微带发夹滤波器设计

[导读]

本文提出一种小型化宽阻带微带带通滤波器的设计方案。本方案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3.95~13.27 GHz小于-20 dB,使寄生通带在中心频率的3.92倍处。方案中所设计的滤波器的最终尺寸仅为12.2 mm×11.5 mm,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。

0 引言

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，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的结构原理、三阶交叉耦合结构原理，随后提出了一种小型化宽阻带微带带通滤波器的设计方案，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λg /4 型、λg/ 2 型或λg 型三种基本谐振结构，其中λg /2 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.

湖北大学

硕士学位论文

微带低通滤波器的设计与研究

姓名：吴姣

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：杨维明

20100501摘要

当前，无线通信技术发展非常快，研制小型化、高性能、低成本的微波电路已经成

为了一项及其紧迫的任务。在微波通信、卫星通信、雷达导航等中，是重要的器件之一，

它的性能的好坏往往会对整个通信系统的性能指标产生直接的影响。随着科学技术、新

材料、新工艺的快速发展，设计体积小、重量轻、性能高、成本低的射频／微波滤波器以

及其它器件必将是工程设计和市场竞争的趋势。这就要求电路一方面要满足电气性能指

标，另一方面还要尽可能地减少电路所占用的空间。传统方法设计出来的滤波器结构尺

寸一般比较大，在性能指标上也存在着一定局限，往往不能够满足现代无线通信系统的

要求。现在，在射频／微波电路中较常选用的是微带线结构的微波滤波器。这种结构的滤

波器体积小、重量轻、通过光刻术容易加工且方便与其它微波电路集成在一起，故许多

电路均使用此类滤波器。

本论文主要用三种方法对一个五阶的微带低通滤波器进行设计与研究，其理论依据分别是阶跃阻批分形理论、Ｒｉｃｈａｒｄｓ变换与Ｋｕｒｏｄａ规则、ＤＧＳ结构。设计阶跃阻抗微带

低通滤波器时，由于阶跃阻抗微带线结构的不连续性，会导致版图仿真与电路原理图仿真

结果相差很远。为了解决这一问题，论文提出先对阶跃阻抗微带线的结构参数进行预处理，

然后引入分形技术对低阻抗微带线的版图结构作进一步优化的设计方法，利用分形结构

成阶梯锯齿状分布的线宽来改善滤波器的通带特性，而又几乎不影响滤波器的阻带特性，

获得了满意的滤波性能；在采用基于Ｒｉｃｈａｒｄｓ变换与Ｋｕｒｏｄａ规则的微带滤波器的结构和

设计方法时，引入分形技术对微带低通滤波器进行优化设计，也获得了满意的滤波性能；

采用方形缺陷地结构实现该滤波器，结构简单，４０ｄＢ的阻带宽度大大增加，能有效地抑

制滤波器的高次谐波响应，另外采用分形技术对该滤波器结构进行的改进使其滤波性能

一种具有寄生抑制电路的微带发夹型带通滤波器

王维帅;谢锡海;姜晖

【摘 要】针对发夹型带通滤波器通带附近存在寄生通带的问题,根据微带发夹型带通滤波器的基本原理,利用ADS软件,设计一种具有寄生抑制电路的微带发夹型带通滤波器.首先,运用理查德变换和科洛达规则设计一个短截线低通滤波电路;其次,通过将该电路与传统的发夹型带通滤波器级联,有效地抑制了邻近的寄生通带,使得滤波器具有较好的阻带特性;最后,考虑到实际因素对电路的影响,进行了电路版图Momentum仿真.仿真结果表明,寄生通带的抑制效果理想,该方法可行.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2018(041)018

【总页数】5页(P122-125,130)

【关键词】短截线低通滤波电路;微带线;寄生通带抑制;发夹型带通滤波器;ADS;电磁仿真

【作 者】王维帅;谢锡海;姜晖

【作者单位】西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710061;西安邮电大学

通信与信息工程学院,陕西 西安 710061;西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西

西安 710061

【正文语种】中 文

【中图分类】TN713+.5-34;TN713

在无线通信系统中，滤波器是至关重要的组成部分，它能够选择有用的信号，消除不必要的谐波，抑制杂散[1]。因此设计高性能的新型滤波器一直是无线通信领域的重要内容。其中，利用微带线等分布参数元件设计的发夹型带通滤波器，不仅能够满足系统工作于高频段的设计要求[2]，而且其成本低、重量轻且易于制造，所以近年来在各种微波通信系统中得到广泛应用[3]。

然而，对于微带线发夹型带通滤波器而言，在设计频率的整数倍处，会出现寄生通带[4]，影响滤波器的整体性能。为了获得较好的阻带特性，近些年来，人们进行了大量的研究，并提出了一些滤波器设计方案：文献[5]采用缺地陷结构获得较宽的阻带；文献[6]通过控制谐振耦合抑制寄生阻带；文献[7]利用并联耦合线实现宽阻带效应。但这些结构存在阻带抑制不理想或结构复杂的缺点。为了解决以上结构所存在的问题，本文采用了短截线低通滤波电路级联发夹型带通滤波器的方法，有效抑制了带外杂散，获得了较宽的阻带，最终设计出中心频率在3.25 GHz，带宽为500 MHz的发夹型带通滤波器，并通过Momentum电磁仿真结果证明，该滤波器性能较好，具有很好的实用价值。

www�ele169�com󰀁󰀁|󰀁󰀁13电子电路设计与方案

0 序言

随着通信技术的革新，通信设备前端对器件性能要求也

越来越高，滤波器作为通信系统必不可少的器件，对系统性

能的好坏起到至关重要的作用[1-4]。如何设计制造成本低、

体积小、高性能的微波滤波器是微波技术研究领域一个重

要课题。微波频段的滤波器种类繁多，实现方式多种多样。

在各种实现方式中，采用平面印刷电路板（PCB）工艺生产

的平面滤波器相对于其他滤波实现方式，其具有体积小，成

本低，批量加工效率高的优势，一直以来受到研究领域和应

用领域的重视，得到了广泛的应用[5-7]。近期，工信部发布

了《公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使

用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段的意见》，拟在

3300-3600MHz和4800-5000MHz两个频段上部署5G[8]。

本文针对上述问题展开研究，基于Rogers6006高频板

材，设计了一款4800-5000MHz的微带平面带通滤波器，

滤波器采用结构紧凑的发夹型滤波器，达到了较理想仿真结

果，可以为未来5G通信应用作为参考。

1 滤波器的综合

本设计采用耦合矩阵的方法[9]进行滤波器综合设计，

滤波器设计指标如下：通带范围4800MHz-5000MHz, 中心

频率为：MHz, 带内回波损耗-25dB，带内衰减为0.02dB。

滤波器采用5阶切比雪夫结构，图1为滤波器的结构示意图，

图中蓝色圆为滤波器谐振单元，分别为谐振单元R1，R2…

R5，黑色圆圈表示滤波器的输入输出端口，蓝色圆两两之

间连线为其间的耦合系数，利用Couplefil滤波器综合软件，

得到滤波器的设计参数。反归一化后的耦合系数依次为 M12

= 0.0397，M23 = 0.0278，M34 = 0.0278，M45 = 0.0397; 外部Q值

Q

S1 = 19.5, Q5L = 19.5。图2为综合得到的滤波器性能。

图1 滤波器拓扑结构示意图图2 理想滤波器的响应曲线