小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案

0 引言

近年來，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及超寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展，小型化、寬阻帶性能的濾波器在實(shí)際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器 和半波長(zhǎng)平行耦合線濾波器的寄生通帶都位于中心頻率的2倍處，而傳統(tǒng)的階躍阻抗諧振濾波器的寄生通帶在中心頻率的2.5倍處左右，應(yīng)用時(shí)很難獲得寬阻帶的 抑制效果。而且此類濾波器的尺寸較大，阻帶窄，受微帶加工最小寬度的限制，濾波器的性能受到一定的制約。為了得到陡峭的衰減邊沿及更好的阻帶特性，需要增 加短路或開路短截線數(shù)，但這會(huì)進(jìn)一步增大電路尺寸，并且在通帶內(nèi)引入更多的插入損耗。通過在有限頻率處引入傳輸零點(diǎn)可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑 制。在濾波器的設(shè)計(jì)中，交叉耦合被廣泛用來在阻帶引入有限傳輸零點(diǎn)，這些傳輸零點(diǎn)可以很好地改善帶邊過渡特性及阻帶抑制能力。

本文首先分析了階躍阻抗諧振器的結(jié)構(gòu)原理、三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理，隨后提出了一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方案，其寄生通帶在中心頻率的約4倍處，比一般的濾波器具有更寬的阻帶，并對(duì)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，且得到了較好的一致性。

1 基本設(shè)計(jì)理論

1.1 階躍阻抗諧振器原理

階躍阻抗諧振器常采用λg /4 型、λg/ 2 型或λg 型三種基本諧振結(jié)構(gòu)，其中λg /2 型諧振器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為非等電長(zhǎng)度半波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，由特征阻抗分別由Z1 和Z2 的傳輸線組成，其對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度為θ1 和θ2.

如果忽略結(jié)構(gòu)中的階躍非連續(xù)性和開路端的邊緣電容，從開路端看的輸入導(dǎo)納Yin 為：

式中：K 為阻抗比，定義為K = Z2 Z1.為設(shè)計(jì)方便，取θ1 = θ2 = θ，則式（1）簡(jiǎn)化為：

其諧振條件為：Yin = 0，得其基頻振蕩條件為K = Z2 Z1 = tan 2θ。由此公式可知，階躍阻抗諧振器的諧振條件取決于電長(zhǎng)度θ 和阻抗比率K.

1.2 三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于窄帶濾波器，其三階交叉耦合濾波器的等效電路如圖2 所示。

相鄰諧振器間的耦合用M12 和M23 表示，交叉耦合用M13 表示。外部品質(zhì)因數(shù)Qe1 和Qe3 各表示輸入和輸出耦合。圖2所示的耦合濾波器等效電路可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)低通原型濾波器形式，如圖3所示。

其中每個(gè)矩形框代表一個(gè)頻率不變的J 導(dǎo)納變換器。在一個(gè)對(duì)稱的二端口電路中，J12 = J23 = 1，g0 = g4 = 1，g1 = g3，B1 = B3.

2 濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)以上介紹的基本原理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為3 550 MHz，相對(duì)帶寬10%（絕對(duì)帶寬為355 MHz），通帶內(nèi)回波損耗為-20 dB，高端4~13 GHz的抑制要大于20 dB的濾波器。采用的板材是Rogers 5880，其介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角正切為tan δ = 0.000 9，厚度為0.508 mm，銅箔厚度為0.018 mm，其電導(dǎo)率為5.7×107 S/m。

根據(jù)上面的三階交叉耦合結(jié)構(gòu)原理，可以得到三階交叉耦合濾波器的低通原型參數(shù)值為［5］：

　　g1 = g3 = 0.757，g2 = 0.921 ; B1 = B3 = 0.098，B2 = - 0.46 ;J12 = J23 = 1，J13 = -0.237.且可得：

式中：f0 為諧振頻率；f3 dB 為單端激勵(lì)時(shí)諧振器的輸入或輸出3 dB帶寬。

從而可以得到濾波器的初步的物理尺寸，再接合全波仿真軟件仿真優(yōu)化，最終得到濾波器的版圖如圖4所示，其具體的物理尺寸見表1.