半波长SIR带通滤波器在谐波抑制中的应用*

张立明，冯全源

(西南交通大学微电子研究所，成都 610031)

随着电子战、卫星通信和个人移动通信等领域的迅速发展，作为关键射频器件的滤波器的作用越来越重要。现代微波通信系统对带通滤波器的要求，不仅仅是有良好的带内性能，如较小的插损，良好的匹配，有衰减极点等，而且要求其有良好的带外性能即有足够宽的阻带。特别是用在微波振荡器或放大器输出端的滤波器，要求具有良好的谐波抑制性能[1]。

M.Makimoto和S.Yamashita提出的应用阶梯阻抗谐振器(SIR-Stepped Impedance Resonators)构成滤波器，通过调节新的设计参量-阻抗比K，既能实现滤波器小型化的目的，同时还可以实现抑制谐波提高阻带频率响应指标。另外，虽然理论已经证明了四分之一波长SIR最适于微型化结构，但在实际中，半波长SIR比四分之一波长SIR用于更多的射频器件。这是由于半波长SIR是由带状线结构组成，允许有更广的几何结构，且和有源器件有很好的兼容性[2]。

本文应用SIR结构特性分别设计了相同阻抗比和不同阻抗比的半波长SIR带状线平行耦合带通滤波器，通过控制SIR的阻抗比，控制各阶谐波通带的中心频率位置，间接实现抑制谐波的目的。同时为了减小滤波器的体积，所有组成滤波器的单元谐振器都采用了紧凑的发夹形结构。

1 半波长SIR-BPF的设计原理

1.1 半波长型SIR-BPF的基本结构

平行耦合开路端的半波长SIR被用来实现适合于MIC的BPF。当采用SIR作为单元谐振元件时，输入输出耦合和谐振器的级间耦合仍能通过相同的平行耦合线实现，但耦合角并不限于π/4弧度。带状线平行耦合BPF的分布式耦合电路如图1所示，这一电路的电学参量由偶模阻抗Zoe和奇模阻抗Zoo及电耦合角θ来表示[3]。

图1 采用带状线SIR n级BPF的一般结构

如图2所示，平行耦合节可以等效为由两根单线和一个导纳反相器组成的等效电路。因此，只要制定被设计的滤波器的反相器参数，就可以确定平行耦合节的综合电学参数。

图2 平行耦合带状线和它的等效电路电学参数

1.2 半波长型SIR谐波特性分析

半波长型SIR的基本结构如图3所示，现在取θ1=θ2=θ，则从开路端看去，它的输入导纳为：

图3 半波长SIR谐振单元

设杂散谐振频率为fSB1fSB2fSB3，对应的θ为θS1θS2θS1，谐振时输入导纳Yi=0。

于是：

第一杂散响应

第二杂散响应

第三杂散响应

可以看出， SIR的杂散谐振频率受阻抗比K的控制，通过K的选取，可以改变寄生杂散谐振条件，使某些f0的整数倍处出不产生寄生条件，得到宽阻带特性的BPF滤波器。

1.3 半波长型SIR在谐波抑制中的应用

半波长型平行耦合SIR-BPF一般有两种结构：一种结构是由相同阻抗比的单元SIR组成，如图4所示，其杂散谐振频率发生在由整数倍基频f0衍生的频率上，这一特性对于抑制产生于非线性电路中的谐波成分的输出滤波器的设计是十分有价值的。

阻抗比的选择应满足：

这是根据第一次谐波出现位置的要求而求得的阻抗比K的最大值。一般情况下为了计算方便，可以适当选择K。

另外一种结构是不同阻抗比的单元SIR组合的BPF，通过改变多个SIR阻抗比来控制杂散谐振频率而又保持主谐振频率不变，主要应用于有宽阻带需求的抑制杂散频率响应的BPF.在平行耦合线等分布耦合电路中，由电路的电特性和频率固有的依赖性可知，杂散响应的抑制在不同结构的SIR-BPF中得以提高。

图4 相同结构SIR-BPF传输响应

如图5所示，不同阻抗比的SIR-BPF可以看做由多个不同阻抗比的单元SIR级联而成，这些单元SIR具有共同的基本谐振频率，不同的杂散响应，级联后，可以有选择的将部分杂散谐振频率抑制。因此，不同结构的SIR-BPF能得到更好的杂散相应抑制和阻带扩展。

图5 不相同阻抗比组合SIR-BPF的传输响应

在设计过程中，首先要考虑的是SIR的结构组成，但是目前不存在系统的方法由指定的杂散响应电平以确定合适组合。本节主要针对阻抗比的选择情况进行探讨。

根据”通过改变多个SIR阻抗比来控制杂散谐振频率而又保持主谐振频率不变”这一要求，阻抗比K的选择应该注意以下三点：

(1)各个耦合节的第一和第二次杂散响应分散分布，不要重叠，以实现交互抑制；

(2)在满足谐波抑制的前提下，兼顾小型化，也就是选择尽可能小的阻抗比K；

(3)阻抗比K的选择并不唯一，可以选取不同的组合进行设计，根据仿真结果确定最优组合。

2 SIR滤波器设计

设计指标：通带3.0 ～3.2 GHz，带内波动Lr≤0.01 dB，带外抑制在f≥3.6 GHz或f≤3.6 GHz处大于40 dB，杂散谐振频率fs≥2.5f0。

2.1 设计指标分析

滤波器响应类型为切比雪夫，经计算级数为n=4，相对带宽BW=6.25 %。

(1)相同结构的SIR-BPF

(2)对不同结构的SIR-BPF

由平行耦合BPF结构的对称性，一般将对称的平行耦合节取相同的阻抗比。本设计中，为了满足第一寄生通带这一指标，取第二和第三耦合节的阻抗比k=0.5， 杂散响应在 2.55f0，4.1f0， 5.1f0， …。对第一和第四耦合节，为了设计简便，取K=1，其杂散响应相应发生在中心频率的整数倍2f0， 3f0， 4f0， 5f0， …。由于耦合节的级联关系，只有不同结构SIR共有的或者距离比较近的杂散响应才会成为SIR-BPF的杂散响应，而其它他的杂散相应被抑制了。因此，最终得到的SIR-BPF仅有三个明显的杂散相应2.55f0， 4.1f0， 5.1f0。

2.2 电路仿真

为了使滤波器的结构紧凑，有利于实现小型化，所有组成滤波器的SIR单元均采用了发夹型结构[4]。在ADS中建立电路原理图如图6所示。

选择衬底材料如下。

衬底材料 玻璃纤维薄片

图6 设计的相同和不同SIR结构的滤波器原理图

相对介电常数 Er=2.6

衬底高度 H=3.13 mm

中心导体厚度 t=0.018 mm

损耗角 Tand=1e-3

为了获得更加准确的滤波器结构，在滤波器的设计过程中，利用仿真软件ADS2008对初始设计参数进行了优化[4]，设计的SIR-BPF的初始设计尺寸和优化后的尺寸如表1所示，优化后的仿真结果如图7所示。

表1 初始设计和优化后的平行耦合线设计参数

图7

可以看出：相同阻抗比的SIR-BPF其杂散响应出现在 2.55f0、5.1f0，在2f0处并没有出现寄生通带，说明阻带已经扩展到2.5f0，仿真结果和理论分析是一致的；不同阻抗比的SIR-BPF其杂散响应是由多个SIR的杂散响应组合而成的， 分散在2 f0、2.55f0、3f0、4.1f0处，虽然在2f0处出现了寄生通带，但是其传输响应已经下降到了-45 dB以下，还是满足设计指标的，并且，和相同阻抗比的SIR-BPF相比，它所有杂散响应的传输函数都比较低，这是由于不同SIR的谐波相互抑制作用产生的。

2.3 Momentum电磁仿真

版图的仿真是采用Momentum(矩量法)直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要更加接近实物的响应。一般情况下，由原理图直接生成的版图仿真得到的曲线不满足指标要求，产生这种情况的原因是相邻耦合线节间的线宽相差过大或者其它的参数取值不合适。本文的做法是根据曲线与指标的差别情况，适当调整优化目标的参数，重新对原理图进行优化仿真。重复版图——原理图——版图的优化过程，直到版图仿真的结果达到要求。

图8 三维版图俯视图

最终得到Momentum电磁仿真结果如图9和图10所示。

图9 正向传输系数仿真曲线

图10 输入端口反射系数仿真曲线

3 结论

本文介绍了半波长SIR-BPF的设计原理和设计步骤，对其谐波抑制原理进行了分析，并且讨论了相同阻抗比和不同阻抗比这两种结构的SIR-BPF传输响应，目的是说明根据不同的应用背景，可以选择不同的结构来达到抑制杂散响应的目的对于不同阻抗比的SIR-BPF，其阻抗比K的组合并不唯一，而是根据实际应用而有多种选择，使用这种结构可以得到更好的传输响应，但是设计过程要相对复杂一些。

[ 1] Cristal E G， Frankel S.Hairpin-Line and Hybrid Hairpinline/Half-Wave Parallel-Coupled-Line Filters[ J].IEEE Trans Microwave Theory Tech， 1972， 20：719-728.

[ 2]Makimoto M， Yamashita S.无线通信中的微波谐振器与滤波器[M].赵宏锦，译.北京：国防工业出版社， 2002.

[ 3] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[ M].北京：科学出版社， 1973.

[ 4]Agilent Technologies.“Line Calc Program” Advanced Design System ver.1.3， Palo Alto， CA， November 1999.

[ 5]Nikholas G.Practical Techniques for Designing Microstrip Tapped Hairpin Resonator Filterson FR 4 Laminates[ M] .Toledo， 2001.