小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設計方案

0 引言

近年來，隨著移動通信系統(tǒng)、雷達系統(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際應用中受到了廣泛關注。傳統(tǒng)的并聯(lián)分支線低通濾波器 和半波長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，應用時很難獲得寬阻帶的 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，但這會進一步增大電路尺寸，并且在通帶內引入更多的插入損耗。通過在有限頻率處引入傳輸零點可以獲得較好的頻率選擇特性及帶外抑 制。在濾波器的設計中，交叉耦合被廣泛用來在阻帶引入有限傳輸零點，這些傳輸零點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構原理、三階交叉耦合結構原理，隨后提出了一種小型化寬阻帶微帶帶通濾波器的設計方案，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，并對仿真與實測結果進行了分析，且得到了較好的一致性。

1 基本設計理論

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 型三種基本諧振結構，其中λg /2 型諧振器的基本結構如圖1所示，為非等電長度半波長結構，由特征阻抗分別由Z1 和Z2 的傳輸線組成，其對應電長度為θ1 和θ2.

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

式中：K 為阻抗比，定義為K = Z2 Z1.為設計方便，取θ1 = θ2 = θ，則式（1）簡化為：

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度θ 和阻抗比率K.

1.2 三階交叉耦合結構原理

對于窄帶濾波器，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。外部品質因數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換為一個低通原型濾波器形式，如圖3所示。

其中每個矩形框代表一個頻率不變的J 導納變換器。在一個對稱的二端口電路中，J12 = J23 = 1，g0 = g4 = 1，g1 = g3，B1 = B3.

2 濾波器設計實例

根據以上介紹的基本原理，本文設計了一個中心頻率為3 550 MHz，相對帶寬10%（絕對帶寬為355 MHz），通帶內回波損耗為-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，其介電常數為2.2，介質損耗角正切為tan δ = 0.000 9，厚度為0.508 mm，銅箔厚度為0.018 mm，其電導率為5.7×107 S/m。

根據上面的三階交叉耦合結構原理，可以得到三階交叉耦合濾波器的低通原型參數值為［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 為單端激勵時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.