一种新型的悬置带状线带阻滤波器设计

2020-06-18余泽和历阳许立强刘长军

应用科技 2020年1期

余泽，和历阳，许立强，刘长军

四川大学电子信息学院，四川成都 610064

微波滤波器广泛应用于无线通信系统，传输有用信号并抑制干扰信号[1-2]。如果某频段有较强干扰信号，通常采用带阻滤波器进行抑制[3]。与传统微带线和共面波导相比，悬置带状线(suspended strip-line, SSL)具有许多优点，比如低介质损耗、低辐射损耗、稳定性好等[4-7]。因此，SSL传输线常被用于设计低插损滤波器[8-10]。文献[8]提出了一种基于带状线具有宽阻带的超宽带低插损带通滤波器，但是带状线加工难、成本高。文献[9]提出了一种结构紧凑的SSL谐振器，实现谐振器尺寸的小型化。文献[10]提出了在谐振器开路端进行电容加载实现谐振器的小型化，设计了一种具有可控传输零点的SSL带通滤波器。这些原谐振器改进在一定程度上影响了滤波器的性能。

在这些传统的SSL滤波器设计中，支撑SSL的金属外壳通常有一定厚度，兼具接地和电磁屏蔽功能[11-14]。本文提出了在SSL的金属外壳中构造矩形腔谐振腔，形成具有带阻特性的SSL传输线。基于该谐振器，设计了一款Ku波段的SSL带阻滤波器。该滤波器结构紧凑，阻带中心频率为12.5 GHz，带宽为1.35 GHz，阻带衰减大于25 dB。

1 矩形腔谐振腔

悬置带状线是一种具有独特优势的传输线，具有损耗低、稳定性好等优点。SSL传输线的结构如图1所示，金属外壳用斜线填充，中心空白区域为空气腔。网格填充部分为介质基板R05880(εr为2.2)，竖线填充部分为基板上的敷铜贴片。由于SSL两端要固定同轴接头，金属外壳一般具有一定厚度。金属外壳占据了器件绝大部分的重量和体积。

图1 SSL传输线横截面

微带线中的缺陷地结构(defected ground structure, DGS)是通过在微带接地板上开槽，形成具有带阻特性的微带传输线[15-19]。类比于该原理，本文提出了在SSL的金属外壳中构造矩形腔谐振腔，形成带阻特性的SSL传输线。具有矩形腔谐振腔的SSL传输线模型如图2所示，具体尺寸如表1所示。

图2 具有矩形腔谐振腔的SSL传输线

表1 具有矩形腔谐振腔的SSL传输线 mm

在SSL传输线空气腔上方构造矩形腔，SSL两端通过端口加激励，四周均设为金属。SSL传输线上方的矩形腔可以看作是一个终端短路的理想波导传输线，其输入阻抗与矩形谐振腔深度d的关系为

式中：a和b分别为波导的宽边和窄边；ω0为谐振角频率；m和n代表谐振模式。对于TE10模式，随着谐振腔长度a和深度d的增加，谐振频率将减小。

图3 矩形腔谐振腔的等效电路

对图2提出的结构进行仿真，S参数如图4所示：矩形腔谐振腔在SSL上呈现带阻特性，并在17.19 GHz产生谐振。谐振器的谐振频率与长度a和深度d的关系，分别如图5和图6所示。当保持d=8 mm不变，谐振频率随着a的增大而向低频偏移；当保持a=12 mm不变，谐振频率随着d的增大也向低频偏移。因此，通过改变谐振腔的尺寸，可以抑制Ku波段内的任意频率的干扰信号。

图4 矩形腔谐振腔的SSL传输线的S参数

图5 腔体长度a与谐振频率关系

图6 腔体深度d与谐振频率关系

一般SSL滤波器的谐振单元都是沿着传输线依次排列，导致SSL较长，增加了滤波器的体积和重量。本文提出的谐振结构垂直于带状线排列，减少了SSL传输线的长度，使得SSL滤波器的结构更加紧凑。

具有单个矩形腔谐振腔的SSL传输线阻带窄，带宽仅为180 MHz，如图4所示。为了增加阻带带宽，在SSL的上方和下方引入了2个相同的λg/4的矩形腔谐振腔，组成一个λg/2的矩形腔谐振腔，结构如图7所示。仿真的结果如图8所示。该结构的阻带增加到了600 MHz，阻带中心频率偏移到了16.17 GHz。