一种分布式宽带高通滤波器的设计方法

丁 海，孟弼慧，刘志军

（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）

1 高通滤波器

高通滤波器是对低频信号有抑制要求，而某一定频点以上信号可通过的滤波器。高通滤波器理论模型是使用串联电容、并联电感来实现[1]。针对大功率应用需要的高通滤波器，电容和电感需要分布参数实现。各种分布式滤波器模型中，最佳分布式高通模型的工作带宽是最宽的，由一系列短路枝节级联而成。因为连接短路枝节的连接线是非冗余结构，也参与谐振，所以称为最佳分布式模型。最佳分布式高通模型适合2 倍频以上的滤波器设计，非常适用于设计宽带高通滤波器[2]。

短路枝节及连接线的阻抗与高通通带有关。通带越窄，短路枝节阻抗越低，而连接线的阻抗越高；通带越宽，短路枝节阻抗越高，连接线的阻抗越低。通常情况下，最佳分布式高通滤波不适合设计窄带滤波器，更适合制作宽带滤波器[3,4]。最佳分布式高通滤波主要由传输线组成，可以是微带线，也可以是空气带状线。传统方法的带线形式高通滤波器尺寸偏大，设计不灵活，如图1 所示[5]。图1 的高通滤波器采用传统的多级短路枝节串联方法设计，长度偏大，应用受限，因此需要开发一种设计灵活、结构简单的小型化宽带高通滤波器设计方法。

图1 传统高通滤波器

2 方案设计

提出一种新的宽带高通滤波器子网格设计方法，采用折叠式子网格形成一个三端口子网络，再从最佳分布式高通模型设计思路出发，采用子网络级联方式设计组成一个宽带高通滤波器，如图2 所示。子网络是利用一个短路枝节及2 侧连接线组成的一个三端口网络，通过子网络仿真确定高通滤波器的基本参数，包括中心频率、截止频率等，同时通过调整子网络中短路枝节及连接线的尺寸参数得到对应的多个谐振频率。谐振频率设置在高通滤波器的通带内，可以有效增宽高通滤波器的通带宽度，形成宽带高通滤波器。

图2 创新的三端口子网络

短路枝节电长度为θc，工作频率为fc（高通滤波器的截止频率）。枝节之间由电长度为θc的传输线连接。滤波器包含n个枝节，对于高通滤波器响应，变量f为频率，θ为电长度，比例为，滤波器的基本通带为θc～π-θc。滤波器特性可以用传输函数S21(θ)定义，即

式中：ε为纹波常数；θc为电长度；FN(θ)为滤波函数。

滤波函数可表示为

式中：n为短路枝节数。

3 算例验证

开发一款800 ～2 700 MHz 频段的高通滤波器产品，要求插入损耗不大于0.5 dB，驻波比不大于1.3，互调抑制要求满足3 阶反射互调，接头类型为N-K。仿真设计具体流程如下。

第1 步：系统仿真。建立仿真理论模型，常用的是巴特沃斯理论模型和切比雪夫理论模型。因为巴特沃斯模型可以减少带内波动，所以本设计用巴特沃斯设计方法。确定每段短路枝节尺寸与连接线的阻抗，利用理想电路等效模型得到设计参数，设计指标包括通带、阻带、过渡带及截止频率等参数，通带是信号通过的频带，阻带是抑制信号通过的频带，过渡带是通道到阻带过渡的频率范围，截止频率是允许频率通过的边沿频率点。

第2 步：将整个系统分解成若干个子系统。分解的子系统直接影响设计效率，要求最好能够相似，每一个子系统分别设定为第一节滤波器、第二节滤波器…第n节滤波器；多节滤波器实现级联，每一节滤波器先计算截止频率及带内波纹，然后通过阻带特性计算滤波器的节数。滤波器的节数越多，抑制性能越好，节数越少，抑制性能越差。

第3 步：设计子系统。先确定子系统的电气指标特性，如本项目的三端口网络需要确定特征阻抗、反射相位特性，再利用三维场仿真软件精确设计每个子系统。在三维场仿真软件中，可以利用数值计算方法，设定波端口，精确剖分网格，经过多次计算得到子系统的模拟仿真散射参数及对应的尺寸要求，使其满足系统指标。

第4 步：用子系统组成整个大系统，级联仿真大系统，微调电路结构，使其满足整体高通滤波器的性能要求。不同节滤波器级联时，需要考虑级联匹配问题，如果相邻节滤波器的阻抗不匹配，信号就会反射，传递通过的信号能量就会减弱，可以通过增加一些枝节实现信号的匹配。非相邻节滤波器存在寄生耦合的影响，需要微调枝节尺寸，消除或减弱寄生耦合。通过系统的整体仿真，可以实现滤波器的精确仿真，不同节之间实现匹配，消除寄生的耦合，最终得到整体散射参数特性。需要注意，由于仿真和实际加工存在误差，这2 个误差最好能够匹配，以提高设计的准确度。

该方法创新了三端口网络的结构方案，接头位置设计灵活，空间利用率高，整体尺寸减小，远小于传统直线形设计方法。图3 为电路模型，图4 为响应曲线。

图3 高通电路模型

图4 仿真结果

得到初步理论电路模型后，在三维结构场仿真软件中进行全腔仿真，加工实物测试，最终得到实测性能。高通滤波器全腔结构模型如图5 所示，测试响应曲线如图6 所示。

图5 高通滤波器全腔结构模型

图6 测试响应曲线

4 结 论

文章提出了一种新型分布参数的高通滤波器，采用多个模式的子网络设计方法，将子网络级联组成高通滤波器。通过对800 ～2 700 MHz 频段的高通滤波器进行设计验证，结果显示测试曲线与仿真曲线吻合良好，验证了方法的准确性和有效性，且设计灵活，结构尺寸小。