基于MPCL结构的小型化微带带通滤波器设计

郑晓缘，雷 涛，向天宇，宋小伟

(贵州师范大学 大数据与计算机科学学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

具备高集成度和高选择性的带通滤波器是无线射频通信前端的关键器件。近年来，大量的研究致力于提高滤波器的选择特性和阻带抑制能力[1-5]。其中，一种方式是通过增加传统滤波器中耦合谐振器的阶数，例如平行耦合结构，发夹结构，交指结构和梳状线结构等[6]；另一种方式是引入交叉耦合结构以获得阻带中的传输零点，例如级联三胞(CT)结构和级联四胞(CQ)结构[7]。但上述两种方式都存在电路尺寸大，插入损耗高的缺点；第三种方式则使用双模或多模谐振器，通过引入交叉耦合或源-负载耦合来增加有限个传输零点[8-11]，这种方式具有结构简单、尺寸紧凑和插入损耗低的优点，但由于单阶滤波器器件结构的局限性，大多数此类滤波器阻带抑制约为25 dB，难以满足工程应用需求。

对于多业务无线收发器中的滤波器设计，一般通过多对谐振器来实现多通带响应，因此整体电路尺寸相对较大[12-14]。在文献[15]中提出了一款单环谐振器结构，其利用自身存在的3对简并模实现具有三通带响应的带通滤波器设计，但该结构仍未能克服尺寸较大的缺点。

综上所述，本文提出了一种改进型平行耦合线(MPCL)结构，利用等效电路模型和奇偶模原理对该结构进行了详细分析，并基于MPCL结构设计了两款结构新颖且具有高选择性的小型化微带带通滤波器。其中，第一款滤波器通过半波长开路谐振器的基模和高阶模实现了三通带响应，并在通带附近产生7个传输零点，显著提高了每个通带的带外选择特性；第二款滤波器利用三阶谐振器实现模式间的交叉耦合，分别于上下阻带各产生1个传输零点，进一步提高了该滤波器的选择性和阻带抑制度，具有良好的应用前景。

1 MPCL结构特性分析

MPCL的结构如图1(a)所示，主要由1个半波长开路谐振器和2条连接到50 Ω输入/输出(I/O)馈线的开路微带线组成。滤波器的等效电路如图1(b)所示，其中V1，V2…，V6，I1，I2…，I6为对应端口的电压和电流。通过等效电路模型可研究MPCL结构的滤波特性，其终端条件满足下式：

图1 (a) MPCL-物理结构 (b)MPCL-等效电路模型Fig.1 (a) The schematic of the MPCL and (b)The equivalent circuit model for the MPCL

I2=0,I4=0,I5=0,I6=0

(1)

图2为传输带线电路模型在不同耦合间隙S1下的频率响应。由图可知，通带中仅存在1个谐振频率，带宽由耦合间隙决定，间隙越小则带宽越大。其中，下阻带中的传输零点由I/O馈线连接的2条开路微带线之间进行交叉耦合产生[16]。

图2 不同耦合间隙S1下的频率响应特性曲线Fig.2 Simulated frequency responses of transmission line circuit model against different coupling space S1

由于本文所提滤波器结构对称，故采用奇偶模原理来进一步分析产生传输零点的原因。图3(a)和图3(b)对应了奇模和偶模的等效电路模型，其中，θ1、Z1分别表示微带线的电长度和特征阻抗，而Z0o、Z0e、θ0则分别表示耦合线的奇模和偶模的阻抗和电长度。假设θ0=θ1=θ，则奇偶模所激励的输入阻抗可分别简化为[17]：

图3 (a)奇模等效电路模型 (b)偶模等效电路模型Fig.3 (a) Odd-mode equivalent circuit and (b)Even-mode equivalent circuit

(2)

(3)

滤波器阻带中的零点可通过Zine=Zino来确定。 因此，可以计算出传输零点位置：

n= 0,1, 2, 3…

(4)

n= 0,1, 2, 3…

(5)

其中，f0是当θ=π/2时基模的谐振频率。在高阶模式(2nf0，2(n+1)f0)中，每个频率范围内都可产生2个传输零点，大大提高了每个通带的选择性。

2 基于MPCL的三通带滤波器设计

基于上述分析，本文选择半波长开路谐振器作为基本结构设计了一款三通带滤波器，整体物理结构如图4所示。利用半波长开路谐振器的基模和高阶模可产生多个通带，其中心频率分别位于f0，3f0，5f0，…(2n+1)f0，带宽主要由耦合间隙S1决定，且在每个频率范围(2nf0，2(n+1)f0)中，都有1对传输零点位于相应通带的两侧，以提高带内外选择性能。利用公式(4)和(5)可计算得到传输零点的位置。

图4 三通带滤波器物理几何结构Fig.4 Layout of the tri-band BPF

经初步仿真表明，该三通带滤波器工作频率在3.5 GHz、10.5 GHz和17.5 GHz，其分数带宽分别为：45.7%、15.4%和9.3%。其中，微带线长度由L1=L2=λg/4确定，λg为第一个通带中心频率处的波导波长。该滤波器介质基板材料为RT/D 5 880，厚度为0.508 mm，相对介电常数为εr=2.2。滤波器的初始几何参数为：W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，S1=0.2 mm，W3=1.52 mm(50欧姆I/O馈线阻抗匹配)。因此，可计算得出相应的阻抗值Z0o=67.8 Ω，Z0e=176.6 Ω，Z1=128.7 Ω。最后，根据式(4)和(5)，零点的频率位置计算如下：

fz11=0.51f0，fz21=1.49f0，fz12=2.51f0

fz22=3.49f0，fz13=4.51f0，fz23=5.49f0

本文利用ADS电磁仿真软件针对滤波器的几何尺寸对通带频率和带宽的影响进行了优化仿真。如图5(a)所示，随着长度L1的增加，3个通带的中心频率均向低频偏移。从图5(b)可看出，耦合间隙对3个通带的带宽均存在影响。在图5(C)中，调节长度L2，第一通带带宽保持不变，第二通带和第三通带的带宽随着其增加而减小。

图5 (a) (b) (c)分别为L1，S1，L2对|S21|的影响Fig.5 (a)Simulated insertion loss at variousL1，(b)S1and (c)L2

经优化得到最佳尺寸参数如下：L1=16.8 mm，L2=14.9 mm，W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，S1=0.14 mm。加工后的滤波器实物如图6所示。滤波器尺寸为33.2 mm×1.08 mm，相对尺寸为0.48λg×0.013λg。从图7中可看出，3个通带的中心频率分别位于3.5 GHz、10.5 GHz和17.2 GHz，相对带宽分别为45.7%、15.4%和9.3%，最小插入损耗为0.3 dB，回波损耗均小于-18 dB，共产生7个传输零点，显著提高了滤波器的带外选择特性。表1给出了本设计与其他文献的三通带滤波器的对比结果，体现了该滤波器结构简单，尺寸紧凑，选择性更高的优势，其缺点是3个通带的中心频率不能独立调谐。

图6 三通带滤波器实物图Fig.6 Photograph of the tri-band BPF

图7 三通带滤波器的仿真和测试结果Fig.7 Simulated，measured S-parameters of the proposed tri-band BPF

表1 本设计同其他文献的三通带滤波器的对比Tab.1 Comparison with other reported tri-band BPFs

3 基于MPCL的3阶带通滤波器设计

基于上述第一款滤波器的设计原理，为了进一步改善滤波器的选择特性和阻带抑制度，通过增加谐振器的阶数，实现了上下阻带分别引入1个传输零点的3阶带通滤波器。图8给出了该滤波器的物理结构，该结构与梳状线滤波器类似，3个相同长度的微带线作为半波长开路谐振器，通过交叉耦合于通带两侧成功引入了1对传输零点，显著提高了通带的选择特性和带外抑制度。

图8 三阶带通滤波器物理结构Fig.8 Layout of the three-order BPF

如图9所示，滤波器在弱耦合条件下的传输响应表明，通带中产生了3个谐振频率(f1，f2，f3)，分别对应了3个谐振器的谐振模式。通过改变参数L2和L3，可灵活控制通带的中心频率。在图10(a)中，带宽主要与耦合间隙S1有关，S1越小，带宽也就越宽。图10(b)证实了随着耦合间隙S2的增大，带内回波损耗逐渐减小，而带宽保持不变。

图10 (a) (b) 分别为参数S1和S2的滤波器频率响应S曲线图Fig.10 (a)Simulated S-parameters at variousS1and(b)S2

总结该滤波器设计主要包括3个步骤：首先，由中心频率确定带线谐振器L2和L3的长度；其次，调节S1实现预期的带宽；最后，通过优化参数S2以降低带内回波损耗。

表2 本设计同其他文献的带通滤波器的对比Tab.2 Comparison with other reported BPF

经优化得到最终尺寸参数如下：L1=10.2 mm，L2=19.2 mm，L3=19.2 mm，L4=5.8 mm，L5=3.2 mm，W1=0.2 mm，W2=0.4 mm，W3=0.4 mm，S1=1.2 mm，S2=0.45 mm。该滤波器实物如图11所示，其物理尺寸为25 mm×4.9 mm，相对尺寸为0.66λg×0.13λg，其中λg为5.8 GHz处的波导波长。从图 12 中可看出， 测试结果和仿真结果相吻合，通带的中心频率为5.8 GHz，FBW约为6.9%，最小插入损耗为1.3 dB，回波损耗低于-20 dB。通带两侧3.4 GHz和7.1 GHz处各引入了1个传输零点，通带选择性得到进一步提高，且阻带抑制度优于50 dB。

图11 3阶带通滤波器实物图Fig.11 Photograph of the three-order BPF

图12 带通滤波器性能仿真及测试结果Fig.12 Simulated and measured BPF performances

4 结论

本文提出了2款基于改进型MPCL结构的小型化微带带通滤波器。对于第一款滤波器，可有效控制3个通带的中心频率和带宽，7个传输零点显著提高了带外选择性。对于第二款滤波器，通过3阶带线谐振器交叉耦合在通带两侧各引入了1个传输零点，在提高带外选择性的同时实现了高阻带抑制。本文所设计的2款滤波器均具有插损低，频率选择性好和阻带抑制度高的优势，且结构简单，易于加工，能有效适应无线通信系统的应用需求。