基于耦合傳輸線的寬上通帶窄帶帶阻濾波器設(shè)計

王占平，楊 博，陳 華，王亞非，王林智，孫 偉

(1. 電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054；2. 領(lǐng)亞電子科技股份有限公司 廣東 深圳 518108；3. 東莞岳豐電子科技有限公司 廣東 東莞 523590)

微波帶阻濾波器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中，被用來抑制高功率發(fā)射機的雜散諧波、高功率功放的非線性諧波輸出以及帶通濾波器的寄生通帶等。

1 設(shè)計原理

1.1 窄帶帶阻濾波器的設(shè)計方法

文獻(xiàn)[1]中提出的支線式帶阻濾波器應(yīng)用于窄帶帶阻濾波器設(shè)計時，各支線具有很高的阻抗導(dǎo)致無法實現(xiàn)，但是這種結(jié)構(gòu)的帶阻濾波器當(dāng)相對帶寬較大時(如大于40%時)，各支線具有合理的阻抗水平，比較容易實現(xiàn)，因此被用來制作寬帶帶阻濾波器。為了得到窄帶帶阻濾波器的實現(xiàn)形式，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于電容耦合的支線式帶阻濾波器結(jié)構(gòu)形式，該形式的帶阻濾波器在支線式帶阻濾波器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過將λ/4高阻抗支線開路諧振器變換為電容耦合短路并聯(lián)諧振器獲得，其支線阻抗可以任意選擇，通常為50 Ω或75 Ω。但這種結(jié)構(gòu)的帶阻濾波器具有較差的上通帶駐波特性，特別是在阻帶中心頻率的二倍頻率處。為了解決這個問題，文獻(xiàn)[3]提出了在支線間的90°連接線中間加入一個集總電容以改善二倍頻處的駐波特性。但這樣又會影響帶阻濾波器阻帶的帶寬響應(yīng)，且難以進行濾波器的精確綜合設(shè)計。文獻(xiàn)[4-6]提出了一種對微波窄帶帶阻濾波器進行精確設(shè)計的方法，該方法采用λ/4平行耦合線作為濾波單元節(jié)，可獲得良好的濾波器響應(yīng)特性。但這種形式的窄帶帶阻濾波器在中心頻率的三倍頻(3f0)處具有寄生阻帶，大大限制了它的應(yīng)用范圍。為了解決該寄生阻帶問題，文獻(xiàn)[7-9]提出了在平行耦合線濾波器節(jié)開路端加載集總電容的方法來展寬上通帶的范圍，但未見深入報道。本文基于該方法進行拓展研究并研制了一個窄帶帶阻濾波器，獲得了較寬的上通帶寬帶和良好的傳輸特性。

1.2 窄帶帶阻濾波器的設(shè)計

平行耦合傳輸線濾波器節(jié)如圖1所示。

圖1 平行耦合傳輸線濾波器節(jié)

其鏡像輸入阻抗為[10]：

由式(1)可知，這種平行耦合濾波器節(jié)具有周期性響應(yīng)，且周期為π，從而導(dǎo)致基于平行耦合線的帶阻濾波器在3f0處具有寄生阻帶。為了抑制掉寄生阻帶，展寬帶阻濾波器上通帶的帶寬，考慮縮短耦合線的物理長度，在耦合線開路端加載電容Ck進行補償。加載電容Ck與增加的長度ΔL的關(guān)系為[11]：

由式(3)可知，終端開路傳輸線的端電容大小與其等效傳輸線長度成正比，即端電容越大，其等效的傳輸線長度越長。利用該結(jié)論，通過圖1所示的平行耦合傳輸線開路端加載集總電容就可以縮短平行耦合傳輸線的物理長度，但是其有效電長度沒有發(fā)生變化，所以產(chǎn)生的濾波響應(yīng)沒有變化。但是由于帶阻濾波器的3f0處的寄生阻帶是由λ/4平行耦合線物理結(jié)構(gòu)的周期性響應(yīng)造成的，原來在3f0處出現(xiàn)的寄生阻帶會在更高的頻率處產(chǎn)生，因此通過這種在平行耦合線開路端加載適當(dāng)集總電容的方式能夠有效地展寬帶阻濾波器上通帶的帶寬。

本文利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法[12]，采用四階濾波器方式，得出圖2所示的帶阻濾波器基型電路。該電路對于窄帶帶阻濾波器設(shè)計并聯(lián)開路支節(jié)的阻抗很高，加工精度難以保證。為此本文采用基于平行耦合濾波節(jié)的帶阻濾波器設(shè)計[5]，通過利用式(4)和式(5)將基型帶阻濾波的各節(jié)高阻抗諧振器變換成易于加工的平行耦合濾波器節(jié)，得到的各節(jié)耦合線奇偶模阻抗如表1所示。

圖2 帶阻濾波器基型電路

表1 平行耦合濾波節(jié)奇偶模阻抗

根據(jù)表1所示的奇偶模阻抗，可以得到相應(yīng)耦合線的物理尺寸。為了盡量縮減該濾波器的物理尺寸，各節(jié)耦合線長度選擇為60°電長度而不是理論要求的90°，減少的長度通過平行耦合濾波單元開路端加載集總電容來補償。

2 濾波器仿真

本文設(shè)計思路可在Ansoft HFSS中建模進行仿真實現(xiàn)，建立的模型如圖3所示。

圖3 平行耦合傳輸線濾波器HFSS模型

該模型的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 HFSS模型仿真曲線

由圖4中可見，通過開路端集總電容的引入，消除了3f0處的寄生阻帶，濾波器上通帶也具有很好的輸入特性，體現(xiàn)了加載集總電容的有效性。另外，圖中在頻率12.5 GHz左右處出現(xiàn)的一些諧振是由于同軸結(jié)構(gòu)的高次模造成的。根據(jù)仿真模型的尺寸，實際制作的濾波器如圖5所示。

圖5 平行耦合傳輸線濾波器實物

該濾波器的實測結(jié)果如圖6所示。

圖6 濾波器測試結(jié)果

3 結(jié) 論

從圖6可見：

1) 仿真結(jié)果與實測結(jié)果的一致性較好，包括在12.5 GHz左右出現(xiàn)的高次模影響。2) 帶阻濾波器的中心頻率是5.3 GHz，在3f0處即15.9 GHz并沒有寄生阻帶出現(xiàn)，可見通過在平行耦合濾波節(jié)開路端加載集總電容的方法可以很好解決窄帶帶阻濾波器的3f0寄生阻帶問題，延展了上通帶的帶寬。3) 如果要使帶阻濾波器獲得更寬的上通帶帶寬，本文方法有其局限性。因為更寬的上通帶帶寬意味著要在開路端端面加載更大的集總電容，而大的集總電容在實際結(jié)構(gòu)中很難實現(xiàn)。

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