徐利，廖惜春，陳婷婷

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

基于階躍阻抗諧振器的耦合微帶帶通濾波器設(shè)計

徐利，廖惜春，陳婷婷

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對寄生通帶降低了耦合微帶帶通濾波器選擇性的問題，設(shè)計了1/4波長型階躍阻抗諧振器（SIR）的微帶帶通濾波器.以平行耦合微帶線為基礎(chǔ)，從上層微帶線結(jié)構(gòu)著手，對SIR的諧振特性和設(shè)計參量進行了推導(dǎo)，根據(jù)微帶帶通濾波器的設(shè)計指標(biāo)，在饋線端端接相應(yīng)的SIR諧振結(jié)構(gòu)，使帶通濾波器在寄生通帶處的衰減達到了-45 dB，提高了帶通濾波器的選擇性.采用插入損耗和網(wǎng)絡(luò)綜合的方法，利用ADS仿真工具對該濾波器進行優(yōu)化仿真設(shè)計，結(jié)果表明，基于SIR結(jié)構(gòu)的濾波器克服了寄生通帶對設(shè)計通帶的影響，提高了濾波器的帶外抑制能力.

無線通信；微帶濾波器；寄生通帶；階躍阻抗諧振器

在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中，平行耦合微帶帶通濾波器是較為常見的微波帶通濾波器[1].由于分布參數(shù)微帶傳輸線頻率響應(yīng)的周期性，微帶濾波器在通頻帶的整數(shù)倍處會出現(xiàn)寄生效應(yīng)[2-3]，造成中心頻率兩邊阻帶衰減的不對稱，限制了對諧波輸出有要求的電路.為了使濾波器適用于有較高抑制帶寬的場合，提高設(shè)計通帶的穩(wěn)定性，本文采用了一種基于SIR諧振結(jié)構(gòu)的微帶帶通濾波器設(shè)計方法，并進行了仿真研究。

1 耦合微帶線寄生效應(yīng)分析

微帶線諧振器具有許多諧振頻率，當(dāng)某一頻率改變時，微帶線諧振器會出現(xiàn)多次諧振，造成通帶和阻帶在頻率軸上不斷交替出現(xiàn).平行耦合微帶線等效為四端口網(wǎng)絡(luò)，可以將平行耦合微帶線視為偶模激勵和奇模激勵的疊加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，其特性阻抗分別為Z0e，Z0o，利用平行耦合微帶線設(shè)計帶通濾波器時，會因偶模與奇模相速不匹配產(chǎn)生寄生效應(yīng).

因為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q比實際阻抗或?qū)嶋H導(dǎo)納更容易測量（如采用網(wǎng)絡(luò)分析儀），所以采用品質(zhì)因數(shù)分析帶通濾波器易于測量濾波特性.圖1為耦合微帶線等效電路，其傳輸線的特性阻抗為Z0，傳輸線在信號端和負載端均處于匹配狀態(tài)（ ZL=Zg= Z0=Z01=Z02）.

在圖1a）中，負載上得到的功率PL就是信號源輸出的全部資用功率Pin，即

圖1b）中，接入濾波器，電路的功率損耗通常被認為是外接負載上的功率損耗和濾波器本身功率損耗的總和，由此定義的品質(zhì)因數(shù)QLD取倒數(shù)，可以得到：

圖1 耦合微帶線的等效電路

由于總功率包含濾波器的功率以及外接負載的功耗，上式可以簡化為：

其中QE、QF、QLD分別為外品質(zhì)因數(shù)、濾波器固有品質(zhì)因數(shù)和有載品質(zhì)因數(shù).

濾波器按圖1b）所示方式插入，負載上得到的功率變?yōu)?/p>

ε為失諧系數(shù)，濾波器以dB表示的插入損耗為：

利用軟件ADS Layout，中心頻率為2.4 GHz、相對帶寬為10%、通帶內(nèi)衰減小于3 dB、帶外抑制（2.15 GHz和2.65 GHz時）不小于40 dB、特性阻抗為50 Ω的平行耦合微帶帶通濾波器，其Momentum版圖仿真如圖2a）所示.其中介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)為rε=2.7，基板的厚度h=1mm，封裝高度 Hu= (1.0e+033)mm ，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，選擇標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器為5節(jié)切比雪夫濾波器.其S參數(shù)仿真結(jié)果如圖2b）所示，從圖中可以看出第2個寄生通帶中心頻率在2f0（4.8 GHz）處，其衰減值為17.305 dB，不能滿足濾波器的帶外抑制指標(biāo).因此，必須克服或抑制微帶線多諧性產(chǎn)生的寄生通帶，濾波器才能應(yīng)用于對諧波輸有要求的電路.

圖2 耦合微帶線帶通濾波器

2 SIR簡介

2.1 SIR結(jié)構(gòu)分析

圖3 SIR的基本幾何結(jié)構(gòu)單元圖

圖3所示是SIR的基本單元結(jié)構(gòu)，它是由2個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準(zhǔn)橫向電磁場模式的諧振器.圖 3a-c分別是λg/4、λg/2、λg諧振器（λg為波長）.在微帶線開路端和短路端之間的特性阻抗和等效電學(xué)長度分別為Z1、Z2和θ1、θ2，其中，阻抗比 RZ=Z2/Z1是表征SIR特性的最重要的參數(shù)[4].

2.2 λg/4型SIR諧振結(jié)構(gòu)的工作原理

在諧振頻率附近的SIR等效電路如圖4所示，推導(dǎo)出的諧振器斜率參數(shù)由集總元件L0、C0、R0來表示[5-6].磁化率參數(shù)bs的定義為：

圖4 SIR諧振時的等效電路

圖3中λg/4型SIR基本幾何結(jié)構(gòu)單元的輸入端的阻抗和導(dǎo)納分別定義為Zi和Yi(=1/Zi).如果忽略階躍非連續(xù)性和開路端的邊緣電容，Zi的表達式如下：

設(shè)λg/4型SIR的磁化率為BSA，相應(yīng)的斜率參數(shù)為bSA，即：

式（8）中，θ01是諧振時θ1的值，l1、l2是諧振器的物理長度.

集總參數(shù)諧振器磁化率斜率與等效電路中L0、C0、R0之間的關(guān)系為：

其中，Q0為諧振頻率點的品質(zhì)因數(shù)值.

3 基于SIR結(jié)構(gòu)的帶通濾波器設(shè)計與仿真

3.1 基于SIR結(jié)構(gòu)的帶通濾波器仿真分析

SIR結(jié)構(gòu)是一種簡潔的電路結(jié)構(gòu)，它由很高和很低特性阻抗的傳輸線段交替排列而成，結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)計和實現(xiàn).一段特性阻抗很高的傳輸線可以等效為串聯(lián)電感，傳輸線的特性阻抗越高所需的傳輸線長度越短；一段特性阻抗很低的傳輸線可以等效為并聯(lián)電容，傳輸線的特性阻抗越低所需要的傳輸線長度也越短.[7]根據(jù)λg/4型SIR諧振結(jié)構(gòu)的工作原理，在饋線端端接SIR諧振結(jié)構(gòu)可以抑制平行耦合帶通濾波器的寄生通帶，其等效示意圖如圖5a）所示.根據(jù)帶通濾波器的設(shè)計參數(shù)[8]，SIR結(jié)構(gòu)微帶線特性阻抗最大值Zmax可取為120 Ω，特性阻抗最小值Zmin可取為15 Ω，采用5段高低阻抗諧振結(jié)構(gòu)，SIR結(jié)構(gòu)的物理尺寸如表1所示.

饋線端端接SIR諧振結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖5b)中點狀線所示，在2f0處寄生通帶的衰減值已經(jīng)達到45.428 dB(m4)（濾波器的設(shè)計指標(biāo)要求帶外抑制大于30 dB），此時寄生通帶對設(shè)計通帶的影響基本可以忽略.即SIR諧振結(jié)構(gòu)很好地解決了設(shè)計過程中出現(xiàn)的寄生通帶，提高了濾波器的帶外抑制能力.

圖5 基于SIR結(jié)構(gòu)的仿真

表1 SIR結(jié)構(gòu)物理尺寸

為了使仿真結(jié)果更符合電路實際環(huán)境，進一步對平行耦合微帶濾波器的版圖用Momentum仿真.在Momentum中，構(gòu)成電路的各種微帶線元件模型已經(jīng)轉(zhuǎn)化成實際微帶線，如圖6a）所示，版圖的仿真結(jié)果如圖6b）所示，從圖5b）和圖6b）可看出版圖的仿真數(shù)據(jù)與原理圖的仿真數(shù)據(jù)有一些微小的差異，這是因為版圖的仿真考慮了電路中輻射、耦合和散射效應(yīng)等因素的影響.理論分析和全波仿真結(jié)果均表明，相對于傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法，基于SIR結(jié)構(gòu)的濾波器性能較好，適用于有較高抑制帶寬的場合.

圖6 版圖Momentum仿真的S參數(shù)曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種新的諧波抑制結(jié)構(gòu)，用來抑制耦合微帶濾波器的諧波寄生通帶.該方法設(shè)計簡單、抑制效果好，對一個1/4波長階躍阻抗諧振器實例進行的理論分析和EM仿真都表明了這種結(jié)構(gòu)有比較理想的抑制效果.該諧波抑制結(jié)構(gòu)實際上是多導(dǎo)體傳輸線的變形，按照這種思路可進一步研究這種結(jié)構(gòu)的等效電路，以便于設(shè)計.

[1]甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1993：40-52.

[2]清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1979：99-132.

[3]王子宇，徐承和.射頻電路設(shè)計：理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：125-165.

[4]AMARI S.Synthesis of cross-coupled resonator filters using an analytic gradient-based optimization technique[J]. IEEE MTT,2000,48(9)：1559-1564.

[5]MAKIMOTO M,YAMASHITA S.無線通信中的微波諧振器與濾波器[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002：23-34.

[6]GARCIA J.Spurious passband suppression in microstrip coupled line band pass filters by means of split ring resonators[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(9)：416-418.

[7]LEE S Y,TSAI C M.New cross-coupled filter design using improved hairpin resonator[J].IEEE MTT,2000, 48(20)：2482-2490.

[8]陳琦.微帶濾波器綜合技術(shù)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

The Design of the Coupling Microstrip Bandpass Filter Based on the Stepped Impedance Resonator

XU Li,LIAO Xi-chun,CHEN Ting-ting
(School of Information Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China)

In the process of designing coupled microstrip bandpass filter,the parasitic bandpass reduces the filter’s selectivity.The study designed a microstrip bandpass filter with 1/4 wavelength type of step-impedance resonator(SIR)based on parallel coupled microstrip lines.The study began with the upper microstrip line structure and deduced the SIR’s resonant characteristics and design parameters.According to the design index of the microstrip bandpass filter,corresponding SIR resonant structure was added on the feeder end to make the attenuation in parasitic bandpass reach -4 5 dB and improve the band-pass filter selectivity.The study adopted the methods of Insertion Loss and Comprehensive Network and used ADS to simulate and optimize design.The simulation results showed that the filter based on the structure of the SIR overcame the influence of parasitic bandpass and improved the filter’s out-of-band inhibitory ability.

wireless communication;microstrip filter;parasitic passband;stepped impedance resonator

?

TP202+.7

A

1006-7302（2011）03-0065-05

2011-04-01

徐利（1986—），男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為短距離無線通信技術(shù)；廖惜春，教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，從事射頻通信與智能信息處理技術(shù)研究.