小型化宽阻带微带带通滤波器设计

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1、小型化宽阻带微带带通滤波器设计　　摘要：提出一种小型化宽阻带微带带通滤波器，采用半波长阶跃阻抗谐振器结构，且在不相邻的谐振器之间引入交叉耦合，从而在滤波器的阻带上产生了2个传输零点，使阻带抑制在3.95～13.27GHz小于-20dB，使寄生通带在中心频率的3.92倍处。滤波器的最终尺寸仅为12.2mm×11.5mm，即0.21λg×0.2λg，相比于传统的发夹型滤波器，此滤波器的体积减小了63.5%，而且实测的结果与仿真结果达到了较好的一致性。所提出的滤波器具有更宽的带外抑制，更小的尺寸，且设计简单，在工程领域具有实际的应用价值。关键词：阶跃阻抗谐振器；交叉耦合；小

2、型化；宽阻带中图分类号：TN713.5?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）19?0080?030引言7近年来，随着移动通信系统、雷达系统以及超宽带通信系统的发展，小型化、宽阻带性能的滤波器在实际应用中受到了广泛关注。传统的并联分支线低通滤波器和半波长平行耦合线滤波器的寄生通带都位于中心频率的2倍处，而传统的阶跃阻抗谐振滤波器的寄生通带在中心频率的2.5倍处左右，应用时很难获得宽阻带的抑制效果。而且此类滤波器的尺寸较大，阻带窄，受微带加工最小宽度的限制，滤波器的性能受到一定的制约。为了得到陡峭的衰减边沿及更好的阻带特性，需要增加短路或开路短截线数

3、，但这会进一步增大电路尺寸，并且在通带内引入更多的插入损耗。通过在有限频率处引入传输零点可以获得较好的频率选择特性及带外抑制。在滤波器的设计中，交叉耦合被广泛用来在阻带引入有限传输零点，这些传输零点可以很好地改善带边过渡特性及阻带抑制能力。本文首先分析了阶跃阻抗谐振器[1]的结构原理、三阶交叉耦合结构原理[2-4]，随后设计了一个宽阻带滤波器，其寄生通带在中心频率的约4倍处，比一般的滤波器具有更宽的阻带，并对仿真与实测结果进行了分析，且得到了较好的一致性。1基本设计理论1.1阶跃阻抗谐振器原理阶跃阻抗谐振器常采用[λg4]型、[λg2]型或[λg]型三种基本谐振结构，

4、其中[λg2]型谐振器的基本结构如图1所示，为非等电长度半波长结构，由特征阻抗分别由[Z1]和[Z2]的传输线组成，其对应电长度为[θ1]和[θ2。]如果忽略结构中的阶跃非连续性和开路端的边缘电容，从开路端看的输入导纳[Yin]为：7[Yin=jY2K（tanθ1+tanθ2）（K-tanθ1tanθ2）K（1-tan2θ1）（1-tan2θ2）-2（1-K2）tanθ1tanθ2]（1）式中：[K]为阻抗比，定义为[K=Z2Z1。]为设计方便，取[θ1=θ2=θ，]则式（1）简化为：[Yin=jY22（1+K）（K-tan2θ）tanθK-2（1+K+K2）tanθ

5、]（2）其谐振条件为：[Yin=0，]得其基频振荡条件为[K=Z2Z1=tan2θ。]由此公式可知，阶跃阻抗谐振器的谐振条件取决于电长度[θ]和阻抗比率[K。]1.2三阶交叉耦合结构原理对于窄带滤波器，其三阶交叉耦合滤波器的等效电路如图2所示。相邻谐振器间的耦合用[M12]和[M23]表示，交叉耦合用[M13]表示。外部品质因数[Qe1]和[Qe3]各表示输入和输出耦合。图2所示的耦合滤波器等效电路可以被转换为一个低通原型滤波器形式，如图3所示。其中每个矩形框代表一个频率不变的[J]导纳变换器。在一个对称的二端口电路中，[J12=J23=1，][g0=g4=1，][g

6、1=g3，][B1=B3。]2滤波器设计实例根据以上介绍的基本原理，本文设计了一个中心频率为3550MHz，相对带宽10%（绝对带宽为355MHz），通带内回波损耗为-20dB，高端4～13GHz的抑制要大于20dB的滤波器。采用的板材是Rogers75880，其介电常数为2.2，介质损耗角正切为[tanδ=]0.0009，厚度为0.508mm，铜箔厚度为0.018mm，其电导率为5.7×107S/m。根据上面的三阶交叉耦合结构原理，可以得到三阶交叉耦合滤波器的低通原型参数值为[5]：[g1=g3=0.757，g2=0.921；B1=B3=0.098，B2=-0.46

7、；][J12=J23=1，J13=-0.237。]且可得：[f01=f03=3527.2MHz，f02=3640.1MHz；Qe1=Qe3=][7.57，M12=M23=0.12，M13=-0.031。]可以发现，谐振器1和谐振器3的谐振频率要低于中心频率，而谐振器2的谐振频率要高于中心频率。由[f0=]3550MHz和FBW=0.1可得归一化耦合矩阵[5]：[m=-0.1291.2-0.311.20.5081.2-0.311.2-0.129]（3）根据算得的耦合系数与外部品质因数确定谐振器间隙的大小和谐振器的摆放位置、馈线抽头的位置。谐振器间的耦合