基于階梯阻抗諧振器的寬帶帶通濾波器設(shè)計

貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院 劉凱正

0 引言

由于寬帶濾波器的帶寬優(yōu)勢，令其在通信領(lǐng)域備受矚目[1]，同時引起了相關(guān)專家學(xué)者對寬帶濾波器的進一步研究，提出了多種設(shè)計方法[2-6]。程巍[2]等利用半波長槽線結(jié)構(gòu)設(shè)計的寬帶濾波器，相對帶寬達(dá)到100%，具有明顯的帶寬優(yōu)勢，但通帶兩側(cè)并未產(chǎn)生傳輸零點，從而限制了濾波器的頻選特性及阻帶抑制力。趙蘭、劉偉[3]利用高低通濾波器級聯(lián)法設(shè)計了一款具有陡峭邊帶特性的寬帶濾波器，但級聯(lián)法不利于濾波器的小型化。宛新文[4]等利用缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）設(shè)計的寬帶濾波器，實測與仿真結(jié)果吻合較好，但其相對帶寬只有7%，且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜。錢穎[5]等利用三線耦合線結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款具有三個傳輸零點的寬帶濾波器，在帶寬、頻選、通帶邊緣陡峭度及帶外雜散抑制等方面均具有較好的性能。

本文基于三階階梯阻抗諧振器（SIR）結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款寬帶帶通濾波器。利用加載終端短路枝節(jié)、開路枝節(jié)的兩個諧振器的相互作用，使諧振模式發(fā)生變化（雙模變?yōu)槿＃?，利于濾波器的寬帶特性及靈活調(diào)節(jié)性。通過諧振器之間、輸入/輸出饋線與諧振器之間的縫隙耦合，令通帶兩側(cè)產(chǎn)生了兩個傳輸零點，有效提升了濾波器的頻選特性。

1 階梯阻抗諧振器分析

圖1 三階階梯阻抗諧振器基本結(jié)構(gòu)

圖1所示為三階階梯阻抗諧振器基本結(jié)構(gòu)，由a,b,c三段傳輸線連接而成（另一諧振器終端開路，即c段傳輸線無接地過孔，其他結(jié)構(gòu)均相同，故只用圖1說明）。

根據(jù)傳輸線理論，圖1所示三階階梯阻抗諧振器發(fā)生諧振的條件為[7]：

短路時諧振條件為：

其中Zi（i=1,2,3）分別為a,b,c三段傳輸線的阻抗值，Zi/ Zj（i,j=1,2,3,i≠j）為每兩段傳輸線之間的阻抗比，θi（i=1,2,3）為對應(yīng)的電長度，β為相位常數(shù)。

由公式(1)-(3)可知，在SIR各段傳輸線間阻抗比一定時，其諧振條件主要取決于各段傳輸線的物理長度。

為探究終端開路、終端短路的三階階梯阻抗諧振器的諧振模式，將圖1中諧振器結(jié)構(gòu)在HFSS13.0電磁仿真軟件中進行仿真，選用Rogers 4350介質(zhì)板，相對介電常數(shù)為3.48，損耗角正切值0.0002，厚度為0.508mm。模型參數(shù)為：L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，接地過孔半徑r1=0.2mm。其仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 三階階梯阻抗諧振器頻響曲線

由圖2可知，終端開路及終端短路型三階SIR結(jié)構(gòu)均在某頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生兩個諧振頻率，即其實質(zhì)為雙模諧振器。

2 寬帶帶通濾波器設(shè)計

圖3所示為本文所述寬帶濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個三階SIR對稱分布，輸入/輸出饋線與諧振器之間采用縫隙耦合方式。

圖3 寬帶帶通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在上一節(jié)的討論分析中已經(jīng)證實了三階SIR為雙模諧振器。通過兩個主體結(jié)構(gòu)相同，終端結(jié)構(gòu)不同的SIR相互作用，在輸入/輸出饋線與諧振器之間合理耦合的條件下，可改變?yōu)V波器整體的諧振模式。圖4為上圖中濾波器結(jié)構(gòu)在弱耦合條件下的仿真結(jié)果，各參數(shù)同上，其他參數(shù)為：L0=10mm，L4=5mm，W0=1.06mm，W4=0.2mm，縫隙值S1=S2=0.5mm。

圖4 濾波器弱耦合仿真曲線

由圖可知，SIR間的相互作用，加之合理調(diào)節(jié)各部分模型參數(shù)，使濾波器整體表現(xiàn)出三模特性，改變了單一三階階梯阻抗諧振器的諧振模式，更加利于濾波器的寬帶特性。經(jīng)過仿真優(yōu)化，圖3中濾波器模型的最終參數(shù)為：L0=10mm，L1=20mm，L2=8.5mm，L3=1.7mm，L4=8.8mm，W0=1.06mm，W1=0.2mm，W2=0.45mm，W3=3.7mm，W4=0.2mm，縫隙值S1=S2=0.2mm過孔半徑人r1=0.2mm。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 濾波器最終仿真頻響曲線

由圖可知，本文所設(shè)計的基于三階SIR諧振器結(jié)構(gòu)的濾波器具有明顯的寬帶特性。仿真結(jié)果顯示，3dB帶寬約為4GHz，（頻率范圍為3.42-7.42GHz），相對帶寬達(dá)到73.73%，中心頻率約為5.42GHz，通帶內(nèi)最小插入損耗S21約為-0.41dB，最大回波損耗S11約為-13.66dB。兩個傳輸零點坐標(biāo)分別為（2.8，-49.47）和（8.2，-46.61）。

3 結(jié)論

通過理論分析三階階梯阻抗諧振器的諧振條件，并經(jīng)過仿真實驗證明了其雙模諧振器的本質(zhì)特征。通過合理調(diào)節(jié)終端開路及終端短路的兩個三階SIR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使單一SIR的雙模諧振特性變?yōu)闉V波器的三模特性，利于通頻帶的靈活調(diào)節(jié)。通過SIR諧振器之間、SIR與輸入/輸出饋線之間的適度耦合，使濾波器具有一定帶寬特性，且通帶兩側(cè)的兩個傳輸零點有效提升了濾波器的頻選特性及通帶邊緣陡峭度。

[1]黃凱,張申,卑璐璐.基于反耦合線的寬帶帶通濾波器設(shè)計[J].電子元件與材料,2015,34(4):39-42.

[2]程巍,章騰輝,吳佳佳,等.基于半波長槽線的寬帶帶通濾波器設(shè)計[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報,2017,37(5):687-690.

[3]趙蘭,劉偉.級聯(lián)法實現(xiàn)寬帶LC帶通濾波器設(shè)計[J].無線電工程,2010,40(8):42-45.

[4]宛新文,何宏慶,李民權(quán),等.一種新型DGS寬帶帶通濾波器[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,40(1):59-62.

[5]錢穎,張鳳娟,靳靜.結(jié)構(gòu)緊湊的高選擇性寬帶帶通濾波器[J].電子器件,2016,39(5):1059-1062.

[6]楊勇,孫利國,漆威,等.一種新穎羊角形缺陷地結(jié)構(gòu)寬帶帶通濾波器[J].壓電與聲光,2016,38(1):28-31.

[7]吳奕霖,王新懷.E型可調(diào)多枝節(jié)SIR雙通帶濾波器[J].微波學(xué)報,2016:230-233.