一種新型的懸置帶狀線帶阻濾波器設(shè)計

余澤，和歷陽，許立強，劉長軍

四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

微波濾波器廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，傳輸有用信號并抑制干擾信號[1-2]。如果某頻段有較強干擾信號，通常采用帶阻濾波器進行抑制[3]。與傳統(tǒng)微帶線和共面波導(dǎo)相比，懸置帶狀線(suspended strip-line, SSL)具有許多優(yōu)點，比如低介質(zhì)損耗、低輻射損耗、穩(wěn)定性好等[4-7]。因此，SSL傳輸線常被用于設(shè)計低插損濾波器[8-10]。文獻[8]提出了一種基于帶狀線具有寬阻帶的超寬帶低插損帶通濾波器，但是帶狀線加工難、成本高。文獻[9]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的SSL諧振器，實現(xiàn)諧振器尺寸的小型化。文獻[10]提出了在諧振器開路端進行電容加載實現(xiàn)諧振器的小型化，設(shè)計了一種具有可控傳輸零點的SSL帶通濾波器。這些原諧振器改進在一定程度上影響了濾波器的性能。

在這些傳統(tǒng)的SSL濾波器設(shè)計中，支撐SSL的金屬外殼通常有一定厚度，兼具接地和電磁屏蔽功能[11-14]。本文提出了在SSL的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，形成具有帶阻特性的SSL傳輸線。基于該諧振器，設(shè)計了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，阻帶中心頻率為12.5 GHz，帶寬為1.35 GHz，阻帶衰減大于25 dB。

1 矩形腔諧振腔

懸置帶狀線是一種具有獨特優(yōu)勢的傳輸線，具有損耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。SSL傳輸線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬外殼用斜線填充，中心空白區(qū)域為空氣腔。網(wǎng)格填充部分為介質(zhì)基板R05880(εr為2.2)，豎線填充部分為基板上的敷銅貼片。由于SSL兩端要固定同軸接頭，金屬外殼一般具有一定厚度。金屬外殼占據(jù)了器件絕大部分的重量和體積。

圖1 SSL傳輸線橫截面

微帶線中的缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure, DGS)是通過在微帶接地板上開槽，形成具有帶阻特性的微帶傳輸線[15-19]。類比于該原理，本文提出了在SSL的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，形成帶阻特性的SSL傳輸線。具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線模型如圖2所示，具體尺寸如表1所示。

圖2 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線

表1 具有矩形腔諧振腔的SSL傳輸線 mm

在SSL傳輸線空氣腔上方構(gòu)造矩形腔，SSL兩端通過端口加激勵，四周均設(shè)為金屬。SSL傳輸線上方的矩形腔可以看作是一個終端短路的理想波導(dǎo)傳輸線，其輸入阻抗與矩形諧振腔深度d的關(guān)系為

式中：a和b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊；ω0為諧振角頻率；m和n代表諧振模式。對于TE10模式，隨著諧振腔長度a和深度d的增加，諧振頻率將減小。

圖3 矩形腔諧振腔的等效電路

對圖2提出的結(jié)構(gòu)進行仿真，S參數(shù)如圖4所示：矩形腔諧振腔在SSL上呈現(xiàn)帶阻特性，并在17.19 GHz產(chǎn)生諧振。諧振器的諧振頻率與長度a和深度d的關(guān)系，分別如圖5和圖6所示。當保持d=8 mm不變，諧振頻率隨著a的增大而向低頻偏移；當保持a=12 mm不變，諧振頻率隨著d的增大也向低頻偏移。因此，通過改變諧振腔的尺寸，可以抑制Ku波段內(nèi)的任意頻率的干擾信號。

圖4 矩形腔諧振腔的SSL傳輸線的S參數(shù)

圖5 腔體長度a與諧振頻率關(guān)系

圖6 腔體深度d與諧振頻率關(guān)系

一般SSL濾波器的諧振單元都是沿著傳輸線依次排列，導(dǎo)致SSL較長，增加了濾波器的體積和重量。本文提出的諧振結(jié)構(gòu)垂直于帶狀線排列，減少了SSL傳輸線的長度，使得SSL濾波器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

具有單個矩形腔諧振腔的SSL傳輸線阻帶窄，帶寬僅為180 MHz，如圖4所示。為了增加阻帶帶寬，在SSL的上方和下方引入了2個相同的λg/4的矩形腔諧振腔，組成一個λg/2的矩形腔諧振腔，結(jié)構(gòu)如圖7所示。仿真的結(jié)果如圖8所示。該結(jié)構(gòu)的阻帶增加到了600 MHz，阻帶中心頻率偏移到了16.17 GHz。

圖7 λg/2的矩形腔諧振腔結(jié)構(gòu)

圖8 λg/2的矩形腔諧振腔的S參數(shù)

2 帶阻濾波器設(shè)計

基于上述矩形腔諧振腔，設(shè)計了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器，結(jié)構(gòu)如圖9所示。其尺寸如表2所示。濾波器由4個λg/4的矩形腔諧振腔組成，其中每2個組成一個λg/2的矩形腔諧振腔。2個λg/2的矩形腔諧振腔產(chǎn)生2個相鄰的諧振點，組成一個位于Ku波段的阻帶。

圖9 SSL帶阻濾波器結(jié)構(gòu)

表2 SSL帶阻濾波器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

仿真結(jié)果和實測結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看出，仿真和實測結(jié)果吻合良好。阻帶的中心頻率從12.5 GHz偏移到12.6 GHz，偏移了100 MHz，阻帶衰減大于25 dB，其中衰減10 dB的帶寬為1.35 GHz。通帶內(nèi)反射損耗RL大于10 dB，通帶插入損耗IL小于0.3 dB。

圖10 SSL帶阻濾波器仿真與實測S參數(shù)

3 結(jié)論

區(qū)別于傳統(tǒng)的SSL帶阻濾波器設(shè)計，本文提出了在SSL傳輸線的金屬外殼中構(gòu)造矩形腔諧振腔，實現(xiàn)Ku波段的SSL帶阻濾波器。

1) 具有矩形腔諧振腔的SSL等效為在傳輸線上串聯(lián)一個并聯(lián)的LC諧振電路，呈現(xiàn)帶阻特性。該阻帶可以獨立調(diào)節(jié)，不影響SSL的傳輸特性。

2) 在SSL上引入矩形腔諧振腔，設(shè)計了一款Ku波段的SSL帶阻濾波器。測試表明，該濾波器具有阻帶衰減大、通帶插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。對于抑制Ku波段的強干擾信號具有良好的應(yīng)用價值。