开路枝节加载双模微波滤波器研究

王鑫亮，李　晶，刘　洁，位朝垒

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.河北诺亚人力资源开发有限公司，河北 石家庄 050001)



开路枝节加载双模微波滤波器研究

王鑫亮1，李晶1，刘洁2，位朝垒1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.河北诺亚人力资源开发有限公司，河北 石家庄 050001)

摘要为了使信道中微波滤波器更加小型化，双模滤波器逐渐成为研究热点，综合研究了源与负载间存在耦合的开路枝节加载双模滤波器的频响规律。通过传输零点理论推测了此类双模滤波器固有传输零点的分布规律，通过各通路信号的相位关系，在理论上推测了附加传输零点的分布规律。通过2种该类型滤波器实例验证了理论推测的正确性，使该类型滤波器趋于完备。

关键词滤波器；双模；枝节加载；S-L couple

0引言

滤波器是信道系统中的重要器件，其性能直接影响整个系统的性能。双模滤波器是极具发展前景的研究热点，在半波长谐振器中心加载开路枝节可在谐振器基模附近引入一新模式，调整开路枝节尺寸使2个模式谐振频率相近，从而构成奇偶模双模谐振器[1]。若源与负载之间引入直接耦合(S-L coupling)，可形成广义切比雪夫类型的频率响应[2]。本文将以六边形开路枝节加载双模滤波器为例，综合研究开路枝节加载双模滤波器的频响特性，通过传输零点理论推测此类双模滤波器固有传输零点的分布规律[3]。通过滤波器中各通路信号的相位关系，在理论上分析S-L coupling滤波器的附加传输零点的分布规律。最后加工并测试该类型滤波器，验证S-L coupling开路枝节加载双模滤波器理论推测的正确性。

1设计原理

六边形S-L coupling开路枝节加载双模滤波器如图1所示，模谐振器由六边形半波长谐振器和六边形开路加载枝节构成。开路枝节在主谐振频率处引入另一传输极点，与主谐振频率构成双模谐振器[4]。

图1　六边形开路枝节加载双模滤波器结构

1.1谐振器电场分布

该谐振器具有对称性，可用奇偶模理论分析。谐振器的电场分布仿真结果如图2所示。图2(a)为奇模谐振的电场分布，电场主要集中于主谐振器两端，反对称分布，即相位差180°，主谐振器中间部分和开路枝节上无电场分布，类似于无加载枝节谐振器。因此，开路枝节尺寸不影响奇模谐振频率。图2(b)为偶模谐振的电场分布，主谐振器与开路枝节均存在电场，电场对称分布，即相位差为0°。

图2　双模滤波器电场分布

开路枝节加载双模滤波器具有一个固有传输零点，引入S-L coupling可再产生一个附加传输零点，模式耦合图如图3所示[5]，奇模谐振时两臂的电场方向相反，耦合系数反号；偶模谐振时两臂电场方向相同，耦合系数同号。

图3　耦合模式

1.2固有零点分析

开路枝节加载双模滤波器的固有零点可用耦合矩阵来进行理论分析：

(1)

固有传输零点位置可由下式来表达[6]：

(2)

Ωinh>0和Ωinh<0分别表示零点在高阻带和低阻带。输入输出端口附近的奇模场强大于偶模场强，即M1S>M2S，分子不可能为零，所以必定存在有限频率的传输零点，即固有传输零点。奇偶模谐振频率的表达式为[7]：

(3)

(4)

与式(2)联立得

(5)

Ωinh·(feven-f0)必大于0，所以固有零点位于高阻带。

1.3附加零点分析

附加零点可由滤波器的各路信号的相位关系来分析，同样由于输入输出端口附近的奇模场强大于偶模场强，只考虑源-奇模-负载、源-负载2条通路上的信号相位。阻带上的信号相移与通带频率相对位置相关[7-8]，下阻带相移为-90°，上阻带相移为+90°[9]；容性S-L coupling相移为-90°，感性S-L coupling相移为+90°[10]。相位关系如表1所示，容性和感性S-L coupling开路枝节加载双模滤波器分别在高阻带和低阻带存在附加零点。具有S-L coupling开路枝节加载双模滤器所有可能的频响曲线如表2所示，改变谐振器开路枝节尺寸与S-L coupling极性可形成不同的频响曲线，从而使此类型滤波器设计更灵活。

表1　滤波器各通路信号的相对相移

表2　开路枝节加载双模滤波器可能的频率响应曲线

2实例验证

为验证前述理论推测，加工并测试了图1中形状为六边形的开路枝节加载双模滤波器，仅以fodd

图4　滤波器A的仿真S21曲线

滤波器A为开路枝节加载并引入容性S-L coupling，由于fodd

图5　滤波器A测试曲线

尺寸参数：lp=2 mm，l2=11.55 mm，w=0.73 mm，r2=5 mm，s=0.22 mm和s2=1 mm。中心频率为2.8 GHz，带宽为0.22 GHz，2个零点位于3.25 GHz和4.65 GHz，均在高阻带，与理论推测吻合。

滤波器B为感性S-L coupling开路枝节加载双模滤器，固有零点和附加零点应位于通带两侧。滤波器B频响曲线与S-L coupling结构关系如图6所示。图6(a)中，s2从3.5 mm变化到0.5 mm，固有零点不动，附加零点由0.85 GHz变化到1.9 GHz；图6(b)中，lp从1 mm变化到7 mm，固有零点不动，附加零点由0.85 GHz变化到1.65 GHz。

图6　滤波器B仿真S21曲线

滤波器尺寸参数：w=0.73 mm，lp=4 mm，l3=8 mm，l2=11.5 mm，r3=0.3 mm，r2=5 mm，s=0.18 mm和s2=1.5 mm。滤波器B测试曲线如图7所示，中心频率为3 GHz，带宽为0.285 GHz，附加零点和固有零点在1.63 GHz与3.3 GHz，分列通带两侧。除了稍微的频偏，仿真与测试曲线与理论推测一致[11]。

图7　滤波器B测试曲线

3结束语

本文综合研究了开路枝节加载双模滤波器的频率响应规律，分析了固有传输零点的产生原理和分布规律。通过引入S-L coupling，使滤波器再产生一个附加传输零点，分析了附加传输零点的产生原理和分布规律，在理论上推测了该类型双模滤波器所有的频响类型，最后通过实例验证了理论推测的正确性。本文的研究内容可使双模滤波器的设计更加灵活，性能更好。

参考文献

[1]SONG K J,QUAN X.Inductance-loaded Y-shaped Resonators and Their Applications to Filters[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2010,58(4):978-984.

[2]吴景宇，位朝垒，李晶.全微带结构三阶横向滤波器设计[J].无线电工程，2014，44(8)：48-51.

[3]位朝垒，李晶.短路枝节加载双模滤波器研究[J].无线电通信技术，2015，41(7)：77-79.

[4]位朝垒，李晶.偶模耦合强于奇模的枝节加载双模滤波器研究[J].无线电通信技术，2015，41(3)：79-82.

[5]HONG J S,LI S.Theory and Experiment of Dual-mode Microstrip Triangular Patch Resonators and Filters[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2004,52(4):1 237-1 243.

[6]ATHUKORALA L,BUDIMIR D.Design of Compact Dual-mode Microstrip Filters[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2010,58(11):2 888-2 895.

[7]AMARI S,ROSENBERG U.Synthesis and Design of Novel in Line Filters with One or Two Real Transmission Zero[J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2004,52(9):1 464-1 478.

[8]曲永志，李德志，马延爽.基于HFSS的微调谐腔体带通滤波器设计[J].无线电通信技术，2012，38(3)：62-64.

[9]AMARI S.Direct Synthesis of Folded Symmetric Resonator Filters with Source-load Coupling[J].IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,2001,11(5):264-266.

[10]ZHOU M Q,TANG X H,XIAO F.Miniature Microstrip Bandpass Filter Using Resonator-embedded Dual-mode Resonator Based on Source-load Coupling[J].IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,2009,20(3):139-141.

[11]张鲁红，杨学霞，马哲旺.SIR实现的新型毫米波UWB滤波器[J].无线电通信技术，2013，39(3):53-56.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.13

收稿日期：2016-03-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61308061)。

中图分类号TP

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0049-03

作者简介

王鑫亮男，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波射频技术。

李晶女，(1981—)，博士，工程师。主要研究方向：激光通信技术。

Study of Open Stub Loaded Dual-mode Microwave Filters

WANG Xin-liang1，LI Jing1，LIU Jie2，WEI Chao-lei1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.HebeiNoahHumanResourcesDevelopmentCo.,Ltd,ShijiazhuangHebei050001,China)

AbstractThe open stub loaded dual-mode microwave filters with source-load coupling(S-L coupling)are studied.The distribution rules of inherent transmission zeroes are studied by the transmission zero theory.The distribution rules of the extra transmission zeroes are studied theoretically by the phase relation of all signal paths of the dual-mode filter with S-L coupling.Finally,the open stub-loaded dual-mode filters are validated by two filter instances.The research of this paper makes the open stub-loaded dual-mode filter approach perfect.

Key wordsfilter;dual-mode;stub-loaded;S-L couple

引用格式：王鑫亮,李晶,刘洁,等.开路枝节加载双模微波滤波器研究[J].无线电工程,2016,46(7):49-51，70.