一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬阻帶短路枝節(jié)超寬帶濾波器

摘要：文章基于短路枝節(jié)模型設(shè)計(jì)了一個通帶范圍為3．1～10．6 GHz的超寬帶濾波器。濾波器兩側(cè)的半波長傳輸線中集成低通單元以改善上阻帶特性，其余的半波長傳輸線用蜿蜒線替代以減小縱向尺寸，緩解了傳統(tǒng)短路枝節(jié)超寬帶濾波器寄生通帶過近和縱向尺寸偏大的問題。通過替代單元與半波長傳輸線在通帶內(nèi)特性等效，設(shè)計(jì)過程大大簡化。濾波器的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在22．8GHz范圍內(nèi)上阻帶抑制優(yōu)于20dB。
關(guān)鍵詞：超寬帶；帶通濾波器；短路枝節(jié)

0 引言
    在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶濾波器對于濾除噪聲和帶外干擾信號起著不可或缺的作用。傳統(tǒng)的濾波器理論適用于窄帶和中等帶寬(相對帶寬不超過20％)濾波器的設(shè)計(jì)，一般不能直接用來設(shè)計(jì)超寬帶濾波器。目前超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)主要基于兩種方法：一種是基于多模諧振器，另一種基于高低通濾波器級聯(lián)?；诙嗄ＶC振器實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但是濾波器通帶和阻帶的性能不容易控制，往往要通過對多模諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。通過高低通濾波器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器性能容易控制，低通單元和高通單元的設(shè)計(jì)可以獨(dú)立進(jìn)行。
    短路枝節(jié)線帶通濾波器具有工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，通過增加短路枝節(jié)數(shù)目即可滿足高選擇性的需求，但是這種濾波器寄生通帶距離工作頻帶較近，而且結(jié)構(gòu)不夠緊湊。為了解決這兩個問題，本文在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入了低通單元，并且使用蜿蜒線替代半波長傳輸線，設(shè)計(jì)了一個結(jié)構(gòu)緊湊，同時上阻帶性能大大改善的超寬帶濾波器。

1 短路枝節(jié)帶通濾波器
    短路枝節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)通常被用來設(shè)計(jì)高通濾波器和帶寬較寬的帶通濾波器，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的短路枝節(jié)濾波器中包含冗余傳輸線，采用不含冗余傳輸線的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，能夠用較少的短路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的濾波性能，且綜合出的傳輸線阻抗對應(yīng)的微帶線寬易于實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，若短路枝節(jié)電長度為θ，則連接短路枝節(jié)的傳輸線電長度為2θ。根據(jù)帶通濾波器的通帶范圍fl～fh確定fl對應(yīng)的短路枝節(jié)電長度θl：
   
    選擇既定的濾波函數(shù)后查表即可綜合出短路枝節(jié)線和連接它們的傳輸線段的阻抗值。利用式(2)求得圖1中各節(jié)傳輸線的阻抗值，列于表1。

    Zi=Z0／yi
    Zi,i+1=Z0／yi,i+1    (2)
    其中yi，yi+1為濾波函數(shù)綜合出的原型參數(shù)。圖1中f0=(fl+fh)／2=6．85GHz為帶通濾波器的中心頻率，對應(yīng)的短路枝節(jié)TL1～TL6電角度為90°，對應(yīng)的傳輸線電角度為180°。

    圖2是圖1中原型電路的S參數(shù)曲線。S21在2f0處達(dá)到極小，形成一個傳輸零點(diǎn)，使得上阻帶具有與下阻帶相當(dāng)?shù)膸庖种铺匦?；同時由于傳輸線的周期性，在2f0+fl～2f0+fh頻段內(nèi)形成濾波器的寄生通帶，減小了上阻帶的抑制帶寬。為此在濾波器結(jié)構(gòu)中加入低通單元以加強(qiáng)對上阻帶的抑制。同時由圖1可以看出，由于半波長傳輸線較長，濾波器結(jié)構(gòu)不夠緊湊。為此使用蜿蜒線取代半波長傳輸線以得到更加緊湊的電路結(jié)構(gòu)，減小電路尺寸。

2 等效半波長傳輸線的低通單元的設(shè)計(jì)
    可以將低通單元直接加入到濾波器的輸入或輸出端，相當(dāng)于將原來的帶通濾波器與低通濾波器級聯(lián)，但是同時低通單元的引入會增加原始濾波器的尺寸。如果將低通單元集成到原來的濾波器結(jié)構(gòu)中，在不增加尺寸的情況下同樣達(dá)到高頻抑制效果。這樣在工作頻段內(nèi)，低通單元起到半波長傳輸線阻抗變換的作用；而在高頻段，低通單元起諧波抑制作用。

    本文設(shè)計(jì)的低通單元電路模型示于圖3，它是基于高低阻抗線的低通濾波器。由于扇形枝節(jié)比低阻抗線結(jié)構(gòu)更加緊湊且能實(shí)現(xiàn)的帶寬更寬，因此選用扇形枝節(jié)取代低阻抗線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容的作用。為了保證集成低通單元不改變原始電路在通帶內(nèi)的特性，要求低通單元在通帶內(nèi)具有與半波長傳輸線相同的幅頻特性和相頻特性。即一方面要求通帶范圍內(nèi)低通單元的插入損耗足夠小，回波損耗足夠大；另一方面要保證低通單元與原來的半波長傳輸線實(shí)現(xiàn)相同的相移。前一點(diǎn)可以在綜合出電路尺寸初值后通過參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，后一點(diǎn)通過在低通單元兩端各插入一段調(diào)試微帶線(圖3中的TL1和TL2)實(shí)現(xiàn)。圖4是仿真得到的低通單元的S參數(shù)曲線，在3．1～10．6GHz回波損耗優(yōu)于18dB，與半波長傳輸線相移誤差不超過8.5°。

3 等效半波長傳輸線的蜿蜒線的設(shè)計(jì)
    基于相同的準(zhǔn)則研究半波長傳輸線與蜿蜒線的等效關(guān)系?？紤]到蜿蜒線的90°轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)和耦合效應(yīng)，建立如圖5所示的電路模型。蜿蜒線的s參數(shù)曲線如圖6所示，在3．1～10．6GHz范圍內(nèi)蜿蜒線回波損耗優(yōu)于16dB，與半波長傳輸線的相移誤差不超過8°。

4 濾波器綜合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)短路枝節(jié)超寬帶濾波器如圖7所示。該濾波器共由6個短路枝節(jié)組成，枝節(jié)1和2、5和6之間的半波長傳輸線用低通單元代替，其余枝節(jié)之間的半波長傳輸線用蜿蜒線代替。選擇介電常數(shù)10．8、厚度25mil的Rogers6010基板加工的實(shí)物樣本示于圖8。濾波器尺寸參數(shù)列于表2，由于采用蜿蜒線代替了半波長傳輸線，濾波器的結(jié)構(gòu)十分緊湊，尺寸僅為36mm×9mm。

    濾波器仿真與測試結(jié)果如圖9所示。在3．1～10．6GHz頻帶內(nèi)測試的插入損耗最大為4．7dB，插入損耗包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及同軸微帶轉(zhuǎn)換損耗。測試結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差主要是由加工誤差引起的。由于引入了低通單元，濾波器上阻帶直到22．8GHz帶外抑制優(yōu)于20dB(如圖10)，具有很寬的寄生通帶。

5 結(jié)束語
    本文從短路枝節(jié)超寬帶濾波器模型出發(fā)，針對傳統(tǒng)短路枝節(jié)超寬帶濾波器寄生通帶偏近和縱向尺寸偏大的問題，采用集成低通單元和蜿蜒線對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在濾波器設(shè)計(jì)過程中，充分利用了等效設(shè)計(jì)思想以簡化設(shè)計(jì)方法。本文實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，帶外抑制程度高，選擇性好，并且寄生通帶距離工作頻帶很寬，具有良好的濾波性能。