微波滤波器设计的新观点
2012-09-19白志强郭陈江
白志强，丁 君，郭陈江
（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）
传统的微波滤波器设计方法从滤波器特性曲线入手，通过网络综合得到集总参数元件的组成模型，进而再用分布参数元件逼近集总参数元件，从而将电路结构由集总参数变为分布参数[1-2]。对于初次接触滤波器设计的人员来说，这种方法具有直观易懂的优点，但是其缺点在于由集总参数模型向分布参数模型转变的过程中，因为分布参数元件频率特性复杂，建模难度较大。现有的文献中只有少数几种分布参数的电路形式有完整的建模分析过程，对于不同的情况下的工程设计有一定的缺憾。近年来复合左右手传输线等新型结构因其能大幅缩短电路尺寸，而在微波电路中展现了良好的应用前景，将复合传输线应用到微波滤波器设计中，成了滤波器设计的一个发展的新趋势[3-4]。
随着计算机性能的提高和电路设计软件功能的完善[5-6]，本文提出了一种滤波器设计的新观点。从滤波器的频率特性曲线出发，尝试直接进行分步参数滤波器的设计，去掉了集总参数模型的建模环节，改用软件分析代替。
理想的滤波器频率特性曲线，可用一个门函数表示。对其做傅里叶级数展开，可将原函数用在区间内的无穷多项三角函数进行逼近。在实际应用中，取该级数的前若干项，逼近后的新函数和原函数相比，通带不再是理想的平坦特性，通带和阻带之间也有一定的过渡带，过渡带的长度由所取的项数决定；另一个不同之处是新函数比原函数多了寄生通带，原因在于选用的逼近函数是周期性的，三角函数的周期性和微带线的周期性十分相近，因此可以考虑利用不同微带线的组合来逼近滤波器频率特性曲线。
1 微带线单元模型的频率特性分析
一个微波滤波器可以看作是如下单元的某种组合。1）单段微带线，如图1所示。
图1 单段微带线Fig.1 Single microstrip line
阻抗匹配的微带线在很宽的频段内近似为一条直线，随着频率增加，损耗略有增大。这是由于微带线本身是有耗的，波数中的阻抗系数随频率增加而增大。非阻抗匹配的微带线为近似正弦曲线，且微带线特性阻抗偏离匹配阻抗值越大时，正弦曲线的幅值越大。
将若干段微带线直接级联，可以组成近似的滤波器特性曲线，这种方式需要多节微带线，电路尺寸较大。
2）窄边耦合的微带线，如图2所示。
图2 窄边耦合的微带线Fig.2 Narrow-coupled microstrip line
单节窄边耦合的微带线和单段微带线相比，在某些通带上宽度已有所展宽，但是总体上看仍为近似正弦曲线，要逼近理想的滤波器频率特性仍需要若干节窄边耦合微带线级联。
3）T型微带短截线，如图3所示。
图3 T型微带短截线Fig.3 T-type microstrip stub
T型微带短截线为明显的带阻特性，阻带尖锐且通带较宽。若用T型微带线级联逼近滤波器特性曲线，需要多节。当T型微带短截线间距较近时，相邻线之间会出现耦合，此时模型3就变成了模型6（见下文），特性曲线也会有所改变。
4）十字形微带短截线，如图4所示。
图4 十字形微带短截线Fig.4 Cross-type microstrip stub
根据T型微带短截线的分析结果，可以猜测十字形微带短截线的特性曲线应与其相同，但是相同尺寸下通带和阻带的衰减应当会更大一些。
十字形微带短截线的特性曲线与猜测中的结果相符。
在现有的各种滤波器设计图形中，T型和十字形短截线一般用于设计带阻或宽带带通滤波器，或者与其它形式组合组成带通滤波器。
5）宽边耦合的微带线，如图5所示。
图5 宽边耦合的微带线Fig.5 Wide-coupled microstrip line
单节宽边耦合微带线的频率特性与理想滤波器特性曲线相符较好。这种单元也是滤波器设计中常用的一种单元。
6）宽边耦合线的另一种连接形式，如图6所示。
这种形式也具有带阻特性，但它的两根短截线同时具有耦合，可以看作是两段相距很近的T型微带短截线的等效模型。同样的，两段相距很近的十字形微带短截线也可以用这种模型等效。
图6 宽边耦合线的另一种连接形式Fig.6 Another type of wide-coupled microstrip line
2 单元模型的组合及调节优化
根据所需滤波器的频率特性，利用上述的常用单元进行组合，可以设计出不同形式的滤波器结构。模型5和模型6通常作为滤波器设计中的主要单元，调节其尺寸使其频率特性与设计目标的频率特性基本相符，然后添加模型1、模型2、模型3和模型4中的一种或若干种，在边缘频带或寄生频带上压低频率响应，或使阻带更陡。单元模型的选取没有唯一性。
利用上述单元模型，可以组成如下的滤波器结构，如图7所示。该结构利用到上述单元中模型的（1）（3）（5），且呈中心对称形式。根据上面的单元分析，可推测该滤波器结构应具有带通特性。
图7 利用单元组合而成的一种滤波器结构Fig.7 A filter type made of elements
优化后的参数为：11=2.377 49 mm，12=2.476 73 mm，w1=1.571 25 mm，w2=2.022 33 mm，w3=1.266 36 mm，w4=4.889 15 mm
频率特性如图8所示。
图8 优化后的频率特性Fig.8 Optimized frequency response
从图中可以看出，滤波器带内具有良好的频率特性，但过渡带过宽，这是一个明显的缺点。为了让过渡带更陡峭，根据第二部分的单元分析的结果，在原图左右两侧的各加上一段短截线，如图9所示。
图9 添加了两段短截线后的新结构Fig.9 New structure with additional two stubs
仿真优化结果如图10所示。
图10 优化后的频率特性Fig.10 Optimized frequency response
由图中可以看出，左右两侧的两段短截线明显的改善了过渡带的频率性能，而其原理正是依据上文所指出波形叠加思想。
3 结 论
将理想滤波器特性曲线做级数展开，然后用单节微带线逼近展开式中的一项或多项，级联后逼近理想的滤波器特性曲线。该方法避免了传统滤波器设计方法中的微带线建模分析的困难，在设计出的电路形式中，各单元的作用更易理解，给滤波器的调节也带来了方便。
[1]Matthaei G L，Young L，Jones E M T.Microwave Filters，Impedance-Matching Networks，and Coupling Structures[M].Artech House，1980.
[2]L Besser，Gilmore R.Practical RF circuit design for modern wireless systems[M].Volume I， Passive Circuits and Systems，Artech House，2003.
[3]Pozar D M.Microwave Engineering[M].Third Edition，北京：电子工业出版社，2006.
[4]Weber R J.Introduction to microwave circuits radio frequency and design applications[M].北京：电子工业出版社，2006.
[5]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009.
[6]黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用 [M].北京：人民邮电出版社，2010.
