平行耦合微带线带通滤波器的研究与设计

路延

（陕西职业技术学院 陕西 西安 710100）

随着近年来无线通信技术的发展，具备小型化、高性能和低成本等诸多优点的微带线滤波器已成为广泛应用的射频器件[1]。其中平行耦合微带线滤波器是结构简洁、设计方便的一种，目前已具备了成熟的窄带近似设计方法和宽带近似设计方法[2]。采用宽带近似设计方法，从低通原型滤波器[3]经过频率变换，求得各耦合单元的物理尺寸[4]。本文采用这种方法设计滤波器，利用CST软件进行仿真，对其缺点引出更有优势的设计方法：全等宽平行耦合微带线带通滤波器。

1 平行耦合微带线带通滤波器的设计方法

1.1 平行耦合微带线带通滤波器

平行耦合微带线带通滤波器结构简洁、设计方便，目前已具备了成熟的近似设计方法。设计原理是采用近似设计方法，从低通原型滤波器经过频率变换，由低通原型元件值[5]，求得各耦合单元的奇偶模阻抗[6]，从而计算出各耦合单元的物理尺寸。

设计指标：

1）中心频率：f0=7.35 GHz；

2）相对带宽：W=20.4%；

3）在频率 f=5.5 GHz时，衰减大于30 dB；

4）微带线特性阻抗为 Zc=50 Ω，介质基片选 εr=9.6、h=1 mm的氧化铝瓷片。

1.2 设计过程

1）设计低通原型：

由低通到带通的频率变换近似式为

用此变换式设计出低通原型的电抗元件数目n和元件值gk。

2）计算出导纳变换器的归一导纳；

3）计算各段耦合线的奇偶模阻抗；

4）根据 Zce、Zco和 εr查图[6]可得每一对耦合微带线的宽度和间距（W和S）

5）求1/4波长耦合节的长度；

由上面算得的W/h和S、h及εr查图[7]可得相应的偶奇模有效介电常数；

6）运用两端50 Ω 线的宽度，通过查表[4]得 W/h=0.98，W=0.98 mm。

至此，这个滤波器的尺寸已计算出。

1.3 实验仿真

根据上部分计算出的滤波器的物理尺寸在CST软件上建模仿真。

图1为该滤波器的在CST软件上仿真结果。由图可看出：

图1 CST软件仿真结果Fig.1 CST software simulation results

根据计算出的滤波器的物理尺寸在CST软件上建模仿真。 1）通带范围是：6.7～8.1Ghz，即相对带宽为 19.04%，基本满足设计要求；2）在频率f=5.5 GHz时，衰减为24.18 dB，还需继续优化；3）带内反射特性也未达到最佳。

2 全等宽平行耦合微带线带通滤波器的设计

由上述实验结果可看出，传统的平行耦合微带线带通滤波器的设计方法有很多不足之处：

1）参数过多，导致计算量很大，调试的工作量也很大；

2）经过查找相关文献可知，此种方法设计滤波器，相对带宽一般在40%以内[7]；

3）每个耦合节的宽度均不一样，也会给机械加工带来更大麻烦。

针对以上不足，本文将研究全等宽耦合线，即各节微带线宽度W和间距S相等。这样大大减少了计算量，滤波器结构变得更简单。

2.1 全等宽平行耦合微带线带通滤波器

文中使用的全等宽平行耦合微带线带通滤波器设计方法为：耦合线节级联直接设计法[8]。这一设计方法不必应用低通原型滤波器元件值，可采用各谐振器尺寸均匀并且等宽的结构，适用的相对带宽范围为30～80%[9]。

级联直接设计法的单位电路为图2所示，开路式对称耦合线节，他的A矩阵为[1]：

其中Zoe、Zoo分别为奇偶模特性阻抗，θ为电长度。

设计指标：设计一耦合微带线低通滤波器，要求：

1）中心频率 f0=6 GHz；

2）通带范围f=3.9～8.1 GHz，在通带范围内衰减小于3 dB；

图2 开路式对称耦合线节Fig.2 Open style symmetric coupled line knot

3）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz时衰减值大于 40 dB；

4）输入输出微带线特性阻抗Z0=50 Ω。

2.2 设计过程

以 θp1、θp2表示对应于通带边界频率 fp1、fp2的电长度，根据衰减要求，可初选m=2.5，N=4，并算得r=1.3。而 R0=Z0=50 Ω，故 Zoo=rR0=65 Ω，Zoe=rZoo=162.5 Ω；查手册[10]：εr=6.0，耦合微带线的奇偶模特性阻抗表中，W/h=0.2，S/h=0.2时，有Zoe=159.525 Ω，Zoo=64.38 Ω。 故 W=0.2 mm，S=0.2 mm；求 1/4 波长耦合节的长度：εee，εeo；两端 50 Ω 线的宽度，最终经计算查表[10]得 W/h=1.45 mm，W=1.45 mm。

至此，全等宽耦合微带线带通滤波器的尺寸已计算出。

2.3 软件仿真

根据上部分计算出的滤波器的物理尺寸在CST软件上建模仿真。

图3 CST软件建模Fig.3 CST software modeling

图4 CST软件仿真结果Fig.4 CST software simulation results

由图可看出，

1）通带范围是基本满足设计要求；

2）fs1=3.4 GHz，fs2=8.5 GHz时衰减值仅为 18 dB； 为满足指标要求。

3）带内反射特性未到最佳。

4 结论

通过传统的平行耦合微带线带通滤波器的仿真实验可以看出，此设计方法有很多不足之处：1）参数过多，导致计算量很大，调试的工作量也很大；2）经过相关文献可知，此种方法设计滤波器，相对带宽一般在40%以内[7]；3）每个耦合节的宽度均不一样，也会给机械加工带来更大麻烦。

全等宽平行耦合微带线带通滤波器的对比仿真实验有如下结论：1）全等宽形式滤波器的结构比传统平行耦合微带线滤波器相对简单，这可以大大较小设计、加工和调试的难度；2）全等宽形式的滤波器能实现较宽的带宽，资料显示其最宽可达到80%，这比传统平行耦合微带线滤波器优良。

[1]清华大学编.微带电路[M].1版.北京:人民邮电出版社.

[2]顾其诤，项家桢，袁孝康.微波集成电路设计[M].1版.北京:人民邮电出版社.

[3]广东省邮电学校.微波技术基础（下）[M].1版.北京:人民邮电出版社，1980.

[4]Matthaei G L,Young L,Jones E M T.Microwave Filter.Impedance-Matching Networks,and Coupling Structures[M].New York:McGraw-Hill,1980:585-595.

[5]雷振亚.射频/微波电路导论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[6]闫润卿，李英惠.微波技术基础[M].北京:北京理工大学出版社，1997.

[7]高葆新等.微波电路计算机辅助设计（下）[M].1版.北京:清华大学出版社，1988.

[8]王安国，林杞楠.全等宽平行耦合微带线带通滤波器的设计[J].电路与系统学报，2000，5（1）:43-47.WANG An-guo，LIN Fei-nan.Congruent wide design parallel coupled microstrip line bandpass filler [J].Cricuits and Systems,2000,5(1):43-47.

[9]李奇威,郭陈江,张兴华.平行耦合微带线带通滤波器的设计与优化[J].电子设计工程，2012，20（4）：12-14，18.LI Qi-wei，GUO Chen-jiang，ZHANG Xing-hua.Design and optimization of the parallel coupled microstrip band-pass filler[J].Electronic Design Engineering,2012,20(4):12-14,18.

[10]周文表.微波集成电路计算机辅助设计手册[M].1版.北京:人民邮电出版社，1988.