一种高选择性宽带外抑制带通滤波器

孙 龙，卢保军，陈会永，张 跃，陈 林

(博微太赫兹信息科技有限公司 太未来实验室，安徽 合肥 230088)

0 引言

随着5G的发展以及6G预研，微波毫米波通信在无线通信和雷达系统领域扮演着越来越重要的角色，而随着5G通信的普及，对通信系统中传输的信号质量与速率提出了新的要求。微波滤波器作为现代通信系统中一个重要组成部分，滤波器的性能关乎到整个系统的通信质量的好坏与否。因此，为了提高整个通信系统的可靠性，具有高选择性、宽带宽、宽带外抑制特性[1-5]的小型化滤波器是现代滤波器发展的必然趋势。微带线滤波器作为平面结构滤波器，其特点为体积小、重量轻、便于加工和其他无源结构集成在一块PCB板上[6-10]。

本文主要研究基于Three-SIR谐振器的高选择性带通滤波器。首先，建立传输线模型，通过奇偶模理论[11-13]对枝节加载SIR的谐振特性进行分析；其次，利用传输零点的产生机理[14-17]，在传统的Three-SIR引入额外的传输零点，获得改进后Three-SIR结构；最后，通过电磁仿真对滤波器进行优化设计，最终获得一个具有小型化高选择性、宽带外抑制的宽带带通滤波器，并制作了实物来验证改进后的Three-SIR滤波器的可行性。

1 设计理论

1.1 Three-SIR谐振特性

经典的两阶SIR结构采用2段具有不同阻抗的微带线，其等效模型以及谐振特性之前已经做了详尽研究。本文通过采用Three-SIR结构获得3个谐振点，与两阶SIR结构相比较，通过对Three-SIR优化设计，其物理尺寸可以进一步缩小，下面给出其谐振特性的具体分析。Three-SIR的结构如图1所示。

图1 Three-SIR结构示意Fig.1 Three-SIR structure

Three-SIR结构由3段电长度为θ1，θ2，θ3的传输线所组成，对应的阻抗分别是Z1，Z2，Z3。与两阶SIR类似，阻抗比表达式为：

(1)

沿着图1结构的A-A’一分为二，朝左(或右)看的阻抗表达式可以计算出[16]：

(2)

满足谐振条件时，奇模和偶模情况下Zin=0和Zin=∞[15-20]。对Three-SIR研究时，与两阶SIR类似，首先令Three-SIR的3段传输线的电长度相等，即θ1=θ2=θ3，当Three-SIR处于谐振条件下时，此时前3个谐振频率对应的电长度分别为：

(3)

由上述讨论可知，3个谐振频率可以由对应的物理尺寸进行优化。在实际应用中，往往已知所需频率，从而反推出对应的物理尺寸。故当f1,f2,f3已知时，Three- SIR的阻抗比为：

(4)

式中，

(5)

1.2 传输零点的产生机理

传统Three-SIR谐振器通过2个谐振节点串联或者并联来实现多个谐振模式[11-14]，但是这种组合方法对于带外信号不具有良好的选频特性，及滤波器的矩形系数不高。为了产生传输零点和改善滤波器的矩形系数，对于主路采用并联谐振回路可以串联一个L(如图2(a)和图3(a)所示)，而对于主路采用串联谐振的回路可以并联一个L[18](如图2(b)和图3(b)所示)，此时传输零点处的谐振频率会在中心频率f0右侧，即通带右侧会产生一个传输零点。

(a) 串联

(a) 串联

以图3(a)为例进行分析，该电路的输入阻抗为：

(6)

当Z=0和Z→∞时，分别对应于S11=∞和S11=0时的谐振频率：

(7)

显而易见，ωTZ>ω0，传输零点出现中心频率f0的右侧。

2 仿真和测试

本工作提出的新型Three-SIR滤波器如图4所示，具有高选择性、宽带外抑制、宽通带的性能，其中Three-SIR谐振器为基本谐振单元。为了产生传输零点和改善滤波器的矩形系数，在传输主路上并联一个细长接地电感L，在滤波器的通带右侧产生一个传输零点。

图4 加载金属化过孔Three-SIR滤波器Fig.4 Three-SIR filter with metallized via-hole

所设计的微带线滤波器具体指标如下：其中心频率为f0=7.5 GHz，相对带宽(3 dB带宽)FBW=44%，回波损耗S11≥18 dB，带外抑制大于30 dB，传输零点分别位3.6，10.3 GHz。参数优化后得到滤波器最终的设计尺寸如表1所示。

表1 金属化过孔滤波器结构尺寸Tab.1 Structure size of the filter with metallized via-hole 单位：mm

2.1 加载金属化过孔Three-SIR带通滤波器

根据上述滤波器优化后的模型，利用标准PCB工艺对微带滤波器进行加工。所选用基板材料为Rogers4350B，H=0.254 mm，εr=3.66，tanδ=0.004，滤波器实物图如图5所示。由于基板厚度太薄在测量时易发生变形，故采用纸板作为衬底，纸板上下两面用铜箔包裹起来。测试的连接器采用免焊式2.92-KFDY090连接器。通过罗德ZVA67网络分析仪的测量，得到滤波器的测量结果如图6所示。

图5 加载金属化过孔Three-SIR滤波器实物Fig.5 Three-SIR filter with metallized via-hole

图6 加载金属化过孔Three-SIR滤波器频响特性仿真与测试结果Fig.6 Simulation and test results of frequency response characteristics of Three-SIR filter with metallized via-hole

由图6可以看出，滤波器的实测结果与仿真结果基本一致，验证了本设计的有效性。实验结果表明，通带内的反射系数S11≤-10 dB，插入损耗约为3.5 dB(包含2.92连接器接头损耗以及2.4转2.92接头损耗为1 dB)，部分频点为4.5 dB，传输零点分别在f1=3.56 GHz和f2=10.12 GHz，回波损耗分别为65，57 dB。通带附近的下阻带抑制度大于45 dB，9.8～18.3 GHz带外抑制度大于30 dB(2.45f0)。

2.2 改进设计——无金属过孔Three-SIR带通滤波器

根据图6中滤波器的测量和仿真结果可以发现，滤波器带内存在部分频点插损较大，究其原因，除了测试工装的简陋引入的误差以及接头损耗，更多的是由金属化过孔加工误差引起。在PCB加工过程中，孔的加工精度要远小于微带线的加工精度。此外，对于以99陶瓷和石英等材料作为基底，如果采用金属化过孔会增加加工工艺的难度和成本，因此基于金属过孔的Three-SIR滤波器具有一定的局限性，故在此基础上通过扇形面交流接地，从而去除由于金属过孔加工误差导致性能恶化，且能够实现相同的滤波特性，如图7所示。

图7 无金属化过孔Three-SIR滤波器Fig.7 Three-SIR filter without metallized via-hole

设计的微带线滤波器指标和金属化过孔一致。θ=45°，参数优化后得到滤波器最终的设计尺寸如表2所示。

表2 无金属化过孔滤波器结构尺寸Tab.2 Structure size of the filter without metallized via-hole 单位：mm

与图5相比，主要是将原来接地的金属化过孔换成扇形，从而降低PCB加工工艺的误差，最大程度保证了滤波器的一致性。无金属过孔的Three-SIR滤波器实物图如图8所示。

图8 无金属化过孔Three-SIR滤波器实物Fig.8 Three-SIR filter without metallized via-hole

无金属化过孔Three-SIR滤波器频响特性仿真与测试结果如图9所示。由图9以看出，滤波器的实测结果与仿真结果基本一致，验证了本设计的有效性。实验结果表明，通带内的反射系S11≤-11 dB，插入损耗约为2 dB(除去接头损耗)，传输零点分别在f1=3.66 GHz和f2=10.02 GHz，回波损耗分别为68，54 dB。通带附近的下阻带抑制度大于45 dB，上阻带抑制度大于30 dB(9.83～18.3 GHz)。证明在滤波器指标未发生改变的情况下，图7中提出扇形结构来替代金属化过孔的结构是有效的。

图9 无金属化过孔Three-SIR滤波器频响特性仿真与测试结果Fig.9 Simulation and test results of frequency response characteristics of Three-SIR filter without metallized via-hole

3 结束语

基于Three-SIR固有的宽带特性，设计了一款通带为5.8～9.1 GHz宽带Three-SIR滤波器。实测结果表明，通带范围内反射系数S11≤-11 dB，插入损耗约为2 dB，通带附近的下阻带抑制度大于45 dB，9.83～18.3 GHz带外抑制优于30 dB(2.45f0)。相较于传统的SIR或Three-SIR谐振器，本文所设计的Three-SIR具有小型化、高选择性、宽带外抑制和宽带宽；此外还具有低成本、易加工、一致性好和易于集成等优点，能够广泛地应用于现代无线通信和雷达系统中。