一种性能优化的发夹型微带线滤波器的分析与设计

王宇飞

(海军驻武汉地区通信代表室,武汉 430070)

0 引言

滤波器是无线通信系统的重要无源器件之一，在射频、微波、毫米波通信、卫星导航定位以及遥感遥测等领域具有十分重要的应用，其性能的好坏直接影响着整个系统的整体性能和通信质量[1]。近年来，随着微波、毫米波通信技术的发展，特别是便携式智能移动通信终端的快速发展，滤波器正朝着体积小、质量轻、低损耗、易集成等方向发展[2]，由于微带线滤波器具有这些优点，已经成为现代移动通信（4G/5G）集成滤波器的首选方案，近年来备受关注[3]。研究人员先后提出了多种微带线滤波器，其中，比较常用的微带线滤波器主要有平行耦合线滤波器[4]、交指滤波器[5]以及梳妆线滤波器[6]。平行耦合线滤波器由于在各平行耦合节上进行同方向级联处理，导致尺寸较大；交指滤波器和梳妆线滤波器的过孔设置，导致了高频信号的震荡误差和干扰，限制了其应用和发展。而微带型发夹滤波器由于结构紧凑、体积小、重量轻、成本低以及不需要接地，消除了过孔引入的高频误差，具有更加鲁棒的电性能[7,8]，在现代微波电路中备受青睐。

但是，目前设计的多数带通滤波器没有考虑交调畸变的影响，导致通带内波纹起伏较大，衰减严重，导致接收机在解调信号的时候，对中频信号产生了一定的带内干扰，并且会产生一定程度的衰减，因此，在进行微带线滤波器设计的时候，必须对带内畸变干扰的抑制方法进行深入分析，降低通带损耗，最大可能的减少畸变干扰及衰减对有用信号的影响。有的文献采用矩形调谐短截线的共面波导馈入电容微带折叠L型槽天线结构，有的文献通过引入阻抗结题跳变的阶跃阻抗谐振器以及在传统平行耦合器末端增加开路短截线结构，虽然这些方法有效的抑制了高频谐波分量，改善了滤波器的整体性能，但均没考虑通带内交调畸变的影响，且设计过程复杂，抑制效果一般，无法满足现代通信设备小型化及其性能的需求。

在分析发夹型滤波器基本原理的基础上，本文提出了一种用于抑制通带内波纹起伏及减小带内衰减的新方法。首先，在传统发夹滤波器结构之后加入短路短截线与谐波四分之一波长开路短截线并联谐振结构，能够在不影响有用信号的情况下，很好地抑制交调干扰。然后，通过采用微带径向短截线（MRSTU）扩大抑制干扰带宽，实现通带内宽频带干扰的有效抑制。最后，基于本文方法设计了一款2.3GHz到2.5GHz的五阶发夹型带通滤波器，将所设计的滤波器性能同目前常用的带通型发夹滤波器的性能进行了比较，并给出了本文设计滤波器的群延迟特性和驻波比（VSWR）.

1 微带线发夹型滤波器原理分析

微带线发夹型滤波器是由平行耦合线的半波长谐振线对折而成，其谐振单元如图1（a）虚线框所示，可以等价为图1（b）所示结构，其阻抗矩阵为（1）式。其中Z0e、Z0o分别表示传输线偶模、奇模特性阻抗，β表示传输线的相位延迟因数，l为传输线的长度。

将阻抗矩阵变为传输矩阵，即ABCD参量矩阵。

图1 发夹型滤波器结构及其电路等效

微带线耦合单元可以用图1（c）中由J导纳倒置器连接两端长度为L的微带线电路等效，根据传输线传输矩阵，容易写出等效电路的传输矩阵为

化简即

其中Y0为输入和输出端口传输线的特性导纳，Y0＝1 /Z0。由（2）式和（4）式等价，并取L为1/4波长，即βL＝π/ 2，可以得到

（5）式中，J导纳转置器的导纳J为：

其中，gi是标准低通滤波器参数原型值,BW是滤波器带宽。将（6）式代入到（5）中就可以求得耦合微带线的偶模、奇模特性阻抗，再利用软件即可以得到耦合微带线的线宽、线长以及间距。

2 考虑通带交调畸变影响分析

传统的发夹型滤波器都是采用弯折微带线构成，虽然体积相对于其他滤波器有所减小，但是带内波纹起伏较大，且对有用信号存在衰减，影响了滤波器的性能。该部分在传统发夹滤波器结构之后引入了短路短截线与带通频率四分之一波长开路短截线并联谐振结构，采用谐振的思想抑制带内交调干扰，并对抑制性能进行了理论分析。由于这种抑制方法只能针对单点频率取得最优值，为了扩展到整个通带内的抑制能力，分析中采用微带径向短截线（MRSTU）代替直接微带线，实现通带内宽频带干扰的有效抑制。假设已知终端有载传输线的输入阻抗为

因在四分之一波长处开路短截线ZL＝∞，则Zin＝0 等效于短路接地，因此相应的信号被抑制。这里开路短截线起到了陷波器的作用，将电路中的无用信号滤除，有效消除通带内的波纹，并且有效减少通带内的衰减。在无线通信系统中，通常采用并联电路谐振时表现的阻抗最大特性进行选频。考虑到开路短截线相当于电容，短路短截线相当于电感，两者并联等效于构成了一个有效的LC谐振电路。发生LC并联谐振的条件为

可以计算相应的谐振阻抗为

由于谐振电路中电感感抗值与电容容抗值大小相等，相位相反，即

可以计算相应的谐振电路总阻抗为Z＝∞。由于当前应用的多数发夹滤波器的输出阻抗为50 Ω。因此，这种结构在有效抑制波纹信号的前提下，对有用信号基本上不产生影响。由于纹波四分之一波长开路短截线是固定的，要使抑制效果在一定带宽内达到有效效果需要不断的改变短路短截线长度，在设计分析中发现使用直微带短截线效果没有达到抑制宽带波纹的要求，为了在宽带范围内抑制波纹干扰，采用微带径向短截线代替直微带短截线。由于 MRSTUB具有比直微带短截线更宽的频率范围，更加适合在宽频带内使用，有效扩大了抑制谐波的带宽，并且能够有效降低滤波器通带内的损耗。具体的谐振电路的匹配结果如图2所示。

图2 通带交调干扰抑制原理图

3 设计实例及性能分析

根据前面的分析，该部分设计一个五阶的带通发夹型微带滤波器。其通带为2.35～2.55 GHz，电路板参数为基板厚度h=1mm，介电常数Er=4.4，导体电导率 Cond=5.88E+7，导体厚度T=0.03 mm，损耗正切TanD=0.008。在设计滤波器过程中，为了简化滤波器结构，将滤波器的耦合线线宽设计为相同，取1.65 mm，耦合线线长L取四分之一波长，这里取17.6 mm，将弯折线长L0取为2.3 mm，所以将发夹壁长l取13 mm，抽头取发夹壁中心位置即可。滤波器的原件数选择N=3，利用ADS软件计算出耦合微带线的线宽W和间距S，结果如表1所示。

表1 各阶耦合微带线参数

3.1 原理图仿真对比分析

该部分将普通发夹微带滤波器与本文方法设计的滤波器进行了原理仿真分析，图3、图4分别给出了普通发夹微带滤波器和本文设计滤波器的一节耦合单元。仿真中主要针对带内纹波平坦度以及带内损耗进行了分析。其仿真结果如图5至图8所示。由图5可以看出，普通发夹带通滤波器的带内纹波起伏较大，带内衰减最大值达到了-10.759 dB，在不仅过优化的情况下，基本上是不能直接应用于通信系统的。

图3 普通滤波器的一阶耦合单元

图4 本文滤波器的一阶耦合单元

图5 普通滤波器通带平坦度及损耗

图6 普通滤波器回波反射系数及损耗

图6展示了普通发夹带通滤波器的回波系数和损耗，在通带内发射系数较大，进一步说明了信号在通带内存在较大的衰减。图7中可以看出，经过本文方法优化以后的滤波器通带平坦，通带内的最大损耗只有-0.803 dB，且图8中的最大反射系数只有-14.223 dB，性能明显改善，可以满足实际应用的需求。

图7 本文滤波器通带平坦度及损耗

图8 本文滤波器回波反射系数及损耗

3.2 版图仿真分析

为进一步说明本文设计滤波器的优越性和实用性，针对所设计的原理电路生成了相应的PCB版图，并对滤波器的实际效果进行了版图分析。

图9 本文滤波器版图

图9为本文方法生成的滤波器版图。为了分析该滤波器在实际应用中的性能，对群延迟特性和驻波比进行了分析，图10和图11分别给出了相应的分析结果。有图10中可以看出，在通带内群延迟特性保持了较好的线性度，满足应用的实际需求；图11中的驻波比在通带内的最大值为1.483，也满足了实际应用的要求。

4 结论

本文针对普通微带型发夹滤波器的波纹震荡较大、带内衰减严重的问题进行了优化分析，在充分分析发夹滤波器原理的基础上，提出了一种新的设计方法，在传统发夹滤波器结构之后加入短路短截线与谐波四分之一波长开路短截线并联谐振结构，有效抑制了带内交调干扰。采用MRSTU扩大抑制干扰带宽，实现通带内宽频带干扰的有效抑制。同过ADS原理仿真分析和版图仿真可以看出，本文方法设计的微带型发夹滤波器的带内纹波平坦，带内衰减改进了近10 dB，回波损耗减低了近 15 dB，且通带内群延迟保持了较好的线性度，完全满足现代通信系统的指标需求。但是考虑到ADS软件建立仿真近似模型的系统误差以及实际的生产过程中的材料和加工工艺等问题，最后的产品可能和仿真分析的效果有一定的偏差，因此，在下一步的研究中，将主要针对实际产品的进一步优化展开。

图10 本文滤波器群延迟特性

图11 本文滤波器驻波比

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