基于双面平行带线的三通带滤波器设计*

赵小兰 韦岗 章秀银 刘沛杰

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640)

随着多通带、多标准无线通信系统的发展，用于多个分离频带的射频设备的需求越来越大，多通带滤波器作为射频系统的关键组成部分，其需求也日益增大，因此，很多学者对三通带滤波器进行了广泛研究，并提出了多种设计方法［1-3］.一种典型的设计方法是利用三组谐振器实现3 个通带［4］，但3 个谐振器会使得滤波器的尺寸较大.为减小滤波器的总体尺寸，可以使用2 个谐振器，其中一个控制2 个频率，另一个控制第3 个频率［5-6］;或使用一个谐振器来实现三通带滤波器，滤波器的每个通带用支节线产生的传输零点分隔［7］;或使用开路和短路的支节线加载谐振器来设计三通带滤波器［8］.采用阶跃阻抗谐振器(SIR)是另一种典型的滤波器设计方法［9-12］，SIR 具有多波段、结构简单、易构建等优点，但其谐振频率相互影响，设计过程较复杂.上述方法设计的滤波器都是用单端传输线设计的，存在共模噪声.双面平行带线(DSPSL)是一种平衡传输线，能抑制共模噪声，具有高动态范围、高线性度的优点.近年来，已有一些基于DSPSL 结构的各类滤波器［13-15］面世.然而到目前为止，还没有基于DSPSL的三通带滤波器的报道.

为此，文中提出了一种新的三通带滤波器设计方法，该方法使用了2 个基于双面平行带线的谐振器，并在两层介质的中间插入导体平面.该导体平面可以作为顶层和底层电路的地，具有隔离顶层与底层电路的特性，这种结构可提供2 个传输路径［16］.通过将2 个不同尺寸的谐振器嵌入到2 个路径中来产生3 个通带，同时2 个路径间无需组合电路.顶层谐振器采用支节线加载型阶跃阻抗谐振器(SLR)［17］，底层谐振器采用半波长谐振器，前者控制第1 和第3 个通带的频率，后者控制第2 个通带的频率.通过改变谐振器的尺寸，3 个通带的频率容易调整到期望值.另外，文中还引入了交叉耦合，使每个通带的每边至少有1 个传输零点，以提高边缘选择性.文中最后设计加工了一个工作在2.38、3.40 和5.15 GHz的三通带滤波器并进行了实验.

1 三通带滤波器的设计

图1 文中提出的三通带滤波器结构Fig.1 Structure of the proposed tri-band bandpass filter

三通带滤波器的三维结构如图1(a)所示，它是一个3 层结构.图1 中，h 为基片厚度，W 为输入、输出口的传输线宽度，W1至W6分别为谐振器各部分的传输线宽度，L1至L6分别为各支节线的长度，g1至g4分别为各耦合缝隙的宽度.该滤波器由一个顶层谐振器(分支线加载型阶跃阻抗谐振器)、一个底层谐振器(半波长谐振器)、一对DSPSL 馈线和一个插入到两层介质中间的导体平面构成，导体平面比谐振器大但比整个介质小，两层介质中插入的导体平面虚拟地把顶层与底层的谐振器(如图1(b)和1(c)所示)隔离开来，并将它们转换成连续的微带谐振器.顶层谐振器电路控制第1 和第3 个通带的频率.底层谐振器电路控制第2 个通带的频率.端口1 和1'、2 和2'分别形成一对差分端口，彼此对齐.双面平行带线的顶层和底层的电压相位差是180°.特征阻抗为50 Ω 的传输线连接到两个谐振器，作为输入输出端口.

图2 是三通带滤波器的等效电路拓扑图，R1表示底层谐振器，用于产生第2 个通带;R2表示顶层阶跃阻抗谐振器，用于产生第1 和第3 个通带.从图2可以看出，底层谐振器采用逐级耦合的结构，顶层谐振器采用交叉耦合的结构，这样可以产生传输零点以提高滤波器的滚降特性［18］.

图2 三通带滤波器的耦合结构Fig.2 Coupling structure of the tri-band bandpass filter

由于顶层和底层的2 个谐振器是隔离的，改变其中一个谐振器的尺寸不会影响到另一个谐振器的频率，因此，顶层和底层电路可分开设计，最后再将两者结合.具体设计过程如下:

(1)设计工作于第1 和第3 个通带频率的微带滤波器.根据文献［16］中的理论分析(基片厚度为h的DSPSL 的特征阻抗Z1应为基片厚度为h/2 的微带线的特征阻抗Z2的2 倍)来确定特定特征阻抗的DSPSL 微带宽度，因此，在单独设计基于双面平行带线的顶层和底层滤波器时，传输线的特征阻抗选为25 Ω.根据文献［17］可知，分支线加载谐振器的2 个频率容易控制，分支线的长度L4决定频率f3，而不会影响f1.根据文献［19］可知，SIR 结构可通过合理选择相应的微带宽度和长度比来得到期望的频率.因此，文中设计的微带滤波器使用两个分支线加载谐振器，开路分支线位于阶跃阻抗线上.长度L(L =L1+L2+L3)决定低通带中心频率f1，通过改变L 和L4来改变频率较高的通带.

(2)设计控制第2 个通带频率的谐振器，特征阻抗取为25 Ω.底层谐振器的谐振频率由其长度L'(L' =L0+L6+L7)决定.

(3)通过插入导体平面将两个微带滤波器结合起来.根据已知的滤波器初始参数(如长度L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7等)确定耦合缝隙宽度g1、g2、g3和g4，进而确定耦合强度，最后进行全面的仿真微调.

图3 三通带滤波器在L4和L'变化时的频率响应Fig.3 Frequency responses of the tri-band bandpass filter to L4 and L'

为验证各通带频率的独立可调性，采用IE3D仿真软件设计了具有不同L4和L'的三通带滤波器并进行仿真分析.在其他参数不变的情况下，三通带滤波器在L4和L'变化时的频率响应如图3 所示，其中S11和S21分别为回波损耗和插入损耗.由图3(a)可见，改变L4时仅第3 个通带的中心频率发生改变，其他2 个通带保持不变;从图3(b)可见，当L'改变时，第2 个通带的中心频率发生改变，但第1 和第3 个通带的频率响应保持不变.由此可见，该滤波器的3 个谐振频率可以灵活地进行控制.

2 仿真和测量结果

为了进一步验证文中设计方法的有效性，在相对介电常数为3.38、厚度h 为1.62 mm、损耗正切值为0.0027 的基片上加工制作三通带滤波器样品，其顶层和底层实物图如图4 所示，整体尺寸为45 mm×19 mm.该滤波器的具体参数如下:L1=7.43 mm，L2=17.15 mm，L3=8.75 mm，L4=4.27 mm，L5=7.70 mm，L6=13.95 mm，L7=5.03 mm，W1=2.30 mm，W2=W3=W4=W5=0.80 mm，W6=2.40 mm，g1=0.30mm，g2=0.89 mm，g3=5.32mm，g4=0.20mm.输入、输出端口为50Ω 的双面平行带线，其宽度为4.95 mm.

图4 三通带滤波器的顶层及底层实物图Fig.4 Photographs of the top and the bottom layers of the triband bandpass filter

采用HFSS 和8753ES 网络分析仪对该滤波器进行仿真和测量，结果如图5 所示.第1 个通带在2.38 GHz 处，分数带宽为5.9%，最低插入损耗为2.9 dB;第2 个通带在3.40 GHz 处，分数带宽为4.7%，最低插入损耗为1.2dB;第3 个通带在5.15GHz处，分数带宽为5.3%，最低插入损失为1.2 dB.3 个通带的回波损耗均大于15 dB.该滤波器在2.14、3.04、4.36 和5.66 GHz 处产了4 个传输零点，大大提高了边缘选择性.

图5 三通带滤波器的仿真和测量结果Fig.5 Simulated and measured results of the tri-band bandpass filter

3 结语

文中提出了一种新的三通带滤波器设计方法.该滤波器基于中间层插入导体平面的双面平行带线，由分别位于顶层和底层的2 个谐振器组成，通过调整其参数来控制谐振频率和带宽.该滤波器的电路结构简单，工作在2.38、3.40 和5.15 GHz 通信频段.为验证该设计方法的有效性，笔者设计并加工了一个三通带滤波器实物进行测试，实验结果和仿真结果吻合良好，从而验证了这种设计方法的有效性.在今后的研究中，可以考虑结合低温共烧陶瓷(LTCC)等工艺来进一步减小滤波器的体积.

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