带SIR结构新型多枝节加载双频滤波器*

丁智勇，雷 涛，张正平

0 引言

本文提出的一这种新型双频双频滤波器结构是以传统SIR［7］结构为基础设计的，采用四个新型三阶阶梯阻抗谐振器耦合而成，用零度馈电的输入输出方式实现双频。

1 新型阶梯阻抗谐振器

我们知道阶梯阻抗谐振器SIR是构成组合谐振器的最基本单元，如图1所示，为一个基本的三节SIR谐振器单元。该结构由三节阻抗分别为 Z1，Z2，Z3，对应电长度分别为 θ1，θ2，θ3组成。定义每一节输入阻抗为Zin(1，2，3)，由传输线理论知，每一节阶梯阻抗谐振器SIR等效输入阻抗Zin(1，2，3)分别为

其中R1，R2，R3分别为三节不同特性阻抗的阶梯阻抗谐振器SIR对应的传输线电阻。在阶梯阻抗谐振器发生谐振时，对于终端短路和开路其输入导纳满足基本条件是

对于开路:

对于短路:

图1 微带三节SIR谐振器的基本结构Fig．1 Basic structure of the trinodal－ SIR

2 谐振器分析

开路枝节加载谐振单元如图2所示，犹如其结构对称。采用奇偶模方法进行分析。在偶模激励条件下，T－T'平面可视为理想磁壁，等效为开路。在奇模激励条件下，对称面T－T'平面可视为理想电壁，等效为短路［8］，其奇偶模等效电路如图3所示。

图2 本文提出的谐振器Fig．2 Proposed resonator

图3 新型谐振器的奇模和偶模等效电路Fig．3 Odd－mode and even－mode equivalent circuit of the novel resonator

我们将前面阶梯阻抗谐振器的等效为均匀阻抗谐振器，探究枝节对滤波器影响。设均匀阻抗谐振器导纳为Ym，长度为Lm，由参考文献五可以知道其奇偶模谐振频率。

由上面公式可知，偶模谐振频率可通过开路枝节单独调节而不受奇模影响。

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奇模激励时，对称面T相当于电壁，即是短路。此时的谐振器可以看做是新型的短路三枝节阶梯阻抗谐振器，其奇模等效电路如图3(a)所示。从开路段看去的输入导纳为

同理当偶模激励时，设Yin，3为从输入导纳为Y3一端看去的输入导纳:

输入导纳为:

3 滤波器设计

根据以上理论分析，本文设计了一款新型双频滤波器。采用的介质材料为Rogers Ro4350，厚度为0．508 mm，相对介电常数为3．48。该滤波器如图4所示。

图4 滤波器结构Fig．4 Filter structure

该滤波器由两个新型阶梯阻抗谐振器和基于零度馈电抽头式输入输出组成。可以通过调整开路支节的长度和宽度的大小从而调节双频谐振，从而控制滤波器的通带带宽和中心频率。为验证上述推论，在谐振器的其它条件固定不变的情况下，看开路支节对双频滤波器的特性影响。如图5所示。

图5 枝节长度对滤波器作用Fig．5 Effect of the length to filter

由图5可知，随着枝节长度增大，第二通带中心频率逐渐变小，第一通带中心频率几乎不变。

下面探究支节宽度对滤波器的影响:

图6 枝节宽度对滤波器作用Fig．6 Effect of the mult－ stub width to filter

由图6可知，随着阻抗器宽度增加，第二通带带宽变小，第一通带带宽基本不变。

由图5，6可知，中心加载枝节长度和宽度可独立控制滤波器带宽和中心频率，这种特性增强了设计的自由度，可以得到我们需要的频率特性。

文献1，2告诉我们零度馈电能得到两个传输零点，本文双频的实现正是基于零度馈电，为了验证这一特性，我们改变馈电结构，得到如图7所示。

图7 馈电点对滤波器作用Fig．7 Effect of feeding point to filter

4 仿真与测量结果分析

通过对该双频滤波器进行理论分析，并最终采用HFSS进行电磁仿真优化，最后确定滤波器具体尺寸为，L2=10．1 cm，L4=3 cm，L5=4．1 cm，L7=2．4 cm，L9=0．8 cm，L11=0．79 cm，L13=0．57 cm，s=0．32 cm。设计的滤波器的仿真和实测结果如图8所示，滤波器实物如图九所示，测量结果采用矢量网络分析仪Agilent8722ES测得，测得的两个中心频率分别在4．25和6．25 GHz，两个通带相对的3 dB带宽分别为7．2%和2．2%。第一通带的回波系数S11小于22 dB，插入损耗小于0．2 dB，第二通带回波系数S11小于25 dB，插入损耗小于0．35 dB。从仿真图上可以看到各通带外都有传输零点，总共有三个传输零点，三个传输零点分别为 T1，T2，T3，分别在3．23，5．6，7．2 GHz，对 应 的 衰 减 值 为 54，40，38 GHz，这些传输零点增强了各个通带的带外抑制。仿真结果与实测结果基本吻合，但是很明显实测的插入损耗值比仿真的插入损耗值稍大，中心频率有细微偏移，这些主要是由于加工材料误差、介电常数不均匀、SMA接头损耗等引起的。

图8 双频滤波器仿真与测试结果Fig．8 Simulated and measured results of designed dual－band filter

图9 滤波器实物Fig．9 Real figure of filter

5 结语

通过hfss仿真软件对该滤波器仿真，分析结果可知，本文构建的滤波器结构能有效的提高带宽和提高带外抑制度。各枝节可以独立控制带宽和中心频率。本文对于其中一个谐振器中，一个小的枝节应该影响不大，但是仿真发现，有该枝节比没有要对滤波器有很大影响，目前本论文尚无法解释。中心频率可控，证明其可以广泛应用于现代无线通信。对于三节阶梯阻抗，目前相关论文较少，这种结构能有效的缩小尺寸，有广泛的研究前景。

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