结构紧凑的高选择性宽带带通滤波器

钱　颖，张凤娟，靳　静

（1.无锡科技职业学院电子技术学院，江苏无锡214028；2.中国电子科技集团第五十五研究所，南京210016）

结构紧凑的高选择性宽带带通滤波器

钱颖1*，张凤娟1，靳静2

（1.无锡科技职业学院电子技术学院，江苏无锡214028；2.中国电子科技集团第五十五研究所，南京210016）

为实现结构紧凑和高选择性的宽带滤波器，在传统平行耦合线结构的基础上，作了适当改进，设计了3种结构新颖的三线耦合结构，均能够实现具有3个传输零点的宽带响应，且其中两个零点分别紧靠通带的上下边缘。加工并测试了基于其中一种结构的宽带滤波器，工作频率为2.6 GHz，3 dB相对带宽为63%，3个传输零点分别位于1.46 GHz，3.77 GHz和5.13 GHz，介质基板采用Rogers 4003，厚度0.813 mm。实测结果与仿真结果吻合良好，验证了结构的有效性。

宽带带通滤波器；三线耦合结构；奇偶模分析法；阶梯阻抗谐振器；传输零点

宽带滤波器作为微波通信系统中的关键无源器件，不仅在工业界引起了广泛的关注，在学术界也有非常高的研究价值。宽带滤波器的设计有如下几种方法：级联滤波器的方法［1-4］，这种方法比较简单，可以灵活设计一个极宽的阻带，缺点是电路尺寸大且插入损耗较高；优化高通短路枝节的方法［5-8］，利用这种方法设计的滤波器结构简单，易于加工；利用微带和共面波导混合结构的方法［9-12］，利用这种方法设计的滤波器结构紧凑，带外抑制良好；采用多模谐振器的方法［13］；利用平行耦合线的方法，通过这种方法可以获得结构简单且具有良好带外抑制的宽带滤波器，如反耦合线结构［14-15］、三线耦合结构［16］等。

本文在传统平行耦合线结构的基础上，作了适当改进，设计了3种结构新颖的三线耦合结构，相比于传统结构，所设计的结构更加紧凑且具有更高的频率选择性。文中给出了传输零点产生机理的分析，并加工测试了一款宽带滤波器，以验证设计的有效性。

1　三线耦合线结构

图1所示的宽带滤波器1是基于传统平行耦合线结构的宽带滤波器［17］，由2个四分之一波长的开路枝节和一个二分之一波长的微带线组成。将微带线上方和下方的四分之一波长的开路枝节设计在关于中间微带线对称的位置上，端口2也设计在和端口1关于微带线对称的位置就得到了改进后的宽带滤波器2，如图2所示。

图1　宽带滤波器1

图2　宽带滤波器2

图2给出了宽带滤波器2的结构尺寸，与滤波器1的尺寸相比基本相同。图3给出了两种滤波器的仿真散射曲线的对比结果，可以看出，滤波器2具有与滤波器1相同的带宽，不同的是，滤波器2增加了两个靠近通带的传输零点 fz1和 fz2，具有了更高的频率选择性。

图3　滤波器1和2的仿真散射曲线对比结果

为了进一步减小滤波器2的尺寸，对中间的微带线的右端进行弯折处理，形成了一个终端开路的SIR谐振器结构，此时滤波器2变为图4所示的滤波器3。

图4　宽带滤波器3

对滤波器3的尺寸进行适当优化后得到的散射曲线如图5所示，可以看出，与滤波器2的仿真结果相比，除了零点 fz1的位置和回波损耗存在轻微的偏差外，两个滤波器的仿真结果几乎一致。

图5　滤波器2和3的仿真散射曲线对比结果

从仿真结果可以看出，滤波器3具有与滤波器2相同的频率响应，相同的选择性，且具有更紧凑的结构。由于滤波器3的尺寸参数比较多，影响频率响应的因素比较多，因此，考虑对滤波器3作进一步改进，即将滤波器3中0.5 mm宽的弯折线去掉，对余下0.1 mm宽的微带线做短路处理，改进后的滤波器4结构如图6所示。

图6　宽带滤波器4

需要注意的是，由于中间微带线需要通过金属化过孔短路，但考虑到耦合线的间距比较窄，所以对滤波器4的四分之一波长开路枝节的末端分别做了向上和向下的弯折处理。宽带滤波器4的仿真结果如图7所示。

图7　滤波器3和4的仿真散射曲线对比结果

2　传输零点产生机理的分析

上述滤波器2、3、4均具有3个传输零点，提高了滤波器的频率选择性。下面我们对滤波器产生传输零点的机理进行分析。图3、图5和图7为滤波器1、2、3、4散射曲线的对比结果，可以看出，滤波器2、3、4的仿真结果的趋势是基本一致的。从微波网络的角度分析，3个具有基本相同频率响应的二端口网络，可以看作具有相同的等效电路。为了便于分析，以滤波器4为例。文献［18］对类似滤波器4结构的滤波器采用文献［19］的方法做了分析，但文献［18］中的分析并不十分详细，且文献［19］中的方法比较复杂。

滤波器4的等效传输线电路模型可以简化成如图8所示，其中Z0e和Z0o分别表示偶模阻抗和奇模阻抗，θ表示四分之一波长传输线的电长度。

图8　滤波器4的等效传输线电路模型

根据图8所示的等效电路，可以得到输入阻抗为：

其中

作为并联枝节，其转移矩阵为：

进一步，可得：

令式（5）等于零，则

式中，f0是中心频率，式（6）、式（7）说明图8所示的等效电路可以产生一对传输零点，即 fz1和 fz2，这一对传输零点分别位于中心频率的两侧。传输零点fz3是由于两个四分之一波长开路枝节存在耦合，导致交叉耦合产生的，当增加耦合线间的距离时，传输零点 fz3就会逐渐消失。

另外，平行耦合线耦合的越紧密，耦合线的偶模阻抗就越大，奇模阻抗就越小。也就是说，耦合线的间距越小，传输零点的位置离中心频率越远，带宽越宽；相反，耦合线的间距越大，传输零点的位置离中心频率越近，带宽越窄。对于滤波器4，间距的变化对频率响应的影响如图9所示，仿真结果与理论是相一致的。

图9　滤波器4的仿真散射曲线对比结果

3　滤波器的加工测试

为了验证结构的有效性，对滤波器3进行加工测试，滤波器的介质基板采用Rogers 4003，厚度为0.813 mm，馈线宽度为1.5 mm，滤波器3的实物如图10所示。

图10　滤波器3的实物

使用矢量网络分析仪N5230C对实物进行测试，实测结果如图11所示。滤波器3的中心频率为2.6 GHz，3 dB相对带宽为73%，通带最大插入损耗约为1 dB，带内回波损耗小于-20 dB，传输零点分别位于1.49 GHz、3.84 GHz、5.5 GHz处，分别具有大于42 dB、24 dB、34 dB的衰减。

图11　滤波器的仿真结果与实测结果

将滤波器3的实测结果与仿真结果相比，可以看到除了传输零点的位置发生轻微偏移和带内回波损耗的轻微恶化外，两者基本吻合。实测结果与仿真结果存在偏差，主要是因为介质材料和导体存在损耗，且由于耦合线的间距比较窄，导致存在一定的加工误差。

4　结论

本文对传统平行耦合线结构做了逐步的改进，给出了3种结构不同的三线耦合结构，均具有3个传输零点，并对传输零点产生的机理作了简单的分析。与基于传统平行耦合线结构的宽带滤波器相比，文中给出的滤波器具有更高的频率选择性和更小的尺寸。最后，加工并测试了一款宽带滤波器，实测结果与仿真结果基本一致，证明了理论分析的正确性和设计的有效性。

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钱颖（1982-），女，汉族，硕士，讲师，主要从事射频技术与器件的研究，qianying525@163.com。

Compact Wideband Bandpass Filters with High Selectivity

QIAN Ying1*，ZHANG Fengjuan1，JIN Jing2
（1.Department of Electronic Technology，Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi Jiangsu 214028，China；2.The 55th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210016，China）

To achieve compact and highly selective wideband filter，on the basis of the traditional parallel coupled line structure，we make the appropriate improvements.Three novel coupled line structures are designed.All structures exhibit a wideband response to three transmission zeros and two of them are close to the upper and lower edges of the passband.One filter has been designed，fabricated and measured.The operating frequency of filter is 2.6 GHz，3 dB fractional bandwidth（FBW）of the filter is 63%，transmission zeros are located at 1.46 GHz，3.77 GHz and 5.13 GHz respectively.The filter is designed on a Rogers 4003 dielectric substrate and the thickness of filter is 0.813 mm.Good agreement between the measured results and simulation ones is obtained，verifying the validity of structures.

wideband bandpass filter；three coupled line structure；the even-odd-mode analysis；stepped impedance resonator（SIR）；transmission zeros

TN713

A

1005-9490（2016）05-1059-04

2016-07-06修改日期：2016-08-10

EEACC:127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.008