一種結構緊湊的寬阻帶短路枝節(jié)超寬帶濾波器

摘要：文章基于短路枝節(jié)模型設計了一個通帶范圍為3．1～10．6 GHz的超寬帶濾波器。濾波器兩側的半波長傳輸線中集成低通單元以改善上阻帶特性，其余的半波長傳輸線用蜿蜒線替代以減小縱向尺寸，緩解了傳統(tǒng)短路枝節(jié)超寬帶濾波器寄生通帶過近和縱向尺寸偏大的問題。通過替代單元與半波長傳輸線在通帶內特性等效，設計過程大大簡化。濾波器的實測結果與仿真結果一致，在22．8GHz范圍內上阻帶抑制優(yōu)于20dB。
關鍵詞：超寬帶；帶通濾波器；短路枝節(jié)

0 引言
在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶濾波器對于濾除噪聲和帶外干擾信號起著不可或缺的作用。傳統(tǒng)的濾波器理論適用于窄帶和中等帶寬(相對帶寬不超過20％)濾波器的設計，一般不能直接用來設計超寬帶濾波器。目前超寬帶濾波器的設計主要基于兩種方法：一種是基于多模諧振器，另一種基于高低通濾波器級聯。基于多模諧振器實現的超寬帶濾波器具有體積小、結構緊湊的優(yōu)點，但是濾波器通帶和阻帶的性能不容易控制，往往要通過對多模諧振器結構參數進行反復調試。通過高低通濾波器級聯實現的超寬帶濾波器性能容易控制，低通單元和高通單元的設計可以獨立進行。
短路枝節(jié)線帶通濾波器具有工作帶寬寬、結構簡單的優(yōu)點，通過增加短路枝節(jié)數目即可滿足高選擇性的需求，但是這種濾波器寄生通帶距離工作頻帶較近，而且結構不夠緊湊。為了解決這兩個問題，本文在傳統(tǒng)結構中引入了低通單元，并且使用蜿蜒線替代半波長傳輸線，設計了一個結構緊湊，同時上阻帶性能大大改善的超寬帶濾波器。

1 短路枝節(jié)帶通濾波器
短路枝節(jié)濾波器結構通常被用來設計高通濾波器和帶寬較寬的帶通濾波器，具有結構簡單的優(yōu)點。傳統(tǒng)的短路枝節(jié)濾波器中包含冗余傳輸線，采用不含冗余傳輸線的優(yōu)化結構，能夠用較少的短路枝節(jié)實現與傳統(tǒng)結構相同的濾波性能，且綜合出的傳輸線阻抗對應的微帶線寬易于實現。如圖1所示，若短路枝節(jié)電長度為θ，則連接短路枝節(jié)的傳輸線電長度為2θ。根據帶通濾波器的通帶范圍fl～fh確定fl對應的短路枝節(jié)電長度θl：

選擇既定的濾波函數后查表即可綜合出短路枝節(jié)線和連接它們的傳輸線段的阻抗值。利用式(2)求得圖1中各節(jié)傳輸線的阻抗值，列于表1。

Zi=Z0／yi
Zi,i+1=Z0／yi,i+1 (2)
其中yi，yi+1為濾波函數綜合出的原型參數。圖1中f0=(fl+fh)／2=6．85GHz為帶通濾波器的中心頻率，對應的短路枝節(jié)TL1～TL6電角度為90°，對應的傳輸線電角度為180°。

圖2是圖1中原型電路的S參數曲線。S21在2f0處達到極小，形成一個傳輸零點，使得上阻帶具有與下阻帶相當的帶外抑制特性；同時由于傳輸線的周期性，在2f0+fl～2f0+fh頻段內形成濾波器的寄生通帶，減小了上阻帶的抑制帶寬。為此在濾波器結構中加入低通單元以加強對上阻帶的抑制。同時由圖1可以看出，由于半波長傳輸線較長，濾波器結構不夠緊湊。為此使用蜿蜒線取代半波長傳輸線以得到更加緊湊的電路結構，減小電路尺寸。