一種具有寄生抑制電路的微帶發(fā)夾型帶通濾波器

王維帥 謝錫海 姜暉

摘 要： 針對發(fā)夾型帶通濾波器通帶附近存在寄生通帶的問題，根據(jù)微帶發(fā)夾型帶通濾波器的基本原理，利用ADS軟件，設(shè)計一種具有寄生抑制電路的微帶發(fā)夾型帶通濾波器。首先，運用理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則設(shè)計一個短截線低通濾波電路；其次，通過將該電路與傳統(tǒng)的發(fā)夾型帶通濾波器級聯(lián)，有效地抑制了鄰近的寄生通帶，使得濾波器具有較好的阻帶特性；最后，考慮到實際因素對電路的影響，進行了電路版圖Momentum仿真。仿真結(jié)果表明，寄生通帶的抑制效果理想，該方法可行。

關(guān)鍵詞： 短截線低通濾波電路； 微帶線； 寄生通帶抑制； 發(fā)夾型帶通濾波器； ADS； 電磁仿真

中圖分類號： TN713+.5?34； TN713 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0122?04

Microstrip hairpin bandpass filter with spurious suppression circuit

WANG Weishuai， XIE Xihai， JIANG Hui

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： As there exists spurious passband near the passband of the hairpin bandpass filter， a microstrip hairpin bandpass filter with spurious suppression circuit is designed by using the advanced design system （ADS） software according to the basic principle of microstrip hairpin bandpass filter. A stub low?pass filtering circuit is designed by using the Richards transformation and Kuroda rule. The circuit is cascaded with the traditional hairpin bandpass filter to effectively suppress the adjacent spurious passband， and make the filter have a good stopband feature. The Momentum simulation of the circuit layout was carried out in consideration of the influence of actual factors on the circuit. The simulation results show that the suppression effect of the spurious passband is optimal and the method is feasible.

Keywords： stub low?pass filtering circuit； microstrip line； spurious passband suppression； hairpin bandpass filter； ADS； electromagnetic simulation

在無線通信系統(tǒng)中，濾波器是至關(guān)重要的組成部分，它能夠選擇有用的信號，消除不必要的諧波，抑制雜散[1]。因此設(shè)計高性能的新型濾波器一直是無線通信領(lǐng)域的重要內(nèi)容。其中，利用微帶線等分布參數(shù)元件設(shè)計的發(fā)夾型帶通濾波器，不僅能夠滿足系統(tǒng)工作于高頻段的設(shè)計要求[2]，而且其成本低、重量輕且易于制造，所以近年來在各種微波通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3]。

然而，對于微帶線發(fā)夾型帶通濾波器而言，在設(shè)計頻率的整數(shù)倍處，會出現(xiàn)寄生通帶[4]，影響濾波器的整體性能。為了獲得較好的阻帶特性，近些年來，人們進行了大量的研究，并提出了一些濾波器設(shè)計方案：文獻[5]采用缺地陷結(jié)構(gòu)獲得較寬的阻帶；文獻[6]通過控制諧振耦合抑制寄生阻帶；文獻[7]利用并聯(lián)耦合線實現(xiàn)寬阻帶效應(yīng)。但這些結(jié)構(gòu)存在阻帶抑制不理想或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點。為了解決以上結(jié)構(gòu)所存在的問題，本文采用了短截線低通濾波電路級聯(lián)發(fā)夾型帶通濾波器的方法，有效抑制了帶外雜散，獲得了較寬的阻帶，最終設(shè)計出中心頻率在3.25 GHz，帶寬為500 MHz的發(fā)夾型帶通濾波器，并通過Momentum電磁仿真結(jié)果證明，該濾波器性能較好，具有很好的實用價值。

1 微帶發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計

1.1 濾波器的基本原理

微帶發(fā)夾型帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該濾波器是折疊型的平行耦合微帶線濾波器，是由半波長微帶線構(gòu)成U型結(jié)構(gòu)，并與相鄰的U型結(jié)構(gòu)相互耦合而成[8]。它是一種成本低、結(jié)構(gòu)緊湊且易于加工的濾波器[9]。根據(jù)設(shè)計濾波器的性能指標(biāo)，本文采用抽頭式輸入/輸出方式。該濾波器的主要性能參數(shù)有微帶線寬、發(fā)夾間距、發(fā)夾臂長和抽頭位置等[10]。

1.2 帶通濾波器的設(shè)計實例

設(shè)計要求[11]：中心頻率f0=3.25 GHz，帶寬500 MHz；在f=2.8 GHz和f=3.7 GHz上的衰減小于-30 dB；通帶波紋3 dB；輸入/輸出特性阻抗50 Ω；寄生通帶的抑制達(dá)到40 dB。微帶線基板參數(shù)：介電常數(shù)εr=3.55；板厚h= 0.508 mm；相對磁導(dǎo)率Mur=1；金屬層厚度t=0.018 mm；損耗角正切tan D=0.002 7。

考慮到濾波器的設(shè)計要求，選用帶內(nèi)波紋為0.5的切比雪夫原型濾波器，通過計算濾波器的階數(shù)至少為5。為了更好地達(dá)到濾波器的設(shè)計要求，同時考慮到濾波器結(jié)構(gòu)的對稱性，本文采用7階的濾波器。

根據(jù)查表獲取的原型濾波器元件值，利用式（1）～式（6）計算出微帶線的奇模、偶模特性阻抗。

[BW=ω2-ω1ω0，ω0=ω1+ω22] （1）

[J0，1=1Z0·π?BW2g0g1] （2）

[Ji，i+1=1Z0·π?BW2gigi+1，i=1，2，…，N-1] （3）

[JN，N+1=1Z0π?BW2gNgN+1] （4）

[Z0e=Z01+Z0Ji，i+1+Z0Ji，i+12] （5）

[Z0o=Z01-Z0Ji，i+1+Z0Ji，i+12] （6）

式（5）、式（6）中，[i=0，1，2，???，N]。

然后通過 ADS2011自帶的微帶線計算工具LineCalc，計算得到濾波器中耦合微帶線的幾何尺寸W，S，L。計算數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)計算公式得出濾波器的抽頭位置d=1.627 mm。

按表1中的尺寸，在ADS（Advanced Design System）中建立原理圖，經(jīng)過優(yōu)化仿真后得到S參數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2仿真結(jié)果可知，該濾波器在通帶內(nèi)基本滿足設(shè)計要求，但在6.5 GHz附近出現(xiàn)了寄生通帶，影響了濾波器的性能，需要進一步的設(shè)計將其抑制。

2 寄生通帶抑制電路的設(shè)計

2.1 微帶短截線低通濾波電路的理論基礎(chǔ)

考慮到濾波器在6.5 GHz左右存在寄生通帶，利用ADS2011設(shè)計了一個短截線低通濾波電路作為寄生通帶抑制電路。對于短截線低通濾波電路的設(shè)計，可以由集總元件低通濾波器變換為分布參數(shù)低通濾波器。其中理查德變換（Richards）的終端短路的傳輸線可等效為電感，終端開路的傳輸線可等效為電容，其等效關(guān)系為：

[ZSCin=jZ0tanβL] （7）

[ZOCin=jZ0tanβL] （8）

式中：Z0為特性阻抗；β為波的傳播常數(shù)；L為傳輸線長度[12]。

科洛達(dá)規(guī)則（Kuroda）利用單位元件將串聯(lián)短截線變換為并聯(lián)短截線[13]，變換關(guān)系如圖3所示。

2.2 低通濾波電路的設(shè)計實例

設(shè)計要求：通帶頻率范圍為3.5～5.5 GHz，通帶內(nèi)最大衰減小于3 dB，在6 GHz時衰減大于40 dB，輸入/輸出特性阻抗為50 Ω。通過計算選用5階切比雪夫低通濾波器原型進行設(shè)計。

設(shè)計過程為：

1） 通過理查德變換和科洛達(dá)規(guī)則將集總元件濾波器原型變換成分布參數(shù)濾波器，再利用阻抗變換得到如圖4所示的低通濾波電路。

2） 根據(jù)圖4中各微帶線的特性阻抗，利用ADS2011的LineCalc工具，計算得出微帶線的尺寸W，L。計算數(shù)據(jù)如表2所示。

3） 按表2中的尺寸，在ADS中建立原理圖，經(jīng)過優(yōu)化仿真后得到S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5仿真結(jié)果可知，該濾波電路在通帶內(nèi)的衰減大于-3 dB，6 GHz時衰減大于40 dB，基本符合設(shè)計要求。接下來要將其與發(fā)夾型帶通濾波器級聯(lián)以降低臨近寄生通帶對濾波器性能的影響。

3 微帶發(fā)夾型帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化發(fā)夾型帶通濾波器的S參數(shù)仿真

將上述分析設(shè)計的微帶短截線低通濾波電路與發(fā)夾型帶通濾波器級聯(lián)，經(jīng)過優(yōu)化后，濾波器原理圖如圖6所示，各優(yōu)化控件參數(shù)如圖7所示，S參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8仿真結(jié)果可知，級聯(lián)了寄生抑制電路的濾波器的臨近寄生通帶被抑制到70 dB左右，極大提高了濾波器的雜散抑制能力。但該結(jié)果是在理想情況下得出的，并未將實際因素考慮在內(nèi)，因而結(jié)果并不精確。所以對優(yōu)化后的濾波器電路進行了Momentum電磁仿真，得到了更加精確且真實的仿真結(jié)果。

3.2 發(fā)夾型帶通濾波器的Momentum電磁仿真

要進行Momentum電磁仿真，首先要生成版圖，濾波器電路生成的PCB版圖如圖9所示。

利用ADS軟件對電路版圖進行Momentum電磁仿真，得到S參數(shù)仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖10、圖11仿真結(jié)果可知，濾波器的中心頻點在3.25 GHz，通帶略有減小；帶內(nèi)衰減小于3 dB，在f1=2.8 GHz，f2=3.7 GHz處的衰減都達(dá)到30 dB以上；臨近寄生通帶被抑制到40 dB以下，滿足了設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的微帶發(fā)夾型帶通濾波器相比，本文設(shè)計的發(fā)夾型帶通濾波器在其基礎(chǔ)上加入了能夠抑制臨近寄生通帶的短截線低通濾波電路，使得該濾波器對寄生通帶的抑制性好。考慮到實際因素對濾波器的影響，利用ADS軟件進行了版圖的設(shè)計和仿真。仿真結(jié)果表明，該濾波器符合設(shè)計要求，能夠應(yīng)用于對雜散抑制要求較高的微波通信系統(tǒng)中。

參考文獻

[1] 王皓陳，王志明.超高頻帶通濾波器的設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（14）：116?118.

WANG Haochen， WANG Zhiming. Design and simulation of ultra?high frequency bandpass filter [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（14）： 116?118.

[2] 楊振國，王勇，樊高有，等.基于ADS的微帶線帶通濾波器的設(shè)計與優(yōu)化[J].微型機與應(yīng)用，2016，35（17）：87?90.

YANG Zhenguo， WANG Yong， FAN Gaoyou， et al. Design and optimization of microstrip band?pass filter based on ADS [J].Microcomputer & Its Applications， 2016， 35（17）： 87?90.

[3] 李明洋，郭陳江.微帶抽頭線發(fā)夾型濾波器設(shè)計[J].電子工程師，2003，29（9）：57?60.

LI Mingyang， GUO Chenjiang. Design of microstrip tapped?hairpin filter [J].Informatization research， 2003， 29（9）： 57?60.

[4] 董賓.微帶濾波器諧波抑制的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

DONG Bin. Research of harmonic suppression in microstrip filters [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2010.

[5] AHN D， PARK J S， KIM C S， et al. A design of the low?pass filter using the novel microstrip defected ground structure [J]. IEEE transactions on microwave theory & techniques， 2001， 49（1）： 86?93.

[6] 李向陽，劉曉暉，鄒顯炳.耦合諧振帶通濾波器帶外特征及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（24）：74?77.

LI Xiangyang， LIU Xiaohui， ZOU Xianbing. Outside?band character and application of coupling and resonance band?pass filter [J]. Modern electronics technique， 2009， 32（24）： 74?77.

[7] FATHELBAB W M， STEER M B. Parallel?coupled line filters with enhanced stopband performances [J]. IEEE transactions on microwave theory & techniques， 2006， 53（12）： 3774?3781.

[8] 陳世勇，曹海林，楊士中.一種新型微帶Hairpin帶通濾波器的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2006，22（5）：57?60.

CHEN Shiyong， CAO Hailin， YANG Shizhong. Design of a new microstrip hairpin bandpass filter [J]. Journal of microwaves， 2006， 22（5）： 57?60.

[9] LOTFI?NEYESTANAK A A， LALBAKHSH A. Improved microstrip hairpin?line bandpass filters for spurious response suppression [J]. Electronics letters， 2012， 48（14）： 858?859.

[10] 趙龍，潘明海.高選擇性發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2016，32（6）：19?22.

ZHAO Long， PAN Minghai. Design of a hairpin bandpass filter with high selectivity [J]. Journal of microwaves， 2016， 32（6）： 19?22.

[11] 萬君磊，潘明海.新型微帶抽頭式發(fā)夾型帶通濾波器的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2015，31（4）：55?59.

WAN Junlei， PAN Minghai. Design of a new microstrip hairpin bandpass filter [J]. Journal of microwaves， 2015， 31（4）： 55?59.

[12] 王飛，馬勝前.短截線級聯(lián)發(fā)夾線的帶通濾波器設(shè)計[J].壓電與聲光，2010，32（6）：1066?1068.

WANG Fei， MA Shengqian. Design of bandpass filter with stub cascaded hairpin resonators [J]. Piezoelectrics and acoustooptics， 2010， 32（6）： 1066?1068.

[13] 彭玉峰，林思宏，金龍，等.一種基于ADS的微帶低通濾波器優(yōu)化設(shè)計[J].微波學(xué)報，2012，28（z1）：213?215.

PENG Yufeng， LIN Sihong， JIN Long， et al. Optimal design of micro?strip low?pass filter based on ADS [J]. Journal of microwaves， 2012， 28（S1）： 213?215.