多帶外傳輸零點微帶帶通濾波器設(shè)計?

蔡得水，雷振亞，謝擁軍，2，寧高利

（1.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點實驗室，西安710071；2.北京航空航天大學(xué)電磁兼容實驗室，北京100083）

多帶外傳輸零點微帶帶通濾波器設(shè)計?

蔡得水1，雷振亞1，謝擁軍1，2，寧高利1

（1.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點實驗室，西安710071；2.北京航空航天大學(xué)電磁兼容實驗室，北京100083）

設(shè)計了一種梳狀微帶平行耦合線窄帶帶通濾波器，僅應(yīng)用兩腔結(jié)構(gòu)就實現(xiàn)了帶外5個傳輸零點。通過微帶線開路枝節(jié)，平行耦合線結(jié)構(gòu)，以及饋電位置和兩個梳狀線諧振器之間的耦合，在通帶附近引入了3個傳輸零點；四分之一波長平行耦合線接地短路結(jié)構(gòu)，在帶外高頻產(chǎn)生額外兩個傳輸零點，進而可有效抑制零點頻率附近的雜波干擾。實測結(jié)果表明，設(shè)計的濾波器中心頻率為2.38 GHz，相對帶寬4.5%，對低頻抑制大于22 dB，帶外5個零點位置與計算仿真結(jié)果吻合很好。該新型濾波器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，帶外抑制高。

微帶帶通濾波器；傳輸零點；微帶耦合線；開短路枝節(jié)

1 引言

微波濾波器廣泛應(yīng)用于雷達導(dǎo)航、微波通信、衛(wèi)星接收、電子對抗、測試儀表等系統(tǒng)中，下一代移動和衛(wèi)星通信系統(tǒng)對微波濾波器的小型化、高選擇性提出了新的要求。在濾波器的阻帶產(chǎn)生傳輸零點可有效地提高帶通濾波器的帶外特性［1］。對于微帶帶通濾波器，可以采用多種技術(shù)手段來得到帶外傳輸零點，例如由環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)組成的雙通帶濾波器［2］，應(yīng)用CSRR環(huán)結(jié)構(gòu)［3］，采用抽頭耦合結(jié)構(gòu)［4］和在不相鄰諧振腔之間引入交叉耦合的結(jié)構(gòu)［5，6］。文獻［7］中設(shè)計的帶通濾波器只利用開路枝節(jié)產(chǎn)生傳輸零點，并沒有考慮各種耦合類型的影響。微帶帶通濾波器應(yīng)用電耦合梳狀線結(jié)構(gòu)［8，9］，不對稱的輸入輸出饋線分別接入第一和最后一個諧振器，這種結(jié)構(gòu)可以獲得通帶兩側(cè)的兩個傳輸零點，但是磁耦合的情況卻沒有分析。文獻［10，11］研究討論了平行耦合微帶線一端接入不同負(fù)載的幾種情況，可以引入可調(diào)節(jié)的傳輸零點，但是對于在不對稱端接入不同負(fù)載的情況并沒有給予討論。文獻［12］應(yīng)用電磁仿真分析了串行平行微帶線濾波器斜對稱饋電結(jié)構(gòu)引入傳輸零點的情況，討論了3個可變傳輸零點，但是在高頻段的帶外選擇特性不是很好。雖然文獻［13］中設(shè)計的濾波器應(yīng)用了打孔接地短路的結(jié)構(gòu)，但是諧振器長度與所產(chǎn)生零點的位置關(guān)系并沒有給出。

本文提出了多種措施，在設(shè)計窄帶帶通濾波器時，在需要的頻率處產(chǎn)生傳輸零點，并詳細分析了幾種不同類型的微帶線結(jié)構(gòu)與最終產(chǎn)生的濾波器性能表現(xiàn)。提出的梳狀線微帶帶通濾波器只應(yīng)用兩個諧振腔，但是卻實現(xiàn)了帶外5個傳輸零點。最后對計算、仿真和實測的結(jié)果進行了對比和分析。

2 微帶線結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的相應(yīng)傳輸零點情況分析

應(yīng)用基于矩量法的Ansoft Designer電磁仿真軟件進行微帶結(jié)構(gòu)的分析和仿真，微帶基板選擇厚度為h=0.635mm，相對介電常數(shù)為εr=9.6。

2.1 平行耦合線對稱饋電結(jié)構(gòu)的分析

圖1給出了兩級梳狀線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一端開路的平行耦合線l1、微帶開路枝節(jié)l2和l3、兩腔耦合間距g1、饋線長度Lf。微帶諧振器總長度為L=l2+l3=λgo／2，其中λgo是在諧振頻率處基模的波導(dǎo)波長。平行耦合線l1是對稱端兩平行微帶線開路的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在傳輸線濾波器的設(shè)計上，以實現(xiàn)相鄰諧振器之間適當(dāng)?shù)鸟詈稀?/p>

這種結(jié)構(gòu)的雙端口網(wǎng)絡(luò)S21可以通過奇偶模理論導(dǎo)出為

式中，Z0為微帶線的特性阻抗，Zine和Zino分別為奇模和偶模輸入阻抗。當(dāng)一端開路時，產(chǎn)生傳輸零點的方程可簡化為

式中，θe和θo分別為奇偶模激勵的電長度，Z0e和Z0o為耦合線的奇偶模特性阻抗。對于耦合微帶線濾波器設(shè)計，因為Z0e大于Z0o，θe大于θo，傳輸零點將產(chǎn)生于頻率（θo+θe）／2＜π／2。圖2給出了產(chǎn)生傳輸零點時，奇偶模的速率比vo／ve、微帶耦合線的平均電長度θ=（θo+θe）／2以及奇偶模阻抗比Z0e／Z0o的相互關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，傳輸零點的位置可以通過改變耦合微帶線的奇偶模速率比和阻抗比來改變和調(diào)節(jié)。圖3所示為圖1中濾波器不同耦合間距g1的仿真結(jié)果，第一個傳輸零點Zp1的位置受耦合微帶線l1的影響，并隨著g1的改變而改變，原因在于改變耦合間距改變了耦合微帶線奇偶模的阻抗比和速率比。調(diào)節(jié)g1對其它零點的影響很小，仿真結(jié)果證明了上述理論的正確性。

2.2 四分之一波長開路枝節(jié)與相應(yīng)傳輸零點分析

圖4給出了圖1中濾波器不同長度開路枝節(jié)諧振器的仿真結(jié)果對比圖。傳輸零點的位置和枝節(jié)長度的關(guān)系為式中，l是開路枝節(jié)的長度，f為零點頻率，εeff為有效介電常數(shù)，n為模式，c為真空中的光速?？拷◣У牡诙?、三個零點Zp2和Zp3的位置，主要由開路枝節(jié)的長度決定。如圖4所示，單獨調(diào)節(jié)枝節(jié)長度，相應(yīng)的零點發(fā)生變化，而其它零點的改變卻很小。圖中標(biāo)出了4個零點的位置，其中靠近通帶的零點位置幾乎不變。同樣，可以通過式（3）計算得到圖中不同長度微帶線對應(yīng)的零點位置依次為2.04 GHz、2.13 GHz、2.75 GHz和2.90 GHz。計算和仿真結(jié)果很接近，證明了理論分析的正確性。

2.3 帶有接地短路結(jié)構(gòu)的四分之一波長耦合線

圖5所示為帶有接地短路形式的耦合微帶線及其相應(yīng)的等效電路［14］，Z1和Z2為微帶線特性阻抗，θ為微帶線電長度。電路的S21可以通過矩陣的推導(dǎo)得到：

當(dāng)滿足tanθ→∞的條件時S21→0，即存在傳輸零點，同樣零點位置與耦合線長度的關(guān)系可由式（3）得出。

3 濾波器設(shè)計和測試

為了證明前面所提出的各種微帶線結(jié)構(gòu)的實用性，如圖6所示，我們設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單緊湊的兩腔微帶濾波器，其中心頻率為2.4 GHz，介質(zhì)基板厚度為h=0.635mm，相對介電常數(shù)為εr=9.6。濾波器的第Ι部分在2.1節(jié)中給予了詳細的分析和討論，第Ⅱ部分為在輸入輸出饋線間加入微帶線形成耦合微帶線，并在中心處打孔接地短路。

濾波器的帶內(nèi)特性主要由第Ι部分決定，調(diào)節(jié)諧振器的總長度L=l2+l3來改變?yōu)V波器的中心頻率。為設(shè)計方便且不失一般性，將微帶線阻抗固定為50Ω。適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合間距g1和耦合微帶線l1長度獲得合適的兩腔耦合系數(shù)，同時調(diào)節(jié)饋電位置和饋線長度等來獲得合適的外部Q值，以滿足濾波器通帶設(shè)計要求。將微帶線的拐角進行倒角處理，進一步改善濾波器的帶內(nèi)特性。經(jīng)過相應(yīng)計算和調(diào)試，確定濾波器的最終詳細尺寸為：l1=9mm，l2= 13.9mm，l3=10.8mm，l4=9.6mm，l5=6.4mm，Lf=7.7mm；W1=0.6mm，W2=0.2mm；g1= 0.27mm，g2=0.13mm；D=0.6mm。

平行耦合線l4和l5在相應(yīng)的零點頻率電長度為90°，即四分之一波長，2.3節(jié)對此結(jié)構(gòu)進行了分析討論。圖7所示為濾波器第Ⅱ部分對應(yīng)不同長度耦合線時濾波器的S參數(shù)曲線，單獨調(diào)節(jié)l4和l5可以分別改變第四個零點Zp4和第五個零點Zp5的位置。如圖所示，與未加入耦合結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)改進了濾波器高頻帶外的選擇特性，并且抑制了二次諧波的干擾。此種結(jié)構(gòu)對其它的零點及通帶的影響很小，這就為提高高頻帶外特性提供了簡單易行的方法。同樣，可以通過2.3節(jié)中的理論分析和式（3），計算相應(yīng)長度耦合微帶線的零點位置依次為3.09 GHz、3.29 GHz、4.30 GHz和4.63 GHz。與圖中仿真結(jié)果零點位置對比可以發(fā)現(xiàn)，計算和仿真結(jié)果很接近，證明了理論分析的正確性。

最終對設(shè)計的濾波器進行加工，實物如圖8所示。濾波器的最終尺寸大約為20mm×17mm。

采用安捷倫公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A對加工的濾波器進行測試。圖9給出了濾波器S參數(shù)及傳輸零點Zp1至Zp5實測和仿真的結(jié)果對比。濾波器實測中心頻率2.38 GHz，相對帶寬為4.5%，對低頻帶外抑制大于22 dB，帶外低頻和高頻分別產(chǎn)生兩個和3個傳輸零點。

表1給出了濾波器帶有衰減值的傳輸零點計算、仿真及實測結(jié)果。通過圖表可以發(fā)現(xiàn)，零點位置的計算、仿真及實測結(jié)果吻合得很好，它們之間細微的誤差是可以接受的。盡管因為介電常數(shù)的不均勻性和加工誤差及測試環(huán)境的影響，仿真和實測在帶外高頻有所差別，但是濾波器的傳輸響應(yīng)仍然和所提出的相應(yīng)結(jié)構(gòu)理論對應(yīng)，再次驗證了所提出的設(shè)計方法的有效性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)新穎緊湊的微帶窄帶帶通濾波器，詳細分析了不同結(jié)構(gòu)微帶線產(chǎn)生傳輸零點的原理，通過巧妙設(shè)計實現(xiàn)了微帶兩腔結(jié)構(gòu)和帶外5個傳輸零點。通過調(diào)節(jié)開路枝節(jié)和不同結(jié)構(gòu)的耦合微帶線，可以將5個傳輸零點調(diào)節(jié)到需要的合適位置，抑制相應(yīng)的頻率干擾，進而實現(xiàn)良好的帶外特性。與參考文獻中列舉的部分濾波器相比，產(chǎn)生了更多的傳輸零點，為設(shè)計增加了更大的靈活性，提供了更廣闊的設(shè)計空間。本文提出的新方法和結(jié)構(gòu)，盡可能多地產(chǎn)生帶外零點來滿足窄帶帶通濾波器苛刻的帶外特性要求，對窄帶濾波器設(shè)計有一定的理論和工程指導(dǎo)意義。計算、仿真和實測的結(jié)果吻合很好，進一步證明了所提出的理論和設(shè)計的準(zhǔn)確性。

［1］Hong JS，Lancaster M J.Microstrip filters for RF／microwave applications［M］.New York：JohnWiley＆Sons，Inc.，2001.

［2］LIU HW，SHEN L，GUAN X H，etal.Compact dual-band bandpass filter using octagonal split-ring resonatorswith sidecoupled stubs［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（5）：1169-1171.

［3］FU SH，TONG CM.A novel CSRR-based defected ground structure with dual-bandgap characteristics［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（12）：2908-2910.

［4］Wada K，Awai I.A CPW resonator BPFwithmultiple attenuation polesand itsminiaturization［C］／／Proceedingsof1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Anaheim，CA：IEEE，1999：1139-1142.

［5］Cameron R J.General couplingmatrix synthesismethods for chebyshev filtering function［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47（4）：433-442.

［6］Montejo-Garai JR，Rebollar JM.Synthesis and design of N-order filters with N-transmission zeros by means of sourceload direct coupling［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2001，29（4）：248-252.

［7］Quendo C，Rius E，Person C.Narrow bandpass filters using dual behavior resonators based on stepped-impedance stubs and different length stubs［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2004，52（3）：1034-1044.

［8］Hsieh L H，Chang K.Tunable microstrip bandpass filters with two transmission zeros［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51（2）：520-525.

［9］TSAICM，LEESY，TSAICC.Performance ofa planar filter using a 00feed structure［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50（10）：2362-2367.

［10］Tsai CM，LEE SY，LEEH M.Transmission-line filterswith capacitively loaded coupled lines［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2003，51（5）：1517-1524.

［11］Matsuo M，Yabuki H，Makimoto M.The design of a halfwavelength resonator BPF with attenuation poles at desired frequencies［C］／／Proceedings of2000 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest.Boston，MA，USA：IEEE，2000：1181-1184.

［12］ZHUY Z，XIEY J，F(xiàn)ENGH.Two-cavity filterwith three transmission zeros［J］.IEEEMicrowave and Wireless Components Letters，2008，18（5）：317-319.

［13］MA K X，MA JG，DO M A，et al.Compact two-order bandpass filter with three finite zero points［J］.Electronics Letters，2005，41（15）：846-848.

［14］MatthaeiG L，Young L，Jones E M T.Microwave filters，impedance-matching networks，and coupling structures［M］. Norwood，MA：Artech House，1980：214-228.

CAIDe-shuiwas born in Qian′an，Hebei Province，in 1987. He received the B.S.degree from Xidian University in 2009.He is now a graduate student.His research concernsmicrowave and RF circuits and antenna.

Email：deshuicai＠163.com

雷振亞（1960—），男，陜西西安人，1991年獲西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為微波無源電路、微波有源電路、微波天線及微波系統(tǒng)等；

LEIZhen-ya was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1960. He received the M.S.degree in Electromagnetic Field and Microwave Technology from Xidian University in 1991.He is now a professor and also the instructor of graduate student.His research concernsmicrowave passive circuits，active circuits，microwave antennas and systems，etc.

謝擁軍（1968—），男，安徽滁州人，1996年獲西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為微波與計算電磁學(xué)、微波通信、電磁兼容、天線及電波傳播特性等；

XIE Yong-jun was born in Chuzhou，Anhui Province，in 1968.He received the Ph.D.degree in Electromagnetic Field and Microwave Technology from Xidian University in 1996.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concernsmicrowave and computational electromagnetism，microwave communication，EMC，microwave antennas and radio waves propagation characteristics，etc.

寧高利（1987—），男，陜西寶雞人，2009年獲西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為射頻微波放大器、射頻微波有源電路和微帶天線等。

NINGGao-liwas born in Baoji，Shaanxi Province，in 1987. He received the B.S.degree from Xidian University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns RF and microwave amplifiers，RF and microwave active circuits，microstrip antennas.

Design of a Microstrip Bandpass Filter with Multiple Transmission Zeros

CAIDe-shui1，LEIZhen-ya1，XIE Yong-jun1，2，NINGGao-li1
（1.National Key Laboratory of Antenna and Microwave，Xidian University，Xi′an 710071，China；2.EMC Lab，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China）

Amicrostrip hairpin parallel-coupled narrow-band bandpass filter（BPF）is proposed，which uses only two coupled resonators to realize five transmission zeros.Due to the open-circuited stubs，the open-circuited parallel coupled-lines，tapped feeding position and coupling between two hairpin resonators，three transmission zeros in the vicinity of the passband are introduced.Two quarter-wavelength parallel coupled-lines sharing the same via hole grounding can contribute two additional transmission zeros beyond the passband，which can suppress the frequency interference near the zero points.Measured results show that the filter has the fractional bandwidth of 4.5%with the center frequency of2.38 GHz and aminimum out-band loss of22 dB in the lower band.Themeasured positions of the five transmission zeros agree well with the analyticalmodel and numerical simulations.The proposed bandpass filter has such advantages as compactsize，simple structure and high selectivity in the stopband.

microstrip bandpass filter（BPF）；transmission zeros；microstrip coupled lines；open or short stubs

TN713

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.018

蔡得水（1987—），男，河北遷安人，2009年獲西安電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為微波射頻電路和天線；

1001-893X（2011）11-0089-05

2011-07-11；

2011-09-02