零點可控的1/4波長諧振器濾波器

陳依軍，胡柳林，劉云剛，金 珠

（成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610016）

0 引言

在無線電技術(shù)中，濾波器一直以來是許多設(shè)計問題的中心[1-2]。平面濾波器由于其更簡易的制造工藝，低成本，適于商業(yè)活動的特點而越來越廣泛地應(yīng)用于微波/射頻電路系統(tǒng)中[3-6]。但是隨著人們需求的激增，對濾波器提出越來越嚴(yán)格指標(biāo)，其中帶外抑制也成為了濾波器設(shè)計的中心問題之一，而在帶外增加傳輸零點可以實現(xiàn)比較好的抑制效果。文獻[7]提出了一種 1/2波長有限頻率傳輸零點平行耦合微帶濾波器，但是其不能實現(xiàn)對零點的可控，且結(jié)構(gòu)不緊湊。文獻[8]則提出一種利用相鄰兩個諧振器之間的混合耦合從而在通帶附近產(chǎn)生可控零點的濾波器。

為簡化零點可控設(shè)計并縮小器件尺寸，在此擬引入微帶耦合諧振器來設(shè)計相關(guān)濾波器。諧振器之間靠平行的微帶傳輸線耦合，諧振器長度為中心頻率的1/4波長。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，其通帶附近會產(chǎn)生一個零點，通過調(diào)節(jié)耦合部分的長度可以輕松實現(xiàn)傳輸零點的可控。

1 微帶耦合線零點產(chǎn)生原理

對于一段端接任意負(fù)載的傳輸線，其微帶耦合傳輸線可用奇偶模分析法分析得到端口的傳輸系數(shù)。圖1所示為一段特性阻抗為Zc，長為θ的微帶耦合傳輸線。其中Zoo和Zoe分別表示為微帶耦合線的奇模和偶模特性阻抗，令3、4端口開路。根據(jù)微帶耦合傳輸線的奇偶分析法可得1、2端口的傳輸系數(shù)為[9]:

令S21=0，可以得出零點時耦合微帶線的電長度為:

因此零點頻率fz為:

圖1 長度為θ的耦合微帶線

2 濾波器設(shè)計步驟

圖2所示為零點可控的1/4波長諧振器濾波器結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)微帶諧振器的長度為中心頻率1/4波長，耦合長度為零點頻率處1/4波長，可以得:

根據(jù)公式（5），首先需要設(shè)計濾波器的中心頻率為f0，由此計算得到相應(yīng)的1/4波長長度L1+L2+L5。其次設(shè)計零點頻率 fz，計算求得相應(yīng)1/4波長長度L2。通過改變兩個諧振器之間距離S1實現(xiàn)帶寬的調(diào)節(jié)，當(dāng) S1增大，耦合量降低，使得帶寬變寬。最后調(diào)節(jié)L4來改變?yōu)V波器的外部品質(zhì)因數(shù)，改善濾波器性能。

圖2 濾波器結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計實例

圖3所示為濾波器實物圖。該濾波器設(shè)計中，采用介電常數(shù)為2.55，基片厚度為0.8 mm，損耗正切為0.001的F4B介質(zhì)基片。濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:

圖3 濾波器實物

圖4是濾波器的測量和仿真結(jié)果圖。從圖4（a）可以看出，濾波器的中心頻率被設(shè)計為2 GHz，帶寬為190 MHz，零點位于通帶右側(cè)的3.06 GHz處，最小插入損耗為1.14 dB，實測中心頻率為1.97 GHz，零點位于通帶右側(cè)的2.86 GHz，最小插入損耗為147 MHz。圖4（b）所示為濾波器的寬帶響應(yīng)，可以看出，濾波器的寄生通帶在3倍中心頻率處。傳統(tǒng)的半波長諧振器構(gòu)成的濾波器第一寄生通帶在2倍中心頻率處，因此，該濾波器顯示出了良好的帶外抑制特性。并且，由于采用了1/4波長諧振器，其尺寸也大大縮小。

圖4 仿真與測試結(jié)果

圖5所示為當(dāng)L1+L2+L5不變，改變耦合線長度L2濾波器仿真結(jié)果圖.從圖5可以看出隨著 L2取值的不同濾波器傳輸零點也隨之改變。從而驗證了前面的通過改變微帶耦合線長度來實現(xiàn)傳輸零點的控制的分析。

圖5 . L1+L2+L5不變，不同L2仿真結(jié)果

4 結(jié)語

對于耦合式的1/4波長諧振器，在保證其總長度不變即對應(yīng)工作頻率固定時，調(diào)節(jié)其耦合部分的長度可以方便實現(xiàn)相應(yīng)零點的位置，進而實現(xiàn)不同選擇特性的濾波器。這為濾波器的個性化設(shè)計提供了方法借鑒，仿真結(jié)果以及實驗結(jié)果均較好地驗證了該方法的可行性。另外，從仿真以及實驗結(jié)果可知，該濾波器還具有2次諧波抑制功能,其寄生通帶出現(xiàn)在3倍頻處。為進一步提高其選擇性以及帶外抑制特性，可以建議通過額外的帶阻結(jié)構(gòu)集成加載方式。

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