宽阻带阶梯阻抗发夹式低通滤波器研究

张小峰，孙海青，祁　全，何　潇

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

宽阻带阶梯阻抗发夹式低通滤波器研究

张小峰，孙海青，祁全，何潇

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

摘要：提出一种新型宽阻带阶梯阻抗发夹式椭圆函数低通滤波器。仿真得出该滤波器通带从DC到4.5 GHz， S11优于19 dB，且S21从DC到4.5 GHz时优于0.5 dB，具有宽阻带、良好的带外抑制能力及陡峭的截止频率响应。实测结果与仿真基本吻合。

关键词：微波通信系统；低通滤波器；宽阻带；阶梯阻抗谐振器；发夹式

0引言

在现代微波通信系统中，低通滤波器的抑制谐波作用必不可少，特别是紧凑型、高性能微波低通滤波器的应用更广泛。谐振器是滤波器中的关键元件。为了减小谐振器的尺寸，行业内研发了多种谐振器的结构，例如阶梯阻抗谐振器(Stepped Impedance Resonators,SIR)、伪交叉指型谐振器、开环谐振器与双模谐振器等。常规的阶梯阻抗和短截线低通滤波器只能提供Butterworth和Chebyshev特性，而此特性只有渐变的截止频率响应。为获得宽阻带与陡峭的截止频率响应，大多常见滤波器会增加更多的阶数，但与此同时增加了滤波器尺寸和插入损耗[1-3]。微带发夹式谐振器由于其尺寸小、易加工等优点在微波通信系统中引起足够的重视，因此被广泛应用在低通滤波器中。

本文提出一种新型宽阻带阶梯阻抗发夹式椭圆函数低通滤波器。首先通过对常规结构谐振器与新型结构谐振器进行理论研究，并提出其等效电路，然后再通过HFSS仿真与实测研究得出具有尺寸小、低插损、易制造、宽阻带及陡峭的截止频率响应等优点的低通滤波器[4]。

1理论研究

1.1　椭圆函数

在最常用的Butterworth、Chebyshev、反切比雪夫和椭圆函数4种类型的滤波器中，在给定阶数和通带、阻带衰减要求的前提下，椭圆函数滤波器具有最窄的过渡带和最小的阻带波动，且椭圆函数低通原型的带外抑制能力比Chebyshev和Butterworth好。椭圆函数低通原型滤波器的通带和阻带都具有Chebyshev波纹。由于这种滤波器的阻带衰减极点不全在无限远处，因此用椭圆函数低通滤波器可得到陡峭的截止频率响应[5]。

1.2　发夹式结构与等效电路模型

表1所示，新型结构比常规结构增加了一对耦合SIR。从等效电路模型可知，可看作一个单一传输线和两个开路面并联耦合线。单线的特性阻抗和电长度为Zs和θT，偶模式和奇模式阻抗和并联耦合角为Zoe，Zoo和θoe，θoo，假设θoe=θoo=θo，则可推出谐振条件为[6]

(1)

式中θs=θT/2，定义参数Zo为偶奇模式阻抗的几何平均值和C为耦合系数：

(2)

(3)

由上面可知最终谐振条件为

sin2θs+2cos2θs-2C=0

(4)

式中RZ=Zo/Zs为阻抗比。

表1中显示新型结构椭圆函数滤波器和其集总元件等效电路模型，且两种结构滤波器都有互联的馈线。观察两个滤波器的等效电路模型可知，它们都是椭圆函数低通滤波器的结构。

表1　常规发夹式谐振器与新型发夹式谐振器结构与等效电路模型的对比

2仿真研究

本文使用HFSS软件对常规结构和新型结构的低通滤波器进行3D建模和仿真优化。滤波器采用RT/Duroid@5880介质板，相对介电常数为εr=2.2。首先对常规发夹式谐振器和新型发夹式谐振器分别建模，如图1和图2。然后利用仿真优化得到满足设计指标的滤波器尺寸，最后对比研究仿真后处理的回波损耗S11、插入损耗S21及场强图。

图1　常规发夹式谐振器建模

图2　新型发夹式谐振器建模

仿真后处理优化后得出低通滤波器尺寸：l1=5.65mm，l2=2.3mm，l3=0.62mm，l4=1.44mm，l5=1.78mm，w1=0.76mm，w2=0.2mm，w3=0.65mm，w4=0.28mm，w5=0.28mm，w6=0.28mm，g =0.2 mm。根据优化后的结构尺寸，对比常规发卡式结构与新型发卡式结构的仿真结果，可以看出新型发卡式结构低通滤波器的回波损耗S11和插入损耗S21更佳。具体仿真结果如图3~6所示。

图3　常规发夹式滤波器场强图

图4　新型发夹式滤波器场强图

图5　常规发夹式滤波器回波损耗及插入损耗

图6　新型发夹式滤波器回波损耗及插入损耗

仿真对比可知，该新型滤波器通带从DC到4.5GHz，回波损耗S11优于19dB，且插入损耗从DC到4.5GHz时优于0.5dB，具有良好的带外抑制能力、宽阻带及陡峭的截止频率响应。

3实测研究

基于使用HFSS软件对新型发卡式滤波器电路仿真优化后的结果，对滤波器电路进行实物加工与性能测试，见表2。新型发夹式谐振器的尺寸为4.8mm×2.7mm，其实测结果与仿真存在差异：S21在4.5GHz时为5.9dB，陡峭的截止频率响应不明显。分析差异原因可能：(1)实物加工尺寸的差异，(2)实测时测试方法、测试平台以及未使用专业夹具测试的影响。

4结束语

本文利用常规发夹式滤波器设计了新型宽阻带阶梯阻抗发夹式椭圆函数低通滤波器。该新型滤波器具有尺寸小、低插损、易制造、宽阻带及陡峭的截止频率响应等优点，特别适用于微波单片集成电路工艺。这种紧凑的高性能低通滤波器同样也适用于通信系统。

表2　新型发夹式滤波器实物加工图与性能测试图

参考文献：

[1]Makimoto M，Yamashita S.Bandpass filters using parallel coupled stripline stepped impedance resonators[J].IEEE Trans.on Microw.Theory and Tech.,1980,12(28):1417-1423.

[2]Tang C W ,You S F.Miniaturized wide stopband rejected microstrip filter with coupled Spur-lines[J].Electronics Letters,2006,42 (5):286-288.

[3]Gorur A ,Karpuz C.Miniature dual-mode microstrip filters[J].IEEE Microwave and Wireless Component Letters,2007,17(1):37-39.

[4]M H Yang ,J Xu.Design of compact,broad-stopband lowpass filter using modified stepped impedance hairpin resonators[J].Electronics Letters,2008,44(20):172-174.

[5]王正伟,羊恺.椭圆函数宽阻带带状线低通滤波器[J].实验科学与技术,2006(6):15-16.

[6]蔡钟斌.基于阶梯阻抗发夹谐振器的小型低通滤波器[J].信息与电子工程,2007(5):78-80.

A wide stopband stepped impedance hairpin lowpass filter

ZHANG Xiao-feng, SUN Hai-qing, QI Quan, HE Xiao

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:A new wide stopband stepped impedance hairpin elliptic function lowpass filter is proposed. The simulation results indicate that the filter passband is from DC to 4.5 GHz, within which the echo loss S11 and the insertion loss S21are better than 19 dB and 0.5 dB respectively. The filter features wide stopband, good out-of-band rejection capability, and steep cut-off frequency response. The actual results basically agree with the simulation ones.

Keywords:microwave communication system; lowpass filter; wide stopband; stepped impedance resonator; hairpin

中图分类号：TN925.91

文献标志码：A

文章编号：1009-0401(2015)04-0033-04

作者简介:张小峰(1986-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：雷达接收及雷达系统技术；孙海青(1983-)，男，工程师，研究方向：雷达信号处理；祁全(1987-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：雷达接收技术；何潇(1985-)，男，工程师，研究方向：雷达接收技术。

收稿日期:2015-09-11;修回日期:2015-09-15