交叉耦合微帶帶通濾波器

孫 超，豐 濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第36研究所，浙江 嘉興 314000）

交叉耦合微帶帶通濾波器

孫 超，豐 濤

（中國電子科技集團(tuán)公司第36研究所，浙江 嘉興 314000）

針對(duì)無線通信系統(tǒng)小型化的要求，設(shè)計(jì)了一種帶有交叉耦合的帶通濾波器，該濾波器采用帶過孔的終端短路式耦合線為諧振單元，同時(shí)加入了交叉耦合線改善濾波特性；整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，具有插入損耗低、選擇性高、帶外抑制度佳等特點(diǎn)，實(shí)測結(jié)果與仿真吻合較好，中心頻率為4.2 GHz，3 dB帶寬為400 MHz，駐波比小于1.5，體積僅為8 mm×6 mm×0.7 mm。

微帶；濾波器；帶通；交指耦合線；交叉耦合；高抑制

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，微波濾波器的小型化日益受到關(guān)注。特別是微帶濾波器，具有小型化、工藝簡單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)成為研究的主要方向之一。對(duì)于無線通信以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，使用了多個(gè)相近頻段的濾波器，它們之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，這就對(duì)濾波器的限波特性提出很高的要求[1-4]。

為使濾波器具有高抑制的特性，一般可以采用三種方法：一是用多個(gè)濾波器串接，二是增加濾波器內(nèi)部的階數(shù)，三是引入交叉耦合。采用多個(gè)濾波器的串接可能會(huì)存在阻抗匹配的問題，而且不利于設(shè)計(jì)的小型化；增加濾波器的階數(shù)會(huì)帶來更多的耦合變量加大濾波器的調(diào)試難度。

本文對(duì)終端短路交指型帶通濾波器進(jìn)行了修改，提出一種新型交叉耦合帶通濾波器。以 3個(gè)三階短路交指型帶通濾波器為諧振單元，通過其相鄰耦合構(gòu)成了一種新型帶通濾波器，同時(shí)引入交叉耦合以改善帶外特性，該濾波器結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、性能優(yōu)異，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的濾波器的傳輸特性。

1 平行耦合線濾波器

一個(gè)由平行耦合線構(gòu)成的二端口網(wǎng)絡(luò)，通過把四個(gè)端口中的兩個(gè)端口開路或短路，以得到不同的頻率響應(yīng)。如圖1所示的一段終端短路耦合線，θ為每段耦合線的電長度，Z0o和 Z0e為兩段耦合線的奇偶模阻抗[5-6]。其中

圖1 耦合線二端口網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Two-port network with couple line

通過調(diào)節(jié)平行耦合線間的線間距和線寬，調(diào)節(jié)耦合系數(shù)，從而調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)。將多段平行耦合線構(gòu)成耦合線陣，每個(gè)矩形桿一端短路，一端開路，構(gòu)成終端短路型交指濾波器，如圖 2所示，矩形桿長約1/4λ0，載TEM模。

從W2到Wn-1都為諧振器，而W1和Wn的一端短路，一端與外電路聯(lián)接，只起阻抗變換作用，不作為諧振器。諧振器既可用矩形桿，也可用圓桿，還可以用集總電容加載的辦法減小體積和增加阻帶寬度，并有適宜于各種帶寬和不同精度的設(shè)計(jì)方法。

圖2 終端短路型交指濾波器Fig.2 1nterdigital filter with final short

2 濾波器設(shè)計(jì)

采用終端短路交指型濾波器為諧振單元設(shè)計(jì)三階帶通濾波器，同時(shí)引入交叉耦合以改善帶外特性，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，等效電路如圖 3（b）所示。首先根據(jù)中心頻率確定矩形桿l的長度和寬度，通過改變桿的寬度來調(diào)節(jié)阻抗比；然后改變諧振單元內(nèi)部耦合間隙 g調(diào)節(jié)耦合度；根據(jù)微帶線計(jì)算公式和HFSS軟件本征模求解方式算出單個(gè)諧振單元的大?。挥肏FSS雙模提取法確定各諧振單元間的耦合系數(shù)，計(jì)算各諧振級(jí)單元間距離d；最后運(yùn)用交叉耦合理論加入交叉耦合，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)以上步驟選用ROGERS 6010板材，厚度為0.635 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的仿真參數(shù)如下：l1=3.85 mm，l2=3.78 mm，l3=4.25 mm，l4=4.1 mm，l5=1.5 mm，g=0.11 mm，d=0.82 mm，w1=1.41 mm，w2=1.9 mm，過孔直徑為0.2 mm；優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示濾波器諧振中心頻率位于4.3 GHz，帶內(nèi)插入損耗小于2 dB，帶內(nèi)波動(dòng)小于1 dB，帶內(nèi)駐波小于-18 dB，帶外抑制良好，仿真表明該濾波器有良好的電性能指標(biāo)。

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)及其等效電路Fig.3 The structure and equivalent circuit of the filter

圖4 優(yōu)化后的仿真波形Fig.4 The result of simulation optimization

為了進(jìn)一步研究濾波器各個(gè)參數(shù)對(duì)濾波器性能的影響，分別改變諧振級(jí)間距離d以及耦合間隙g，保持其他參數(shù)不變，觀察波形改變的趨勢。圖 5為改變諧振級(jí)間距離 d波形的變化情況，由圖可知隨著 d的變大，濾波器帶寬變窄，抑制加深。表明帶寬隨諧振級(jí)間的耦合增強(qiáng)而減小，抑制隨諧振級(jí)間的耦合增強(qiáng)而減小。

圖6為改變耦合間隙g對(duì)性能的影響，由圖可知耦合間隙 g對(duì)波形的影響更為顯著，因?yàn)槠渫瑫r(shí)影響了諧振單元內(nèi)部的耦合以及相鄰諧振的關(guān)系。隨著 g的減小，諧振單元內(nèi)部耦合顯著增強(qiáng)，中心頻率偏低頻。

通過以上的仿真分析可知，頻率的調(diào)整主要通過改變的諧振單元內(nèi)部的耦合；帶寬的調(diào)整應(yīng)調(diào)節(jié)諧振單元間的耦合。

圖5 諧振單元距離d對(duì)仿真波形的影響Fig.5 The effect of distance d on the simulation result

圖6 耦合間隙g對(duì)仿真波形的影響Fig.6 The effect of distance g on the simulation result

3 測試和分析

為驗(yàn)證仿真模型特性，按照優(yōu)化后的上述參數(shù)采用ROGERS RT 6010板材，對(duì)所設(shè)計(jì)的三階交叉耦合帶通濾波器進(jìn)行加工，并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。濾波器實(shí)物圖及其測試條件如圖 7所示，測試采用自行設(shè)計(jì)的腔體外殼，濾波器粘在獨(dú)立可拆卸的載體上，載體用螺釘與腔體固定；通過微帶線金絲鍵合進(jìn)行過渡連接濾波器，濾波器二維尺寸為8 mm×6 mm×0.7 mm。

圖7 濾波器實(shí)物及其測試環(huán)境Fig.7 The filter and its test condition

濾波器實(shí)物測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖 8所示，結(jié)果顯示濾波器的中心頻率位于4.2 GHz，3 dB帶寬為400 MHz，駐波比小于1.5，差值損耗在中心有波動(dòng)，小于3 dB，與仿真曲線趨勢吻合度較高，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性。

圖8 濾波器仿真測試結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between the simulation and test results

在電子顯微鏡下觀察濾波器如圖 9所示，發(fā)現(xiàn)濾波器的直角均有不同程度的圓弧化，這會(huì)導(dǎo)致耦合間隙 g大小不一致，從而影改變了頻率以及帶寬。此外濾波器加工采用金屬化通孔接地，而仿真則是采用全金屬銅柱，接地性能也有所不足，影響了濾波器的駐波和插損的惡化。

圖9 濾波器電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM graph of the filter

4 結(jié)論

對(duì)終端短路交指型濾波器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制作了一款工作于C波段的小型化帶通濾波器，并利用三維仿真軟件HFSS搭建了3D模型，從實(shí)測結(jié)果來看，測試曲線和仿真曲線吻合良好。該濾波器具有插入損耗低、選擇性高、帶外抑制度佳等特點(diǎn)，加工尺寸為8 mm×6 mm×0.7 mm。

[1] ABBOSH A. Design method for ultra-wideband bandpass filter with wide stopband using parallel-coupled microstrip lines [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2012, 60(1): 31-38.

[2] ABBOSH A. Planar bandpass filters for ultra-wideband applications [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(10): 2262-2269.

[3] LIN Y. Novel compact parallel-coupled microstrip bandpass filters with lumped-element K-inverters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(7): 2324-2327.

[4] 陳相治, 戴永勝. 具有高阻帶衰減的 LTCC級(jí)聯(lián)帶通濾波器 [J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2014, 33(29): 27-33.

[5] MATTHAEI G L. Interdigital band-pass filters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1962, 6: 479-491.

[6] DAVID M P. 微波工程 [M]. 張肇儀, 周樂柱, 吳德明, 等, 譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006: 359-370.

（編輯：陳渝生）

Cross-coupled bandpass filter with microstrip lines

SUN Chao, FENG Tao
(No.36 Institute, China Electronic Technology Group Co., Jiaxing 314000, Zhejiang Province, China)

A cross-coupled bandpass filter with microstrip lines was proposed for the miniaturization of wireless communication system. This filter used coupled microstrip line with short circuited via as resonance unit and added cross-coupled line to improve the performance. The test results show that the filter has the advantages of small size, high selectivity, sideband steep and high stopband rejection. The measured results of the filter agree well with the simulation. The filter has a central frequency of 4.2 GHz, a 3 dB bandwidth of 400 MHz, VSWR of less than or equal to 1.5. The size of the filters is only 8 mm×6 mm×0.7 mm.

microstrip line; filter; bandpass; interdigital coupled lines; cross-coupled; high rejection

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.012

TN713

A

1001-2028（2016）12-0054-03

2016-10-14

孫超

孫超（1987-），男，浙江嘉興人，助理工程師，研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷c無線通信系統(tǒng)，E-mail: yangyi250000@163.com 。< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2016-11-29 11:41:40網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.012.html