2. 东南大学 毫米波国家重点实验室, 南京 210096;
3. 燕山大学 信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004;
4. 燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心, 河北 秦皇岛 066004
为了解决耦合线滤波器谐波抑制问题，提出了一种新的结构简单的平行耦合线带通滤波器.该滤波器由平行耦合线和开路枝节组成.首先基于耦合线带通滤波器的等效电路图，通过奇偶模理论得到设计方程，并设计了带通滤波器；分析了滤波器特性与电参数之间的关系；通过仿真优化得到了滤波器的物理尺寸；制备并测试了滤波器的S参数，仿真结果和测试结果基本一致.该滤波器具有结构简单、面积小等优点，并通过引入传输零点实现了较宽的阻带抑制和较好的选择性.
2. State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China;
3. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China;
4. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of CSR, Yanshan University, Hebei Qinhuangdao 066004, China
In order to solve harmonic suppression, a parallel coupled line band-pass filter with simple structure was proposed. The filter consists of parallel coupled lines and open stubs. Filter's equation was firstly obtained via odd-even mode analytical method, which is based on the equivalent circuit of the proposed coupled line band-pass filter, and a compact band-pass filter was designed. Secondly, the relationship between filter's resonant characteristics and its electrical parameters was analyzed. And then, the geometric parameters of the proposed band-pass filter was obtained and optimized. Finally, the proposed band-pass filter and measured its S parameters was fabricated, which were basically consistent with simulation. It is founded that the filter designed has the advantages of simple structure, small size, etc. The proposed band-pass filter also has a wide stop band rejection and better selectivity through the introduction of transmission zeros.
由于平行微带耦合线结构具有简单的设计流程、容易加工等优点，被广泛地应用到滤波器设计中. Cui等[1]基于信号干扰理论提出了弯曲平行全耦合线宽带带阻滤波器设计方法，所设计的滤波器第一寄生阻带在2f0处. Wang等[2]提出的自耦合环形谐振器超宽带滤波器第一寄生通带也出现在2f0处. Wang等[3]在自耦合环形谐振器基础上加载了1/4波长微带线结构实现了超宽带滤波器设计. Wang等[4]通过短路和开路平行阶梯阻抗耦合线结构实现了带通滤波器设计.虽然Wang等[3~4]所设计的滤波器带外抑制得到了改善，但是滤波器面积都增加了很多.朱永忠等[5]提出了一种耦合臂U形谐振器滤波器，通过传输零点实现了较好的带外抑制. Zhou等[6]通过级联平行耦合线改善了滤波器带外抑制.李学斌等[7]提出了双频带滤波器设计方法.到目前为止，已有的简单耦合结构滤波器谐波抑制较差.通过加载微带线结构或级联结构可实现较好的带外抑制，但滤波器的面积会增加很多.
笔者提出了一种结构简单的平行耦合线滤波器.该滤波器由平行耦合线和开路枝节组成.平行耦合线和开路枝节的总长度为1/2波长.通过奇偶模理论得到了平行耦合线滤波器的设计方程.滤波器的中心频率由滤波器的电长度确定.笔者分析了相对带宽、通带内损耗、耦合线阻抗、开路枝节阻抗的关系.通过引入传输零点实现了谐波抑制，扩展了阻带带宽，同时基本不增加滤波器面积.
1 平行耦合线带通滤波器设计图 1(a)为平行耦合线带通滤波器的等效电路图，滤波器由平行耦合线和开路枝节组成.该等效电路图是对称结构，图 1(b)和图 1(c)分别为奇模等效电路图和偶模等效电路图.微带线的电长度为a1、a2、a3、a4.开路枝节的阻抗为Z1.耦合线的奇模阻抗和偶模阻抗分别为Zo和Ze.为了计算简单，假设耦合微带线的奇模相速度和偶模相速度相同(θe=θo=θ).为了实现对寄生通带的抑制，电长度选取不同的值.同时4个电长度可选择为一个值的整数倍数，便于理论计算. 4个电长度选取为a1=θ，a2=a3=a4=2θ.同时也可采用其他组合的电长度设计耦合线带通滤波器.基于奇偶模理论，滤波器的奇模(偶模)输入阻抗表达式如式(1) 所示.当奇模(偶模)输入阻抗为无穷大时，对应的谐振频率为奇模(偶模)谐振频率，如式(2) 所示.
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图 1 平行耦合线带通滤波器 |
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(1) |
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(2) |
因为平行耦合线和开路枝节的总电长度为半波长，所以θ≈25.71°.因此假定θ的范围为24.66°~26.78°，归一化Z1的范围为0.4~1.6. 图 2给出了耦合线的归一化奇模(偶模)阻抗Zo(e)和电长度θ、开路枝节归一化阻抗Z1的关系.当Z1固定时，随着θ的增加，Zo(e)减小.当θ固定时，随着Z1的增加，Zo(e)增加.
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图 2 Zo(e)与θ，Z1的关系 |
假设奇模谐振频率对应的θo=26.06°，偶模谐振频率对应的θe=25.36°.基于假设的θo和θe，表 1给出了3组归一化阻抗Z1、Zo和Ze，其中归一化是以Z0=50 Ω为标准.当Z1和中心频率对应的θ0固定时，表 2给出了不同的θo－θe(相对带宽)对应的奇模阻抗和偶模阻抗参数.对于对称和互易网络，其频率相应可通过式(3) 和式(4) 进行求解.基于表 1和表 2所给参数，平行耦合线带通滤波器的谐振特性如图 3所示.在图 3(a)中，随着阻抗Z1的减小，通带内回波损耗增加.当Z1减小到一定值时，通带内回波损耗会减小.从图 3(b)可以看出，当θo－θe(相对带宽)增加时，通带内回波损耗会增加.同样当θo－θe(相对带宽)增加到一定值时，通带内回波损耗会减小.那么当基于该结构设计滤波器时，可根据所设计滤波器的相对带宽和图 3中给出的规律，选择合适的Z1.
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(3) |
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表 1 3组滤波器的阻抗参数(θ0=25.71°，θe=25.36°，θo=26.06°) |
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表 2 3组滤波器的电长度和阻抗参数(Z1=1.3, θ0=25.71°) |
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图 3 平行耦合线带通滤波器的S11参数计算结果 |
图 4(a)给出了带通滤波器的结构，弯曲开路枝节是为了减小滤波器的大小.在仿真中介质的介电常数为2.2，损耗正切值为0.000 9，介质板的厚度为0.508 mm.基于上面给出的阻抗值和电长度，假设滤波器的中心频率f0=1.6 GHz，通过ADS LineCalc tool获得滤波器初步的物理尺寸. 表 3给出了滤波器2的归一化阻抗参数、电长度和微带线宽度和长度的对应关系.在表 3中，电长度θe=θo=θ0=θ决定了微带线的物理长度a，阻抗Z1决定了开路枝节的宽度c.而Ze和Zo共同决定了宽度b和缝隙g，耦合线和开路枝节的总长度为1/2波长，因此b=c，通过调节g使得满足Ze和Zo.另外根据电长度的大小得到d+t=2a和d+s=a，选择合适的d，使得开路枝节与耦合线之间耦合很小，同时也可能减小电路板面积，选取d=4 mm.
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图 4 带通滤波器 |
基于表 3中滤波器2的初步物理尺寸，通过三维电磁仿真软件(HFSS，high frequency structure simulator)进行仿真优化，考虑到弯曲、开路端等影响，得到优化后的物理尺寸为a=10 mm，b=c=1 mm，d=4 mm，g=1.3 mm，t=16 mm，s=6 mm，w=1.54 mm.然后基于Rogers RT/duroid 5880 (tm)制作了平行耦合线带通滤波器，如图 4(b)所示.
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表 3 滤波器2的电参数和物理尺寸 |
滤波器的仿真结果和测试结果如图 5所示，其中仿真结果为虚线，测试结果为实线.测试结果表明，在通带内回波损耗大于12 dB.在通带外，低频段有2个传输零点，分别位于f=0 Hz和f=0.977 GHz，在整个低频段插入损耗大于33.2 dB；高频段也有2个传输零点，分别位于f=3.563 GHz和f=4.216 GHz，在整个高频段插入损耗大于11.5 dB.传输零点实现了宽的阻带抑制.测试结果和仿真结果基本一致.微小的差别来源于材料本身误差、SMA连接器和制作误差.
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图 5 带通滤波器仿真结果和测试结果 |
表 4为笔者提出的平行耦合线带通滤波器和已有文献中的滤波器主要参数比较.从表 4中可以看出，文献[1~2]中描述的滤波器电路面积较小，但高次谐波抑制需要改进.文献[3~4]中描述的滤波器面积较大，谐波抑制也需要改进.文献[6]中描述的滤波器电路面积较大，但其谐波抑制效果较好.笔者提出滤波器的谐波抑制效果较好，同时电路面积较小，可实现小型化宽阻带带通滤波器设计.
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表 4 滤波器特性参数比较 |
提出了一种加载开路枝节的平行耦合线带通滤波器.基于奇偶模分析方法给出了滤波器的设计方程.讨论了滤波器的相对带宽、通带内损耗和带外抑制.基于HFSS软件进行仿真优化，同时制作并测试了滤波器的S参数.测试结果和仿真结果基本一致，验证了理论的正确性.同时该结构可应用到其他微波器件设计中.
| [1] | Cui Dongnuan, Liu Yuanan, Li Shulan, et al. Compact band-pass filter based on two meandered parallel-coupled lines in different lengths[J].The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2012, 19(3): 33–36. doi: 10.1016/S1005-8885(11)60262-8 |
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Zhu Yongzhong, Zhao Zhiyuan. Design of a microstrip transmission line filter with transmission zeros[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2012, 35(5): 77–80. |
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Li Xuebin, Guo Jianzhuo, Han Yunan. Compact dual band-pass filter design using asymmetrical stepped-impedance resonators[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2015, 38(2): 104–107. |