小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案

小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案0、引言近年來，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展，小型化、寬阻帶性能的濾波器在實(shí)際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器和半波長平行耦合線濾波器的寄生通帶都位于中心頻率的2倍處，而傳統(tǒng)的階躍阻抗諧振濾波器的寄生通帶在中心頻率的2.5倍處左右，應(yīng)用時(shí)很難獲得寬阻帶的抑制效果。而且此類濾波器的尺寸較大，阻帶窄，受微帶加工最小寬度的限制，濾波器的性能受到一定的制約。為了得到陡峭的衰減邊沿及更好的阻帶特性，需要增加短路或開路短截線數(shù)，但這會(huì)進(jìn)一步增大電路尺寸，并且在通帶內(nèi)引入更多的插入損耗。通過在有限頻率處引入傳輸零點(diǎn)可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑制。在濾波器的設(shè)計(jì)中，交叉耦合被廣泛用來在阻帶引入有限傳輸零點(diǎn)，這些傳輸零點(diǎn)可以很好地改善帶邊過渡特性及阻帶抑制能力。本文首先分析了階躍阻抗諧振器的結(jié)構(gòu)原理、三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理,隨后提出了一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，其寄生通帶在中心頻率的約4倍處，比一般的濾波器具有更寬的阻帶，并對仿真與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了分析，且得到了較好的一致性。1、基本設(shè)計(jì)理論1.1階躍阻抗諧振器原理階躍阻抗諧振器常采用λg/4型、λg/2型或λg型三種基本諧振結(jié)構(gòu)，其中λg/2型諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為非等電長度半波長結(jié)構(gòu)，由特征阻抗分別由Z1和Z2的傳輸線組成，其對應(yīng)電長度為θ1和θ2.如果忽略結(jié)構(gòu)中的階躍非連續(xù)性和開路端的邊緣電容，從開路端看的輸入導(dǎo)納Yin為：式中：K為阻抗比，定義為K=Z2Z1.為設(shè)計(jì)方便，取θ1=θ2=θ，則式(1)簡化為：其諧振條件為：Yin=0,得其基頻振蕩條件為K=Z2Z1=tan2θ。由此公式可知，階躍阻抗諧振器的諧振條件取決于電長度θ和阻抗比率K.1.2三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理對于窄帶濾波器，其三階交叉耦合濾波器的等效電路如圖2所示。相鄰諧振器間的耦合用M12和M23表示，交叉耦合用M13表示。外部品質(zhì)因數(shù)Qe1和Qe3各表示輸入和輸出耦合。圖2所示的耦合濾波器等效電路可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)低通原型濾波器形式，如圖3所示。其中每個(gè)矩形框代表一個(gè)頻率不變的J導(dǎo)納變換器。在一個(gè)對稱的二端口電路中，J12=J23=1,g0=g4=1,g1=g3,B1=B3.2、濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例根據(jù)以上介紹的基本原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3550MHz,相對帶寬10%(絕對帶寬為355MHz)，通帶內(nèi)回波損耗為-20dB,高端4~13GHz的抑制要大于20dB的濾波器。采用的板材是Rogers5880,其介電常數(shù)為2.2,介質(zhì)損耗角正切為tanδ=0.0009,厚度為0.508mm,銅箔厚度為0.018mm,其電導(dǎo)率為5.7×107S/m.根據(jù)上面的三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理，可以得到三階交叉耦合濾波器的低通原型參數(shù)值為[5]:g1=g3=0.757,g2=0.921;B1=B3=0.098,B2=-0.46;J12=J23=1,J13=-0.237.且可得：式中：f0為諧振頻率;f3dB為單端激勵(lì)時(shí)諧振器的輸入或輸出3dB帶寬。從而可以得到濾波器的初步的物理尺寸，再接合全波仿真軟件仿真優(yōu)化，最終得到濾波器的版圖如圖4所示，其具體的物理尺寸見表1.圖5為該濾波器的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到在3.95~13.27GHz的阻帶內(nèi)，其抑制在-20dB以下。其在高端產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2,其頻率分別為3.99GHz和4.55GHz,其衰減分別為-53.83dB和-61.25dB.從圖5中可以看到寄生通帶的中心頻率為13.98GHz,使其諧波抑制達(dá)到3.92倍頻，可以看到其寬阻帶抑制的特性。圖6為加工實(shí)物圖，可以看到其尺寸相對于傳統(tǒng)的濾波器小了很多，說明了此結(jié)構(gòu)具有小型化的優(yōu)點(diǎn)。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸(除了饋線外)僅為12.2mm×11.5mm,即0.21λg×0.2λg,λg是在中心頻率處的波導(dǎo)波長。由表2可知，本文所提的小型化寬阻帶濾波器的各項(xiàng)性能大大優(yōu)于已有文獻(xiàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[7]是基于接地開口環(huán)的微帶濾波器。是微帶發(fā)夾型SIR濾波器，與它們相比，本文提出的濾波器的面積最大減小了63.5%,由此可見，此濾波器具有小型化寬阻帶的特性。使用的測試儀器為Agilent公司的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在常溫條件下對該濾波器進(jìn)行測試，實(shí)際測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，如圖7所示。從實(shí)測結(jié)果來看，中心頻率為3.63GHz,帶內(nèi)最小插入損耗為1.01dB,帶內(nèi)反射優(yōu)于17.25dB.在高端有2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ1和TZ2,其衰減分別為-33.12dB和-52.87dB.從圖7中可以看到，在4.106~13.1GHz內(nèi)，其抑制達(dá)22.45dB以上，這說明此濾波器具有很寬的阻帶抑制特性。從仿真與實(shí)測對比可以看出，仿真與實(shí)測穩(wěn)合較好，具有較好的一致性。只是中心頻率稍微有點(diǎn)偏移，且?guī)捝晕⒆儗捔艘稽c(diǎn)，造成這樣誤差的主要原因可能是由于制作工藝上的偏差，由于此結(jié)構(gòu)中最小的間距是0.1mm,通常要求的最小間距是0.2mm;還有板材的不均勻性、不一致性，以及各種損耗，包括SMA接頭損耗、介質(zhì)基板銅箔的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等，這些因素都會(huì)對實(shí)測結(jié)果造成相應(yīng)的影響。3、結(jié)論本文提出了一種小型化寬阻帶特性的濾波器的設(shè)計(jì)方案。該方案設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3550MHz,相對帶寬為10%,高端抑制有2個(gè)傳輸零點(diǎn)的濾波器，使阻帶抑制在3.95~13.27GHz小于-20dB,使寄生通帶在中心頻率的3.92倍處。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸僅為0.21λg×0.2λg,相比于其他發(fā)夾型SIR濾波器，此濾波器的體積減小了63.5%.仿真結(jié)果和實(shí)測