基于閉合環(huán)和短路棒的寬阻帶帶通濾波器

馬興兵，鄭宏興

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222)

1 帶通濾波器簡介

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，帶通濾波器被廣泛使用。寬阻帶作為帶通濾波器設(shè)計中的一個重要參數(shù)，越來越引起研究人員的關(guān)注，一些新穎的設(shè)計方法不斷涌現(xiàn)。在文獻(xiàn)［1］中，為了拓寬帶通濾波器的阻帶，提出了一種新的小型化開環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［2－4］從平行耦合階躍阻抗諧振器和可調(diào)帶阻結(jié)構(gòu)兩個角度出發(fā)，將傳輸零點調(diào)整在高次諧波頻點位置，實現(xiàn)對高次諧波的抑制。文獻(xiàn)［5］將傳統(tǒng)的開路濾波器和馬刺線濾波器結(jié)合到一起，實現(xiàn)了更好的諧波抑制效果。在文獻(xiàn)［6］中，提出一種在輸入輸出饋線上添加馬刺線的方式來抑制第一諧波，拓寬高頻區(qū)阻帶。文獻(xiàn)［7－8］分別提出了基于互異結(jié)構(gòu)和添加系列開路線的方法實現(xiàn)寬阻帶目的，但是，在帶通濾波器的小型化和寬阻帶有機(jī)統(tǒng)一方面，仍然需要進(jìn)一步的研究，為此本文提出一種采用閉合環(huán)和短路棒的寬阻帶帶通濾波器，通過使用圓柱形金屬短路棒連接濾波器的表面微帶線到地這種結(jié)構(gòu)模式，構(gòu)建了改進(jìn)型的λ/4諧振器，減小了濾波器的設(shè)計尺寸，為了便于抑制高次諧波引入了閉合環(huán)和開路線這兩種解決方法。圖1給出了本文提出的寬阻帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)，濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，除短路棒外，整個結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中心對稱，除了與輸入輸出端相連的饋線的寬度尺寸外，其他微帶線的寬度相等。

圖1 基于閉合環(huán)和短路棒的寬阻帶帶通濾波器結(jié)構(gòu)

2 濾波器的設(shè)計與分析

為便于分析圖1所示濾波器的工作模式，忽略輸入輸出饋線與諧振器之間的耦合影響，重新給出濾波器內(nèi)部的諧振器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 采用帶有開路線的閉合環(huán)和短路棒的諧振器結(jié)構(gòu)

圖中Z1，Z2為短路棒(q)到閉合環(huán)交叉點的輸入阻抗;Z3，Z4是開路端(n 左端)到交叉點的輸入阻抗，θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6為電長度，則諧振器的諧振條件可表述為

式 中:M=tanθ2+tanθ3－ tanθ1tanθ2tanθ3，N=1 －tanθ1tanθ2－tanθ2tanθ3，P=cot(θ1+ θ3)。對于該諧振器的高次諧波，可適當(dāng)選取閉合環(huán)和環(huán)上的開路線尺寸調(diào)整傳輸零點的位置到高次諧波頻點處，實現(xiàn)對高次諧波抑制。根據(jù)圖1、圖2，濾波器的傳輸零點可分為兩類，一類是輸入輸出饋線形成的傳輸零點，近似表述為

式中:λ為微帶傳輸線上的工作波長。另一類是圖2所示結(jié)構(gòu)額外增加的傳輸零點，呈現(xiàn)兩種不同形式，一種是無短路棒的閉合環(huán)，考慮開路線影響，從兩個閉合環(huán)的交叉點沿環(huán)一圈回到原點(交叉點)，若電長度為(2n+1)π，其中n為大于或等于0的整數(shù)，則信號在交叉點相抵消，那么在對應(yīng)的頻點處存在傳輸零點。同理，對于有短路棒的閉合環(huán)，若從短路棒的位置q沿Z1，Z2兩個方向到閉合環(huán)交叉點的等效電長度的差也為(2n+1)π，n為大于或等于零的整數(shù)，那么在對應(yīng)的頻率處也會形成傳輸零點。鑒于以上分析，只要合理地調(diào)整短路棒的位置、閉合環(huán)的尺寸、開路線的長短，就可以調(diào)整通帶諧振頻點，抑制高次諧波。

3 實驗驗證與性能分析

基于上述分析，為驗證設(shè)計原理的可行性，制作了一個如圖1所示的濾波器，采用TACONIC TLC－32材料，材料的相對介電常數(shù)為3.2，厚度1.14 mm，使用Ansoft HFSS軟件仿真及優(yōu)化處理，參數(shù)如表1所示，圓柱形金屬短路棒半徑0.25 mm，實物及測試如圖3所示。

表1 優(yōu)化后的微帶寬阻帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 寬阻帶帶通濾波器的仿真與測試曲線

在圖3中，給出了插入損耗(S21)、回波損耗(S11)隨頻率變化的仿真及測試曲線，實測濾波器工作頻率為2.38 GHz，插入損耗 －1.01 dB，回波損耗 －21.7 dB，在0 ～2.02 GHz和 3.71 ～10.66 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于－20 dB，且在通帶2.38 GHz兩側(cè)各有一個傳輸零點，頻率分別為0.99 GHz，4.72 GHz，其中0.99 GHz通過傳輸線計算工具計算驗證是輸入輸出饋線形成的傳輸零點，符合式(6);4.72 GHz頻點的傳輸零點經(jīng)計算驗證符合無短路棒的閉合環(huán)從兩個閉合環(huán)的交叉點沿環(huán)一圈回到原點(交叉點)，電長度近似為π，與分析一致?？梢姕y量結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)吻合程度良好，表明該設(shè)計方法是可行的。

在濾波器性能方面，文獻(xiàn)［1］提出的小型化開口環(huán)式濾波器采用2個半波發(fā)夾環(huán)形諧振器相互耦合產(chǎn)生4個傳輸零點，實現(xiàn)阻帶擴(kuò)展，每個工作單元尺寸為0.108 λg×0.108 λg，其中 λg是信號在2.2 GHz頻率時的工作波長，若選用本文所采用的TACONIC TLC－32材料，則λg約為97 mm，因此與本設(shè)計采用的如圖2所示的諧振器單元尺寸基本相同。但在效果方面，本文提出的濾波器實現(xiàn)了0～2.02 GHz和 3.71 ～ 10.66 GHz 頻帶內(nèi)插入損耗小于－20 dB，相比文獻(xiàn)［1］提出的濾波器阻帶0～2.08 GHz和2.4 ～6.68 GHz，將高阻帶區(qū)寬度擴(kuò)展了約 2.7 GHz。與文獻(xiàn)［7］相比，在濾波器尺寸，所用材料大致相同條件下，本文設(shè)計的濾波器的阻帶區(qū)性能有了明顯改善，插入損耗更低，且在低頻區(qū)通帶左側(cè)添加了一個傳輸零點，通帶選擇性更高。文獻(xiàn)［8］提出的濾波器在等尺寸條件下，雖然有效地降低了通帶頻點，實現(xiàn)了約1 GHz的低帶通工作頻點，但是通帶右側(cè)到達(dá)第一個傳輸零點的插入損耗曲線坡度平緩，插入損耗比本文提出的濾波器的效果要差一些。尤其是在10.66 GHz以上的很寬的頻帶內(nèi)，本文設(shè)計的濾波器的插入損耗仍然低于－10 dB，具有較好的高頻帶抑制。

4 結(jié)束語

本文提出的緊湊型微帶寬阻帶帶通濾波器將小型化與寬阻帶兩者有機(jī)結(jié)合到一起，采用閉合環(huán)和在閉合環(huán)上添加開路線的方式，有效抑制了濾波器的高次諧波。此外，通過添加短路棒方式改進(jìn)傳統(tǒng)的λ/4諧振器，降低濾波器的設(shè)計尺寸。實物測試表明本文提出的設(shè)計方法效果令人滿意，為寬阻帶帶通濾波器的設(shè)計提供了新思路。

［1］ZHOU Liang，LIU Shaobin，KONG Xiangkun，et al.Novel cross－coupled filter design using improved split－ring resonators based on stepped impedance resonator［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53(9):1976－1980.

［2］HUNG C，WENG M，YANG R.A dual－mode bandpass filter with a wide stopband using a controllable bandstop structure［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50(8):2214－2216.

［3］KUO J T，SHIH E.Microstrip stepped impedance resonator bandpass filter with an extended optimal rejection bandwidth ［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2003，51(5):1554－1559.

［4］TANG C W，CHEN M G.Wide stopband parallel－coupled stacked SIRs bandpass filters with open－stub lines［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2006，16(12):666－668.

［5］TU W H，CHANG K.Compact microstrip bandstop filter using open stub and spurline［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2005，15(4):268－270.

［6］HSIEH Y H，LEE C H，HSU C I G.Design of spur－line－loaded crosscoupled dual－band bandpass filter with wide upper－end stopband ［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50(3):691－694.

［7］馬興兵，鄭宏興.基于互異結(jié)構(gòu)的寬阻帶帶通濾波器的研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(7):26－27.

［8］馬興兵，鄭宏興.一種小型化寬阻帶窄帶通濾波器的研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(5):20－21.