是平衡式通信系统中不可或缺的器件[1]。

2 平衡式滤波器设计

2.1 耦合系数

本文设计的滤波器是通过拟合谐振器之间的耦合以及馈线和谐振器之间的耦合实现。平衡式滤波器有2个耦合区域，耦合区域Ⅰ是2个谐振器之间的缝隙耦合，它对低频和高频通带的耦合系数都有影响，且耦合系数主要受耦合区域Ⅰ微带线的长度和缝隙间的宽度控制；耦合区域Ⅱ是金属化通孔耦合，它主要影响低频通带的耦合系数，且耦合系数主要受微带线宽度和金属化通孔的半径控制。基于耦合谐振理论，耦合强度可由耦合系数表征。耦合系数的提取可由（1）式得出：

（1）式中：K12是耦合系数；f1和f2指的是在馈线和谐振器之间为弱耦合时，通带中S21的2个尖峰的频率。

2.2 外部品质因数

馈线和谐振器之间的耦合可以通过外部品质因数Qe来表示。为了提取外部品质因数，在提取时只保留了一对差分端口和一个谐振器。提取外部品质因数Qe的公式为：

（2）式中：f0表示中心频率；f±90°表示与f0上下相差90°处的频率。依据（2）式提取参数计算并画出了图1。从图1中可以看出，低频通带的Qel隨着馈线与加载枝节之间的间距c增大而增大，而高频通带的Qeh基本不随馈线与加载枝节之间的间距c变化；低频通带的Qel随着馈线与谐振器之间的间距b增大而增大，而高频通带的Qeh随着馈线与谐振器之间的间距b的变化较小；由图2可知，馈线与加载枝节之间的间距c主要影响低频的Qel，而馈线与谐振器之间的间距b主要影响高频的Qeh。因此，可以确定该滤波器2个通带的外部品质因数Qe是独立可控的[2]。

3 实验测试结果

根据上述的理论分析和设计思想，滤波器由上下对称的两面和中心插入金属面组成，中间有一层中心插入导电平面，构成DSPSL结构。其上下面的结构分别由两个两端接地的λ/2SIR谐振器组成。谐振器两端为两个TGV通孔结构，通过两个33Ω，电阻接地，用来实现共模抑制；谐振器中心加载0.7 pF电容实现双通带特性。仿真实验验证了所设计的双频带平衡带通滤波器具有良好的差模频率响应和共模抑制效果[3]。

4 结束语

综上所述，本文提出了一种小型化的平衡式双通带带通滤波器，并且本文所提出的滤波器有很好的共模抑制能力、更加紧凑的尺寸，而且双通带的频率、耦合系数和外部品质因数都是独立可控的。该滤波器的仿真和测试的结果吻合良好。由于该滤波器具有很好的共模抑制能力和紧凑的尺寸，使得该滤波器能够适用于许多微波通信系统。

参考文献

[1] 陈新伟.平衡双频带通滤波器及滤波天线的研究与设计[D].西安：山西大学，2013.

[2] 于鹏飞.新型双通带平衡带通滤波器的研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[3] 陈建忠.滤波微波器件的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2013.