一种具有寄生抑制电路的微带发夹型带通滤波器

王维帅 谢锡海 姜晖

摘 要： 针对发夹型带通滤波器通带附近存在寄生通带的问题，根据微带发夹型带通滤波器的基本原理，利用ADS软件，设计一种具有寄生抑制电路的微带发夹型带通滤波器。首先，运用理查德变换和科洛达规则设计一个短截线低通滤波电路；其次，通过将该电路与传统的发夹型带通滤波器级联，有效地抑制了邻近的寄生通带，使得滤波器具有较好的阻带特性；最后，考虑到实际因素对电路的影响，进行了电路版图Momentum仿真。仿真结果表明，寄生通带的抑制效果理想，该方法可行。

关键词： 短截线低通滤波电路； 微带线； 寄生通带抑制； 发夹型带通滤波器； ADS； 电磁仿真

中图分类号： TN713+.5?34； TN713 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0122?04

Microstrip hairpin bandpass filter with spurious suppression circuit

WANG Weishuai， XIE Xihai， JIANG Hui

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710061， China）

Abstract： As there exists spurious passband near the passband of the hairpin bandpass filter， a microstrip hairpin bandpass filter with spurious suppression circuit is designed by using the advanced design system （ADS） software according to the basic principle of microstrip hairpin bandpass filter. A stub low?pass filtering circuit is designed by using the Richards transformation and Kuroda rule. The circuit is cascaded with the traditional hairpin bandpass filter to effectively suppress the adjacent spurious passband， and make the filter have a good stopband feature. The Momentum simulation of the circuit layout was carried out in consideration of the influence of actual factors on the circuit. The simulation results show that the suppression effect of the spurious passband is optimal and the method is feasible.

Keywords： stub low?pass filtering circuit； microstrip line； spurious passband suppression； hairpin bandpass filter； ADS； electromagnetic simulation

在无线通信系统中，滤波器是至关重要的组成部分，它能够选择有用的信号，消除不必要的谐波，抑制杂散[1]。因此设计高性能的新型滤波器一直是无线通信领域的重要内容。其中，利用微带线等分布参数元件设计的发夹型带通滤波器，不仅能够满足系统工作于高频段的设计要求[2]，而且其成本低、重量轻且易于制造，所以近年来在各种微波通信系统中得到广泛应用[3]。

然而，对于微带线发夹型带通滤波器而言，在设计频率的整数倍处，会出现寄生通带[4]，影响滤波器的整体性能。为了获得较好的阻带特性，近些年来，人们进行了大量的研究，并提出了一些滤波器设计方案：文献[5]采用缺地陷结构获得较宽的阻带；文献[6]通过控制谐振耦合抑制寄生阻带；文献[7]利用并联耦合线实现宽阻带效应。但这些结构存在阻带抑制不理想或结构复杂的缺点。为了解决以上结构所存在的问题，本文采用了短截线低通滤波电路级联发夹型带通滤波器的方法，有效抑制了带外杂散，获得了较宽的阻带，最终设计出中心频率在3.25 GHz，带宽为500 MHz的发夹型带通滤波器，并通过Momentum电磁仿真结果证明，该滤波器性能较好，具有很好的实用价值。

1 微带发夹型带通滤波器的设计

1.1 滤波器的基本原理

微带发夹型带通滤波器的结构如图1所示，该滤波器是折叠型的平行耦合微带线滤波器，是由半波长微带线构成U型结构，并与相邻的U型结构相互耦合而成[8]。它是一种成本低、结构紧凑且易于加工的滤波器[9]。根据设计滤波器的性能指标，本文采用抽头式输入/输出方式。该滤波器的主要性能参数有微带线宽、发夹间距、发夹臂长和抽头位置等[10]。

1.2 带通滤波器的设计实例

设计要求[11]：中心频率f0=3.25 GHz，带宽500 MHz；在f=2.8 GHz和f=3.7 GHz上的衰减小于-30 dB；通带波纹3 dB；输入/输出特性阻抗50 Ω；寄生通带的抑制达到40 dB。微带线基板参数：介电常数εr=3.55；板厚h= 0.508 mm；相对磁导率Mur=1；金属层厚度t=0.018 mm；损耗角正切tan D=0.002 7。

考虑到滤波器的设计要求，选用带内波纹为0.5的切比雪夫原型滤波器，通过计算滤波器的阶数至少为5。为了更好地达到滤波器的设计要求，同时考虑到滤波器结构的对称性，本文采用7阶的滤波器。

根据查表获取的原型滤波器元件值，利用式（1）～式（6）计算出微带线的奇模、偶模特性阻抗。

[BW=ω2-ω1ω0，ω0=ω1+ω22] （1）

[J0，1=1Z0·π?BW2g0g1] （2）

[Ji，i+1=1Z0·π?BW2gigi+1，i=1，2，…，N-1] （3）

[JN，N+1=1Z0π?BW2gNgN+1] （4）

[Z0e=Z01+Z0Ji，i+1+Z0Ji，i+12] （5）

[Z0o=Z01-Z0Ji，i+1+Z0Ji，i+12] （6）

式（5）、式（6）中，[i=0，1，2，???，N]。

然后通过 ADS2011自带的微带线计算工具LineCalc，计算得到滤波器中耦合微带线的几何尺寸W，S，L。计算数据如表1所示。根据计算公式得出滤波器的抽头位置d=1.627 mm。

按表1中的尺寸，在ADS（Advanced Design System）中建立原理图，经过优化仿真后得到S参数仿真结果如图2所示。

由图2仿真结果可知，该滤波器在通带内基本满足设计要求，但在6.5 GHz附近出现了寄生通带，影响了滤波器的性能，需要进一步的设计将其抑制。

2 寄生通带抑制电路的设计

2.1 微带短截线低通滤波电路的理论基础

考虑到滤波器在6.5 GHz左右存在寄生通带，利用ADS2011设计了一个短截线低通滤波电路作为寄生通带抑制电路。对于短截线低通滤波电路的设计，可以由集总元件低通滤波器变换为分布参数低通滤波器。其中理查德变换（Richards）的终端短路的传输线可等效为电感，终端开路的传输线可等效为电容，其等效关系为：

[ZSCin=jZ0tanβL] （7）

[ZOCin=jZ0tanβL] （8）

式中：Z0为特性阻抗；β为波的传播常数；L为传输线长度[12]。

科洛达规则（Kuroda）利用单位元件将串联短截线变换为并联短截线[13]，变换关系如图3所示。

2.2 低通滤波电路的设计实例

设计要求：通带频率范围为3.5～5.5 GHz，通带内最大衰减小于3 dB，在6 GHz时衰减大于40 dB，输入/输出特性阻抗为50 Ω。通过计算选用5阶切比雪夫低通滤波器原型进行设计。

设计过程为：

1） 通过理查德变换和科洛达规则将集总元件滤波器原型变换成分布参数滤波器，再利用阻抗变换得到如图4所示的低通滤波电路。

2） 根据图4中各微带线的特性阻抗，利用ADS2011的LineCalc工具，计算得出微带线的尺寸W，L。计算数据如表2所示。

3） 按表2中的尺寸，在ADS中建立原理图，经过优化仿真后得到S参数仿真结果如图5所示。

由图5仿真结果可知，该滤波电路在通带内的衰减大于-3 dB，6 GHz时衰减大于40 dB，基本符合设计要求。接下来要将其与发夹型带通滤波器级联以降低临近寄生通带对滤波器性能的影响。

3 微带发夹型带通滤波器的优化设计

3.1 优化发夹型带通滤波器的S参数仿真

将上述分析设计的微带短截线低通滤波电路与发夹型带通滤波器级联，经过优化后，滤波器原理图如图6所示，各优化控件参数如图7所示，S参数仿真结果如图8所示。

由图8仿真结果可知，级联了寄生抑制电路的滤波器的临近寄生通带被抑制到70 dB左右，极大提高了滤波器的杂散抑制能力。但该结果是在理想情况下得出的，并未将实际因素考虑在内，因而结果并不精确。所以对优化后的滤波器电路进行了Momentum电磁仿真，得到了更加精确且真实的仿真结果。

3.2 发夹型带通滤波器的Momentum电磁仿真

要进行Momentum电磁仿真，首先要生成版图，滤波器电路生成的PCB版图如图9所示。

利用ADS软件对电路版图进行Momentum电磁仿真，得到S参数仿真结果如图10、图11所示。由图10、图11仿真结果可知，滤波器的中心频点在3.25 GHz，通带略有减小；带内衰减小于3 dB，在f1=2.8 GHz，f2=3.7 GHz处的衰减都达到30 dB以上；临近寄生通带被抑制到40 dB以下，满足了设计指标。

4 结 论

与传统的微带发夹型带通滤波器相比，本文设计的发夹型带通滤波器在其基础上加入了能够抑制临近寄生通带的短截线低通滤波电路，使得该滤波器对寄生通带的抑制性好。考虑到实际因素对滤波器的影响，利用ADS软件进行了版图的设计和仿真。仿真结果表明，该滤波器符合设计要求，能够应用于对杂散抑制要求较高的微波通信系统中。

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