一种新型超宽带集总滤波器的设计

厉建国

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

随着超宽带无线通信技术的发展，超宽带滤波器作为关键器件之一得到了国内外学者的广泛关注，并获得了快速发展。

由于相对带宽较宽，传统的滤波器综合法难以设计出符合工程实用要求的超宽带滤波器[1]。超宽带滤波器在实现形式上主要有三种：高通滤波器+低通滤波器、高通滤波器+带阻滤波器、带通滤波器等。

工程中多采用高通滤波器与低通滤波器直接级联的方式来实现超宽带滤波器，当FH/FL过大（即下截止频率FL较低而上截止频率FH较高）时，高通滤波器的悬空节点和集总元件自身的寄生参数会严重影响通带特性。本文介绍的超宽带滤波器采用低通+高通+低通的结构形式，通过电路结构变换并对元件值进行优化设计可以较好的解决这些问题。

1 双端口网络级联分析

双端口网络的电压、电流基本定义[2]如图1所示。

根据图1 可以定义双端口网络的ABCD 参量矩阵（级联矩阵）：

依据（1）式可求得图2所示串联阻抗元件二端口网络的ABCD 参量，见（2）式。

同样，依据（1）式亦可求得图3所示并联阻抗元件二端口网络的ABCD 参量，见（3）式。

微波电路通常采用简单网络的级联方式构成。因此，推导出简单双端口网络的ABCD 参量表达式是非常重要的，这些双端口网络可用来构成更复杂电路的基本单元。

ABCD 参量亦适合于描述级联网络[2]，如图4所示的两个级联网络，第1 个网络的输出电流与第2 个网络的输入电流在数值上相等，符号相反（即）；第1 个网络输出端口的电压降 等于第2 个网络输入端口的电压降，也就是。

因此，两个网络级联形成新网络的ABCD 参量矩阵等于这两个网络ABCD 参量矩阵的乘积。依据电压、电流定义的相应关系，可直接求解网络参量之间的变换关系，本文不再赘述。

图1：双端口网络

图2：串联阻抗元件双端口网络

图3：并联阻抗元件双端口网络

图4：两个双端口网络级联

图5：原型电路

图6：引入悬空节点寄生参量

2 电路仿真设计

图7：电路拓扑结构

图8：S 参数仿真曲线

图9：实测S 参数曲线

2.1 原型电路选取

选取切比雪夫函数型滤波器，它在通带内具有等纹波特性，过渡带陡峭且阻带单调下降，阻带抑制高。为了使高、低通电路级联后产生的悬空节点最少，选取T 型高通原型网络和π 型低通原型网络，如图5所示。

2.2 悬空节点的处理

高通滤波器不可避免的存在悬空节点，由于本文设计的超宽带滤波器上截止频率较高（FH为3.1GHz），实际制作时悬空节点产生的寄生参量将严重影响通带特性，使带内插损变大、回波损耗恶化。因此，要得到较好的通带频响特性，需将悬空节点产生的寄生参量CP带入电路中（如图6所示），然后对其它元件进行优化设计以得到易于工程实现的元件值。

2.3 电路仿真和优化

使用微波电路仿真软件进行整体电路设计，电路输入输出端采用感性匹配网络，电路拓扑结构如图7所示。

经过微调和优化元件值得到的S 参数仿真曲线如图8所示，其中1dB 带宽范围为100MHz 至3100MHz，带内回波损耗在-24dB以下，在4.4GHz 处抑制大于50dBc。

3 测试结果与分析

通过上述的仿真与分析，对整个滤波电路进行合理的版图布局，将整个电路集成在38mm×13mm×13mm 的屏蔽金属封装中，经测试性能良好。实测结果如图9所示。

从实测曲线可看出，滤波响应达到预定要求，与设计基本吻合，而且阻带特性良好，从4.4GHz～8.5GHz 衰减大于50dB。该设计方法较为灵活，具有以下明显的优点：

（1）设计方法简单；

（2）结构简单，体积小；

（3）易装配调试，工程实用化强。

4 结论

本文设计了一种结构简单、易于装配调试、具有良好的通带和阻带特性的超宽带带通滤波器。通过在高通滤波器的输入和输出端各级联一个低通滤波器并经过适当的电路变换和仿真优化实现了超宽带滤波。通过设计仿真和实例制作，证明了该方法可行且实用。目前，正逐步地应用于各种超宽带微波通讯系统中。