基于雙邊平行帶線的新型微波差分低通濾波器

陸清源

摘要：本文介紹了一種基于雙邊平行帶線的新型微波頻段低通濾波器。由于雙邊平行帶線其本身固有差分傳輸特性，其中一條金屬帶條可作為另一條的地或者是信號(hào)線。通過(guò)相反的端口結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了濾波器差模響應(yīng)的低通特性。提出了差模和共模不同的L-C等效電路，并用來(lái)分析這兩種模式的頻率響應(yīng)。為了該驗(yàn)證理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)3dB截止頻率為1GHz的低通濾波器濾波器，制造并進(jìn)行了測(cè)試。所設(shè)計(jì)的濾波器具有低插入損耗和寬帶的共模抑制能力等優(yōu)點(diǎn)。仿真和測(cè)試結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了所提出的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：雙邊平行帶線；平衡式濾波器；低通濾波器

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（a）-0000-00

A Novel Microwave Differential Lowpass Filter Based on Double-sided Parallel-strip Line

Qing-Yuan Lu

（Xinglin College， Nantong University， No.999， East Outer Ring Road， Nantong， 226000）

Abstract ─ In this letter， a novel microwave differential lowpass filter （LPF） is firstly proposed based on the double-sided parallel-strip line （DSPSL）. As the DSPSL is with the inherent differential transmission property， one of identical metal strips in DSPSL can be either signal line or ground for the other strip. The lowpass characteristic for the differential-mode operation is achieved when port 1（ 2 ） possess opposite signal lines as compared with port 1 （2）. L-C equivalent circuits for both differential-mode and common-mode are given to illustrate the frequency responses of the two modes. A demonstrated filter with 3 dB cut-off frequency at 1 GHz has been designed， fabricated and measured for the purpose of verification. The designed LPF features advantages of low in-band insertion loss and wide-band common-mode suppression. Good matching between the simulated and measured results has been observed， which verifies the proposed structure and its design concept.

Index Terms - double-sided parallel-strip line （DSPSL），Differential filter，lowpass filter.

一、 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，平衡式電路因?yàn)樵S多的優(yōu)點(diǎn)如抑制噪聲能力、低串?dāng)_和低電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，而受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。濾波器作為一個(gè)頻率選擇器件，在無(wú)線通信系統(tǒng)中起著重要的作用。許多形式的傳輸線被用來(lái)設(shè)計(jì)平衡式濾波器，比如：微帶線、帶狀線、雙邊平行帶線和基片集成波導(dǎo)等[1]-[6]。

傳統(tǒng)的平衡式濾波器設(shè)計(jì)方法并不容易實(shí)現(xiàn)具有高共模抑制度的平衡式低通濾波器。因?yàn)閷?duì)于一對(duì)差分傳輸線而言，其差模情況下的等效電路始終會(huì)存在虛擬接地點(diǎn)。比如文獻(xiàn)[1]-[4]中的結(jié)構(gòu)并不能用來(lái)設(shè)計(jì)低通濾波器，因?yàn)槠洳钅５刃щ娐分袚碛卸搪方拥攸c(diǎn)。因此，很少有相關(guān)的論文涉及微波頻段的平衡式低通濾波器設(shè)計(jì)。據(jù)作者所知，只有文獻(xiàn)[8]-[9]提出了一種可以用來(lái)設(shè)計(jì)平衡式低通濾波器的方法，但是這種利用缺陷地結(jié)構(gòu)來(lái)抑制共模信號(hào)的方法很難在實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍。

如圖1所示，本文提出了一種新型的微波平衡式低通濾波器。該濾波器設(shè)計(jì)基于雙邊平行帶線結(jié)構(gòu)，擁有低帶內(nèi)插損和較寬的共模抑制能力等優(yōu)點(diǎn)。并且介紹了一種濾波器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法。

二、 濾波器設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的平衡式低通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。傳統(tǒng)的雙邊平行帶線是一種平衡式傳輸線，其結(jié)構(gòu)中間層為介質(zhì)，介質(zhì)兩面為對(duì)稱的信號(hào)線。因?yàn)殡p邊平行帶線的對(duì)稱特性，我們可以將“地”線和“信號(hào)”線互換使用。通過(guò)將端口處成對(duì)的SMA接頭中的一個(gè)反接，可以實(shí)現(xiàn)差模等效電路與共模等效電路的互換，反之亦然。

差模情況下的低通特性是利用端口1（2）與端口1（2）相反的信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2為平衡式低通濾波器的差模和共模的等效電路以及L-C原型。

圖2 所設(shè)計(jì)的低通濾波器模的等效電路以及L-C原型電路

（a） 差模等效電路

（b） 共模等效電路

（c） 差模L-C原型電路

（d） 共模L-C原型電路

對(duì)于差模情況，如文獻(xiàn)[11]第5章所述，可利用開(kāi)路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)低通響應(yīng)。具有較高阻抗的傳輸線可以等效為電感（L1、L2和L3），那么開(kāi)路枝節(jié)可以等效為接地電容（C1和C2）。在本設(shè)計(jì)中，我們將3dB截止頻率設(shè)定為1GHz，兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別設(shè)置在1.66GHz和2.3GHz用來(lái)提高低通濾波器的頻率選擇性。其零點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

（1）

對(duì)于共模響應(yīng)，短路枝節(jié)可以等效為電感（L4和L5）和電容（C3和C4）的并聯(lián)。其共模的諧振點(diǎn)由并聯(lián)的L4C3和并聯(lián)的L5C4控制。而且這些共模諧振頻點(diǎn)遠(yuǎn)離差模的通帶響應(yīng)，所以該平衡式低通濾波器可以在較寬的頻帶內(nèi)抑制共模信號(hào)。

表1為實(shí)現(xiàn)上述差模低通濾波器所需的L-C的值。圖3中的藍(lán)線部分為該低通濾波器利用L-C原型電路進(jìn)行仿真的頻率響應(yīng)。

基于上述理論分析設(shè)計(jì)了一款差分低通濾波器。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：l1 = 20 mm， l2 = 20 mm， l3 = 16 mm， l4 = 14 mm， w1 = 0.5 mm， w2 = 4.5 mm， w3 = 5.75 mm?；宀捎昧_杰斯4003C，其介電常數(shù)為3.38，厚度32mil，損耗角為0.0027。圖3中帶有紅色三角的曲線為該濾波器通過(guò)軟件仿真得出的頻率響應(yīng)。由圖可見(jiàn)，與利用L-C原型電路的仿真結(jié)果吻合良好。

三、 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證其理論的正確性，我們加工了該濾波器的樣品。圖4為該樣品的照片。該濾波器的仿真結(jié)果是通過(guò)軟件Aglient ADS 和Ansoft HFSS。電路樣品測(cè)試采用Aglient公司的四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A，該儀器可以同時(shí)測(cè)出差模和共模的S參數(shù)。圖3為該平衡式電路的仿真與測(cè)試結(jié)果，兩者吻合良好。從該濾波器的測(cè)試結(jié)果中可以看出，低通濾波器的3dB截止頻率為1GHz，插入損耗小于0.22dB。該濾波器擁有良好的通帶性能，而且10dB的共模抑制能力可以達(dá)到2.7GHz。

四、 結(jié)論

本文提出了一種基于雙邊平行帶線的平衡式低通濾波器。通過(guò)相反的端口結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了平衡式濾波器差模響應(yīng)的低通特性。為驗(yàn)證該理論，設(shè)計(jì)并制造了該濾波器樣品，仿真與測(cè)試吻合良好。該濾波器的通帶性能良好，并擁有較寬的共模抑制能力，適用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。

致謝

項(xiàng)目基金：南通市科技計(jì)劃項(xiàng)目（GY12015021）。

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